发育神经生物学课件

Ⅰ神经脊及其衍生物一、概论1、神经脊neuralcrest概念它是脊椎动物胚胎神经系统发育过程中的一个暂时性结构,起始于神经板两侧的神经褶,终成为外周神经系统的绝大部分神经元、所有神经胶质细胞及多种非神经细胞.神经脊也来源于外胚层它的衍生物具有3个经典胚层衍化的性质.如外胚层性的外周神经系统神经元、中胚层性的软骨细胞及内胚层性的弥散神经内分泌系统等.神经脊这一结构是由瑞典科学家W.His于1868年首次描述的.2、神经脊研究历史像胚胎学或者发生学本身的发展历史一样,对神经脊研究的历史也可大致分为描述胚胎学、实验胚胎学与现代胚胎学〔发育生物学〕3个互相重叠的时期. 第一期是从His到1900年.主要是论证神经脊的来源与基本衍生物.第二时期可称作实验胚胎学时期.从1900年到上世纪60年代.此时期证实了神经脊细胞的多潜能性,它的衍生物在所有经典的3个胚层的衍生物中均有同源物.20世纪60年代,随着分子生物学的兴起,对神经脊的研究进入了一个心的时期.此时期最丰富的成果当数Levi-Montalcini及其同事发现了神经生长因子〔NGF〕3、神经脊发育的基本框架神经脊可分为颅部神经脊和躯干部神经脊两大部分.从头侧至尾侧,神经脊依其所在位置及主要分化产物的差异,又可分为三叉部神经脊、颜面和听觉部神经脊、咽舌和迷走部神经脊、枕部神经脊以及脊髓不神经脊等.传统地,将中脑和后脑嘴侧部的神经脊合称为三叉部神经脊,将1~7体节区的神经脊合称为迷走神经区.二、神经脊的发育过程在神经胚发育早期,最核心的变化包括胚盘中轴区的外胚层局部增厚成为神经板；神经板两侧缘增厚、隆起而在胚盘外表面突出成神经褶；神经褶进一步隆起、神经板中轴部进一步凹陷从而卷折成神经管.哺乳类神经管的闭合不是从最头端开始,而是从颈部〔4-6体节〕开始,然后向头尾扩展.在躯干部,神经嵴细胞迁移的路径总的来说可分背外侧路径<dorsolateralpathway>与腹侧路径〔ventralpathway〕两条主要路径.前者沿着体节与外胚层之间的空隙迁移,后者沿着神经昔与体节之间的空隙迁移.大多数的躯干部神经嵴细胞沿着腹侧路径迁移.在头部,嵴细胞的迁移路径大体也分为这两条,但以背外侧路径〔也称为外胚层下路径〕为主.沿背外侧路径迁移的嵴细胞,主要衍化为皮肤的色素细胞.而沿腹侧路径迁移的嵴细胞将发育成其他的w生物.神经嵴细胞一边迁移,一边增殖.在头部,神经嵴细胞是以成团形式从神经褶迁出.三、神经脊发育的基本方式1、神经嵴细胞的迁移迁移是神经系统发育的基本方式之一.神经嵴细胞的迁移是长距离的.神经嵴细胞的迁移是按定的时间与空间顺序进行的.迁移先于颅侧发生,再逐渐向尾侧推进.神经嵴向外迁移的路径可分为背外侧路径和腹侧路径两条主线.以背外侧路径迁移的嵴细胞主要衍化出皮肤内的色素细胞,而以腹侧路径迁移的嵴细胞衍生了外周神经系统的绝大部分成分以及多种其他组织细胞.2、神经脊细胞的命运确定神经嵴细胞的命运确定说到底就是神经嵴细胞的分化.虽然迄今对于神经嵴细胞类型最早确定的机制仍不明了,但有两方面结论是明确的.其一,抻经嵴细胞是多潜能的.其二,神经嵴细胞从开始形成时就存在一定程度的预先决定<predetermination>.支持神经蜡细胞多潜能性的最有力的证据来自神经嵴〔或神经管〕片段的移植实验.四、神经嵴及其衍生物分化发育的调控因素1、时空因素时空因素是调节神经生长和再生的一个基本因素,贯穿于神经系统胚胎发育过程的始终.形态学观察可见,滑腹侧路径迁移的嵴细胞在体节同区域聚集,因而认为体节与嵴细胞的节段性聚集有关.成团的脊细胞与体节之间保留有一定的间隙,二者之间投有亲台性.正因为如此,嵴细胞才得以停留在体节间区域,形成感觉神经节的原基.这就提示,神经嵴细胞的发育必须具备适宜的空间因索.对早期胚胎研究显示,神经脊细胞只有在神经营与体节之间、神经管与外胚层之间出现空隙时才开始迁移.适当的细胞间隙对于神经嵴细胞的迁移是必须的.2、机械导向因素神经嵴细胞的迁移是神经嵴形态发生中的重要事件.形态学观察发现,沿腹侧路径迁移的嵴细胞与节间动脉极为密切,因而节间动脉被认为是嵴细胞迁移的机械导向因素之一.3、细胞外基质细胞外基质<ECM>是广泛分布于机体细胞之间的生物大分子复合物,是由多种蛋白质和多糖分子组装成的网络结构,也是细胞得以生存和发挥功能的基本场所.组成ECM的大分子主要有胶原〔collagen〕、弹性蛋白〔elastin〕、蛋白多糖<proteoglycan>及非胶原性糖蛋白〔noncolleganousglycopmtems〕四大类.它们主要由间充质分化而来的细胞,尤其是广泛分布于基质中的成纤维细胞分泌产生.外周组织中的ECM分子是影响嵴细胞迁移和分化的一个重要因素.ECM分子在将神经嵴细胞从神经褶释放出来,在导引嵴细胞的迁移和在外周组织中"捕获"嵴细胞的过程中都有作用.

特殊的组织学染色与免疫细胞化学染色证明,神经嵴细胞迁移的路径与ECM分子的特征性分布相一致.4、细胞表面粘着分子细胞表面粘着分子<cellsurfaceadhesionmuleaLe>是除ECM之外的另一类神经粘着分子<neuraladhesionmolecule>．存在于神经嵴细胞、神经元、神经胶质细胞以及其他类型细胞的表面,通过配体或受体与其他细胞的受体或配体结合,介导神经细胞之间的粘着.5、其他因素调控神经嵴及其衍生物分化发育的其他因素包括神经营养因子〔见第十二章〕、神经诱向因子、神经生长抑制因子、生物物理因素和激素等.这些因素分别从神经蝽细胞的生存、生长、最终数量变化以及向靶细胞特异性生长等方面调节着神经嵴细胞的普遍性生长和特异性生长过程.五、神经嵴细胞迁移的调节模式神经嵴细胞的迁移受多种复杂因素的综合调控,神经嵴细胞的迁移在一定程度上取决于嵴细胞与嵴细胞之间的粘着力、嵴细胞与ECM之间的粘着力两种力量的复杂的平衡状态.嵴细胞之间的牯着力使得嵴细胞成团存在.蜡细胞与ECM之间的粘着力使得嵴细胞"锚定"在某一位点或者脱离嵴细胞团而发生迁移.六、神经嵴细胞分化的调控1、局部微环境对神经嵴细胞分化的调控体节能够影响感觉神经节神经元的集结形成,去除体节导致相应的神经节缺如,而超数量的体节并置可导致多余的神经节发育.外周组织影响嵴细胞及其衍生物的发育同外周组织中的ECM分子以及靶组织能产生某些神经营养活性物质密切相关.实验证明神经嵴细胞的发育不是完全同步的,既便是相同节段的神经嵴也存在不同步性.2、神经嵴细胞固有信息与神经嵴细胞的分化神经嵴细胞的分化也存在内、外因两方面的因素.真正决定嵴细胞分化大方向的仍然足神经嵴细胞本身所固有的信息.神经嵴细胞固有信息的表达必然受到所迁入的微环境的深刻影响.局部微环境在引导、加速或者逆转,抑制嵴细胞固有特征表达的过程中有首要作用.因而,神经脊细胞的分化方向是嵴细胞内、外因素相互作用的结果.七、脊髓感觉通路的胚胎发生及调控因素神经系统行使其功能依赖于不同部位的神经元之间以及神经元与外周靶细胞之间建立的通路联系.周围突向外周生长到达周围的组织之中,发育成各种各样的神经末梢及感受器,中枢突则向脊髓背部生长井进入脊髓背角,与背角靶缃胞建立特异的神经支配关系,从而建立背根节-脊髓背角感觉传导通路.

支配神经元与其靶细胞建立选择性突触联系涉及两个基本机制.其一是支配神经元在向其靶区生长过程中与行进路线上的其他细胞及细胞外基质之间的相互作用机制,这种作用又包括吸引性与排斥性两个方面.其二是支配神经元与其靶细胞之间的相互作用机制,这种作用又包括神经营养性作用和神经诱向性作用两个方面.脊髓背、腹角组织对脊神经节神经突起生长的作用存在明显差异,脊髓背角能够促进脊神经节神经突起的生长,而腹角组织对脊神经节神经突起生长具有抑制作用.

几年来,国外几组研究人员在对特异神经通路胚胎发生的调控因素研究上取得了突破性进展,明确提出了另一类神经生长和再生的调节因素,即神经诱向因子<neurotropicfactor>.神经诱向因子又叫化学诱向因子<chemotropicfactor>或者导向分子<guidancemolecule>.它是一类不同于神经营养因子的神经生长调节因素.神经诱向因子按其生物学作用方式可以分为化学吸引<chemoattraction>和化学排斥<chemorepulsion>两类因子.化学吸引性神经诱向因子王要存在于支配神经元的靶组织或靶细胞,而化学排斥性神经诱向因子存在于支配神经元轴突行进的道路上以及靶组织或靶细胞临近的非支配部位.神经诱向因子可以是细胞膜相关的非扩散性成分,也可以是可扩散性的分泌性物质.Ⅱ大脑新皮质的组织发生一、大脑皮质发育概况哺乳动物的大脑皮质具有许多区域,各自有特殊的功能.从较低等的哺乳动物到灵长类,大脑皮质的结构与功能的变化趋势是由简单到复杂.从大脑皮质的进化过程了解到大脑皮质的组织发生,其中的神经元数量〔尤其是中间神经元〕和神经元间局部环路显著增加以及组织结构显得高度有序和复杂.

大脑皮质的神经元发生部位是在脑室的生发层<ventriculargerminalzone>,也称脑室层〔telencephalicventricularzone,图10-1A>．其中的细胞称为神经上皮细胞<neuroepithelialcell〕或称为神经祖细胞<neurogenitorcell>.大脑皮质的组织发生是通过神经祖细胞的分裂、增生和分化过程实现的.

大脑皮质有许多功能区,每个功能区又含许多功能亚区.功能亚区作为功能单位<module>,如在视皮质区内的功能亚区称为皮质柱<corticalcoiumn>．在躯体感觉皮质区的功能亚区称为皮质桶<corticalbarrel>.柱或桶内神经元与传人神经纤维构成功能单位,而功能单位之问也相互连接成神经网络.二、端脑脑室层神经祖细胞的发生规律在细胞分裂周期中,不同种系动物的细胞分裂经历4个期的时间不同.同种动物在不同妊娠时间或出生后不同时间,各期所需的时间也不同.神经祖细胞分裂方式有两种：①对称性分裂<symmetricdivision>.神经祖细胞位于脑室腔面,分裂时呈垂直方向分裂成两个子细胞.两个子细胞仍保持与腔面相贴,从圆形的神经祖细胞变成双极形,慢慢移动离开脑室表面,再进入另一个细胞周期<图10-2A>.这种分裂方式主要是维持神经祖细胞的数目.②不对称分裂<asymmetricdivision>.神经祖细胞分裂时,呈水平方向裂开<horizontalcleavageplane>.细胞的分裂平面与脑室表面平行<图l0-2B>.

分裂后产生两个子细胞,一个为顶部子细胞<apicaldaughter>保持与脑室腔面相贴,另一个为基部子细胞〔basaldaughter>.顶部子细胞停留在脑室层,进入另一个细胞周期,呈双极形神经祖细胞.基部子细胞向皮质板迅速迁移,进一步分化为成神经细胞.不对称性分裂似乎是代表干细胞分裂模式〔stemcellmodeddivision〕

大脑皮质的神经祖细胞是多潜能的<multipotent>.用逆转录病毒标记的神经元<retrovirallabeledneuron>追踪细胞谱系<lineagetracer>,发现一个神经祖细胞可以产生一个克隆<clone>,内含有神经元和神经胶质细胞.三、早期胚胎皮质板的发生胚胎端脑脑室层是一层假复层神经上皮细胞,即神经祖细胞.上皮的腔面和基底面分别有薄层的内界膜和外界膜.这些神经祖细胞可呈柱状、梭形或锥形.脑室层神经祖细胞开始分裂增殖后,有些细胞长出的突起可伸向表面,形成缘层.神经祖细胞一再增殖、有些分化成为成神经细胞,向外迁移,位于脑室层和缘层.分开成浅、深两层.1、皮质前板的发生成神经细胞沿放射状胶质细胞的突起迁移,最早到达软脑膜下,分化为CajalRetzius细胞,简称C-R细胞,也有人称其为先驱神经元<pioneerneuron>.C-R细胞与软脑膜之间有-浅丛层<superficialplexiformlayer>的神经纤维,C-R细胞与浅丛层一起构成皮质前板<corticalpreplate>.2、成神经细胞的迁移胚胎时期的脑室层,其细胞增殖,迁移形成脑室下层.这层细胞具有两方面特性：迁移性<migratory>和多潜能性<multipotential>.

MeConnell<1995>认为脑室层、脑室下层的多潜能性神经祖细胞可通过分裂增殖产生非迁移性神经祖细胞,这些细脆有3种可能的去向：①直接分化为迁移性细胞<图10-4>；②再分裂增殖成两个细胞群后分化为迁移性细胞；③再分裂增殖成几个细胞群后分化为迁移性细胞.

在哺乳类动物的胚胎大脑,个体发生柱的数目决定着皮质表面面积的大小.个体发生柱可能是发育成为成年大脑皮质功能柱的基础,因为在成年大脑皮质内也可以观察到明显的柱形结构.脑室层神经祖细胞的数目以及个体发生柱内的细胞数目则奂定着大脑皮质功能柱的厚度〔即大脑皮质的厚度〕.四、大脑新皮质板层的组织发生大脑皮质的板层结构是其最鲜明的特征之一,在板层内有特定的神经元分布.大脑皮质这种板层结构是在皮质板的基础上逐渐形成的.皮质板神经元的发生是由内向外出现的.神经元的分化、发育成熟大致上也是由内至外,呈放射状连续出现.从种系发生来看,神经元的发生过程有很大差异,神经元的分化、发育成熟同样也是差异很大.1、锥体神经元的发生成神经细胞迁移至皮质板时可分化为有一个传出的轴突的锥体神经元,接着是长出一个短的树突,顶端有几个小分支,发育成为双极阶段<bipolarstage>.进一步顶树突生长延长,顶树突末端分支稍多,胞体基部发出基树突,轴突发小短的侧支.在此基础上进一步发育成熟,树突分支增加,基树突扩展.这是长轴宪神经元个体发生的一般规律.2、非锥体神经元的发生在大脑皮质内另一大类是非锥体神经元,其中多数是γ一氨基丁酸<GABA>能神经元.概括起来,GABA神经元可分为3类：①在成神经细胞迁移到大脑皮质特定位置之前就分化为含有GABA的神经元.这类神经元很可能对发育中的神经元起营养作用.②在成神经细胞迁移到位之后立即分化为含有GABA的神经元,这是一类抑制性中间神经元.③活动依赖性<activitydependent>表达GABA的神经元.一般在生后两个月内,不断接受外周传人刺激后,在相关的大脑皮质区出现含GABA的神经元.这是一类小型GABA神经元.3、C-R细胞和I层的发生及其在大脑皮质组织发生中的作用Cajal-Retzius细胞<C-R细胞>的胞体较大,呈星形,有几个水平伸展的树突与传入纤维接触〔可能来自中脑〕<图10-8>,轴突垂直下行与深层的神经元形成突触联系.

一般认为,C-R细胞发育成为大脑皮质1层的水平细胞,其轴突与锥体神经元的树突分支形成突触连接,进一步发育形成大脑皮质1层.在大脑皮质板层的组织结构发育过程中,C-R细胞起关键作用.大脑皮质各层形成后,同型大脑皮质一般没有神经元发生,但在异型皮质某些部位的颗粒神经元仍会发生.在哺乳类动物胚胎早期,前脑的脑室下层活跃发生大脑皮质的成神经细胞和成神经胶质细胞.大脑皮质各层形成后,至出生后短期内在脑室下层某些部位仍有颗粒神经元发生.进人成年,脑室下层一般没有神经元发生,但仍是成神经胶质细胞来源之处,适当增生神经胶质细胞以应补充更新之需,终生可有巨大胶质细胞<macroglialcell>发生.脑室下层也是化学致癌引起脑肿瘤发生最常见的部位.五、大脑皮质传入神经纤维的发生1、单胺能神经元投射大脑皮质下单胺能神经元投射到皮质特殊区或层,在发育早期的初级阶段发生.有证据表明这些传人纤维起营养作用<trophiceffect>,它们可能涉厦大脑皮质神经元的功能特化.

在大鼠胚胎早期,有3种单胺能神经纤维传人到大脑皮质：①含去甲肾上腺素<norepinephrine,NE>轴突,来自蓝斑<locuscoeruleus>核,投射到整个大脑皮质,其中躯体感觉皮质最致密；②含多巴胺<dopamine,DA>轴突,来自中脑头侧部<rostalmesencephalon>,广泛投射到皮质,但在前额和颞侧皮质最致密；③含5-羟色胺<5-hydroxytryptamine,5-HT>轴突,起源于中脑中缝核<mesencephalonraphenucleus>,广泛而较均匀分布在皮质中.2、丘脑中继神经元的投射通过体内、外实验证明,丘脑皮质传人神经纤维不能改变其原定目的地.在体外共同培养中,丘脑皮质传人神经纤维优先选择向大脑皮质生长,而不向小脑皮质生长；但丘脑皮质传人神经纤维可生长到不同区域的皮质.体内的实验也证明丘脑皮质传入神经纤维到新皮质是不能改道的.六、大脑皮质传出神经纤维的发生1、皮质神经元轴突发育的特点在成年哺乳类动物和人,绝大多数大脑皮质神经元投射到一个皮质区,很少有轴突旁支.但是在胚胎早期皮质神经元轴突分支呈弥散,广泛投射到同侧和对侧大脑的皮质板下层、白质或下行的神经纤维束内.有人认为轴突终末短暂连接的形成是起释放神经营养因子的作用,而不是起突触信息传导的作用.2皮质第V层锥体细胞的投射

大脑皮质第V层神经元的轴突投射也有类似情况,从弥散投射到特异性投射支配皮质下靶区.发育中神经元的位置决定其轴突侧支是否被清除或保留.3、胼胝体的发育胼胝体主要由连接两个大脑半球神经元的轴突组成.胼胝体内不成熟的和非特异性投射的消除是非常必要的.Grigonis和Murphy<1994>通过在新生兔视皮质连续注射青霉素,观察到第4周后诱发出癫痫样发作,这时的视皮质胼胝体的轴突投射到对侧整个17区,而不是正常情况下仅投射到狭窄的17区边缘内.提示儿童期的癫痫有可能是由于段有消除皮质肼胝体的轴突广泛投射造成的.七、大脑皮质功能单位的发育1、皮质功能单位多数神经生物学家已把皮质功能单位<rrwdule>作为皮质柱<cortnicalcolumn>的同义词.皮质柱是由具有共同反应特性〔用微电极记录到的反应〕和垂直连接的皮质神经元群构成的,普遍存在于躯体感觉皮质、视皮质、听皮质、运动皮质和联合皮质<associationcortex>等.2、皮质桶在躯体感觉皮质的面部代表区,有许多桶形皮质功能单位,称为皮质桶<cortcalbarrel>.在哺乳类动物中以啮齿类最为明显<图10-12>,其中有5行较大的皮质桶,为口鼻部5行触须的代表区<图10-13>,又称皮质桶区.3、脑特异蛋白多糖在脑发育中的变化脑发育时细胞外基质中t含有一种硫酸软骨素蛋白多糖<chondroitinsulphateproteoglycan>,称为神