课件：神经系统的发育.pptx

神经系统的发育,哺乳动物的脑,anterior or rostral,posterior or caudal,dorsal,ventral,medial,lateral,midline,鼠神经系统的解剖示意图 （a） 侧面图（b）俯视图,(sagittal plane),(horizontal plane),(coronal plane),解剖平面,(rostral),(caudal),神经系统基本解剖结构,脑,中枢神经系统（CNS）,大脑(cerebrum)：被一条很深的矢状裂沿中间分成两个大脑半球(cerehral hemispheres)。功能上，大脑右半球接受左侧躯体的感觉并控制其运动；大脑左半球则负责右侧躯体的感觉和运动。 小脑(cerebellum) ：它拥有的神经元数目与两个大脑半球神经元的总数相同。小脑是主要的运动控制中心，并和大脑、脊髓有着广泛的信息联系。与大脑半球运动支配相反，左侧小脑与左侧躯体的运动相关，右侧小脑与右侧驱体的运动相关。 脑干(brain stem) 脊髓(spinal cord),大鼠脑的示意图,大脑纵裂(矢状裂),侧面观,顶面观,正中矢状切面观,间脑,脑干：中脑、脑桥、延髓,脑干(brain stem)：除去大脑和小脑后剩下部分为脑干。脑于由神经元和神经纤维组成，它的一个重要作用是在大脑、脊髓和小脑间进行信息传递。脑干还是调节呼吸、意识和体温控制等重要生命活动的区域。在大脑或小脑受到损伤时，人还可能存活，但若脑干受损，将很快致死。,嗅球,（脑岛）,背根神经节,脊神经：外周神经系统的一部分，它通过位于各脊椎骨间的孔(也称椎间孔)离开脊髓。每根脊神经在与脊髓相接时分成两个叉，形成背根和腹根,背根,腹根,脊髓(spinal cord)：位于椎管内，与脑干相连。脊髓是脑与皮肤、关节、肌肉之间信息交换的主要通道。脊髓的横断将导致断面以下躯体的皮肤感觉的丧失和肌肉麻痹。这种瘫痪并非由于肌肉丧失了收缩功能。而是因为肌肉失去大脑对它的控制所致。脊髓通过脊神经与躯体各组织发生联系。,外周神经系统（ PNS ）,脑和脊髓以外的神经系统称为外周神经系统(Peripheral nervous system)，可分为两部分： 躯体外周神经系统(somatic PNS) 支配皮肤，关节和骨骼肌的脊神经都属于躯体外周神经系统(somatic PNS)。控制肌肉收缩的为躯体神经运动纤维，躯体感觉神经元支配并收集从皮肤、关节、肌肉传来的信息。 内脏外周神经系统 (visceral PNS)称为自主神经系统(autonomic nervous system，ANS)或植物性神经系统，由支配内脏器官、血管和腺体的神经元组成。内脏感觉轴突将内脏功能的信息传入中枢神经系统，内脏运动纤维控制着肠壁和血管平滑肌的收缩和舒张、心肌收缩的节律以及各种腺体的分泌。,脑神经,除了从脊髓发出的控制躯体活动的神经，还有从脑干发出的12对脑神经(cranial nerve)它们主要支配头面部活动。每对脑神经都有各自的命名和序数(大约1800年前，由Galen按神经所在部位从前到后的顺序定义)。 部分脑神经属于中枢神经系统(I、 II)，另外的分别属于躯体外周神经系统和内脏外周神经系统。大部分脑神经都包含了大量的传入和传出轴突，执行多种功能。,脑膜,去掉颅骨后露出最外层粗糙的脑膜，即硬脑膜。,(b)纵切面图。保护着脑和脊髓的3层脑膜分别是硬脑膜、蛛网膜和软脑膜。,硬脑膜,蛛网膜,蛛网膜下腔,软脑膜,脑脊液,大鼠的脑室系统,脑脊液在大脑半球的脑室中生成并流经脑干中心处一系列不成对的脑室。脑脊液通过小脑基底部附近的小缝隙，进入蛛网膜下腔后被吸收入血。,脉络丛,蛛网膜下腔,脑室,如果脑脊液的正常循环被阻断，将会导致脑组织的损伤脑积水,脑是中空的，脑中充满液体的空腔和管腔组成了脑室系统(ventricular system )。,脑室系统,活体脑成像,几个世纪以来，解剖学家一直在研究脑的结构。他们将脑从颅骨中取出，从各个角度切片再经染色观察。该方法可以获得很多知识，但也有明显不足。最大的问题在于从头部取出的脑组织是已经死亡了的。这就限制了这种研究方法对活体脑的检查，以及在神经病症诊断上的应用。近年来，令人鼓舞的活体脑成像新方法的出现，使神经解剖学也因此发生了一场变革。,计算机X射线断层摄影术(CT),由Godfrey Hounsfield和Allan Cormack发明的计算机X射线断层摄影术(computed tomagraphy,CT)绝妙地解决了这一难题，二人因此分享了1979年的诺贝尔奖。CT的目的是拍摄脑的切面图。于是将X射线源在设定的平面上围绕头进行旋转。在X射线的轨道内，头部另一侧装置了对射线敏感的探测器，将不同角度下测得的射线吸收的信息输入计算机，进行算法处理。最后得到对切片平面上的阻断吸收射线的物质的位置和数量的数字化重构。CT扫描首次实现了脑组织无损伤成像，展现了活体脑中灰质与白质的总体结构和脑室的位置。,Allan M. Cormack,Godfrey N. Hounsfield,核磁共振成像(MRI),虽然CT仍然被广泛应用，但正逐步被核磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)技术取代。MRI能够得到比CT更精细的脑图像，并且不需要X-射线探头，可获得任意所需平面的脑图像。MRI利用强磁场中氢原子对磁场变化的响应为信息。这些由氢原子发出的电磁信号被安置在头部的接收器捕获，并输送到一台功能强大的计算机中分析后绘制出脑图像。MRI扫描可以用来构筑全脑的精细图像。,活体脑的MRI视图，清楚可见灰质和白质,活体人脑的MRI扫描图,MRI最常用的形式是对氢原子定量，如脑组织内水和脂肪中的氢原子。一个重要的物理学现象是：当一个氮原子被放置到一个磁场中，它的原子核(由一个质子组成)呈现两种状态：高能态或低能态。由于脑中氢原子数量巨大，因此两种状态的质子都有足够量的分布。 MRl的关健是使质子从一个能级跃迁到另一个能级。对于置于强磁场两极间的质子，可以利用穿过脑的电磁信号将能量传递给质子。如果信号的频率被设定在一个合适的数值，就能使那些吸收电磁波能量的质子从低能态跃迁到高能态。质子吸收能量的这种频率称为共振频率(磁共振名字的由来)。切断电磁信号后，部分质子返回到低能态，并放出特定频率的电磁信号。这一信号可以被信号接收器检侧到。信号越强，说明磁场两极间的氢原子数目越多。 因为质子放射的射线频率与磁场的大小成比例，利用这一点就可以测量出某一空间尺度下的氢原子的量。通过调整磁场相时于脑的角度，在大量不同角度下测量氢原子的数量。一套复杂的电脑程序将测出的简单信号绘制成脑中氢原子的分布图。,MRI原理,P. Lauterbur（美国）和P. Mansfield（英国），关于核磁共振成像的 研究而获得2003年诺贝尔生理学或医学奖。,P. Lauterbur,P. Mansfield,功能脑成像(PET、fMRI),CT、MRI对于检测活体脑结构形态的变化很有作用，如诊断脑肿瘤或脑外伤引起的脑水肿等。然而，脑中发生的绝大部分过程，无论是健康的或是病变的，实际上都是化学或电现象，并不是通过简单的检查脑解剖学图就可以发现的。最新的脑功能成像技术就可以用来揭示这些脑的奥妙。 目前广泛使用的两种脑功能成像技术是正电子发射断层扫描术(positron emission tomography, PET)和功能核磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)。尽管两种方法细节不同，但都是探测脑局部血流量和代谢的变化。其原理较简单，兴奋的神经元需要更多的葡萄糖和氧气，脑血管为适应神经元的需要，输送更多的血液到兴奋的区域。因此，通过对血流量变化的检测，PET和fMRI可以揭示各种环境下脑中最兴奋的区域。,PET原理,将一种放射性并可释放正电子的溶液注入血液。在血液流过的地方被释放的正电子和电子反应生成光子辐射出来。通过探测光子就可以判定释放正电子的原子的位置。 PET的一项重要的应用是测定脑的代谢活动。将可以释放正电子的氟或氧的同位素原于结合到2-脱氧葡萄糖(缩写为2-DG )上。放射性的2-DG被注入血液后流经脑。新陈代谢旺盛的神经元在吸收葡萄糖的同时也摄入2-DG 。2-DG被神经元内的酶磷酸化，经磷酸化后的2-DG 无法离开神经元。因此， 2-DG在神经元中的积累和正电子释放的数目可以反映神经元的代谢水平。 但它的应用仍有一定的局限性。因为其空间分辫率仅5-10mm3，图像中显示了几千个细胞的活性。而且获得一张简单的PET脑图像需要一到数分钟，再加上射线曝光所需的时间，限制了有效时间中能够获得的PET图像的数量。,fMRI原理,含氧血红蛋白具有与去氧血红蛋白不同的磁场共振。fMRI利用了这一原理。越是兴奋的脑区域接受的血液越多，血液向其提供的氧也越多。fMRI通过测定氧合血红蛋白与去氧血红蛋白的比率来确定神经元活性增高的区域。由于其扫描快速(50ms)又具有高的空间分辨率(3mm3)，又是完全而无损伤的观察，因此fMRI技术正成为当前脑功能成像的首选。,PET的检测过程,PET成像,灰质(gray matter) 对中枢中神经元胞体集合体的通称。当新鲜解剖的脑被 切开时，神经元呈灰色。 皮层(cortex) 薄层状的神经元集合体。通常在脑表面。（cortex在拉丁文 中为“茎皮”、“树皮”）。例如大脑皮层，指大脑表层 之下的神经元集合体。 核团(nucleus) 可明显辨别的成团的神经元，常位于脑的深处。nucleus （拉丁文中的“坚果”）。例如，外侧膝状体是脑干中 负责将从眼传来的信息转送到大脑皮层的细胞群。 质(substantia) 脑深部的相邻细胞的细胞群，其边界通常没有核团明显。 例如，黑质（自源拉丁文中的”黑色物质”，是脑于中参与 控制随意运动的一个细胞群）。 斑点(Iocus) 小的界限分明的细胞群。例如，蓝斑(拉丁文中的“蓝点”)， 是脑干中参与控制觉醒和行为的神经核团。 神经节(ganglion) 外周神经系统中神经元的集合体。来自希腊语中的“节”。 例如背根神经节，包含着感觉轴突经背根进入脊神经索的 细胞体。中枢神经系统中仅有一个细胞群有类似的命名， 即基底神经节，它是大脑深处的一个控制运动的结构。,神经元的集合,神经(nerve) 外周神经系统中的轴突束。在中枢神经系统，仅视神经(optic nerve)被称为神经 (nerve) 。 白质(white matter) 中枢神经系统纤维集合的统称。当新鲜解剖的脑被切开时， 纤维部分呈白色。 束(tract) 中枢内神经元的纤维汇合。具有相同的起源点和相同的终止点。 例如，皮质脊髓束，由大脑皮层发出并终止干脊髓的传导束。 束(bundle) 并行神经轴突的集合，并不一定具有相同的起源和终止点。 例如内侧前脑束。它连接分散在大脑和脑干中的神经细胞。 囊(capsule) 连接大脑与脑干的轴突集合。例如内囊，它连接脑干与大脑皮层。 联合(commissure) 连接两侧脑半球的大轴突束。 丘系(lemniscus) 像缎带一样穿梭于脑内的轴突传导通路。例如，内侧丘系，负责 携带从脊神经传来的触觉信息穿过脑干。,神经轴突的集合,神经管的形成,胚胎初期呈平圆盘状 由3层截然不同的细胞层构成,内胚层 内脏组织器官 中胚层 骨骼和肌肉 外胚层 神经系统和皮肤,神经板 神经管,整个中枢神经系统都是由胚胎发育早期出现的、充满液体的神经管管壁形成的。神经管自身最终发育为胎儿脑室系统。,中枢神经系统的发育,中胚层,内胚层,神经板,外胚层,神经沟,神经褶,神经管,神经嵴,神经管,体节,(a) 最初的胚胎中枢神经系统从薄层的外胚层开始发育。(b) 在神经系统发育中重要的第一步是神经沟的形成。(c) 神经沟壁，即神经褶向中靠拢并融合，形成神经管。(d) 随着神经管的生长，部分外胚层内陷到表层下，形成神经嵴，最后发育成外周神经系统。中胚层将发育成骨骼系统和肌肉。,胚胎神经系统早期发育过程,胚胎的背面视图 横切面,神经板发育成神经管的过程称为神经胚形成(neurulation),神经管的形成是一个复杂的过程。它通过大量细胞的三维形态以及相互之何的联系按照精确次序的改变来完成。神经胚形成的时间还需要与外胚层及中胚层的发育保持一致。在分子水平上，成功的神经胚形成过程依赖于特定基因的正确依次表达，而基因的表达在某种程度上受细胞位置和外周化学环境的影响控制。该过程对母体环境中的化学成分或含量高度敏感。 许多神经管缺陷病例都是由于怀孕后几周内因日常饮食中的叶酸缺乏引起的（神经胚形成在胚胎早期发生，对于人大约是怀孕后的22天左右）。经证实，在此期间的饮食中提供适量的叶酸（0.4mg/d）可以使该症的发生减少。 叶酸在许多新陈代谢途径起着重要的作用，包括发育过程中细胞分裂所必需的DNA生物合成。我们尚未完全了解叶酸缺乏导致神经管缺陷病症出现的机制。,营养与神经管发育,神经管缺陷病例,神经相融合形成神经管的过程首先发生在中部，然后是前部和后部。 神经管前部的愈合失效将导致无脑畸形。无脑畸形以前脑和颅骨的退化为特征，它是致命的。 神经管后部的愈合失效将导致脊柱裂，严重时表现为神经板无法发育成后续的脊髓。较轻的情况表现为包裹脊髓的脑脊膜和椎骨的缺陷。脊柱裂通常不致命，但需要昂贵的药物治疗（美国：2亿美元/年）。,嘴侧,尾侧,正常 无脑畸形 脊柱裂,脑的分化,神经管头端分化形成3个初级脑泡，最终将发育成为整个大脑。,前脑 中脑 菱脑或后脑,嘴侧,尾侧,前脑的分化,前脑分化形成端脑、间脑和视泡。视泡最终发育为眼。,端脑泡,间脑,视泡,前脑,后脑,中脑,眼的早期发育,视泡分化形成视柄和视杯。视柄发育成为视神经，视杯发育为视网膜 （位于眼球后的视网膜以及连接眼和间脑的视神经都属于脑的一部分，而并非外周神经系统）,视杯的剖面,视柄,间脑壁的剖面,端脑沿着如下4条途径发育 端脑泡朝后继续生长后，位于间脑上面和侧面(图a) 另一对脑泡从大脑半球的腹面长出，形成嗅球（olfactary bulb)和参与嗅觉的其他相关结构(图b) 端脑壁上的细胞分化成各种结构 白质系统开始发育，它们由传出或传入端脑的神经元轴突构成,端脑（两个大脑半球）,中脑,间脑,后脑,间脑,视杯,嗅球,大脑半球,端脑的分化,尾侧,嘴侧,嘴侧,尾侧,背侧,腹侧,哺乳动物早期的前脑冠状切面图,（a）前脑两个主要结构：端脑和间脑，两个大脑半球位于间脑上方两侧，而且大脑半球腹面靠中线的表面已经和间脑的侧面融合在一起。（b） 大脑半球中充满液体的空腔称为侧脑室,在间脑中心的空腔称为第三脑室。（c）端脑泡壁由于神经元的增殖而呈现出膨胀。这些神经元构成端脑中两种不同的灰质：大脑皮层和基底端脑。间脑分化成两个结构：丘脑和下丘脑。（d） 发育中的前脑的神经元延伸其轴突，从而与神经系统的其他部分联络。这些轴突纤维聚成束，构成3个主要的白质系统：皮层白质、胼胝体和内囊。皮层白质包含所有进出大脑皮层神经元的轴突。胼胝体与皮层白质相连，并构成连接两个大脑半球皮层神经元的轴突桥。皮层白质同样也与内囊相连。内囊将皮层和脑干尤其是丘脑相互连接。,大脑皮层,基底端脑,丘脑,下丘脑,侧脑室,第三脑室,端脑,间脑,皮层白质,胼胝体,内囊,前脑的结构与功能关系,前脑是与感觉、意识、知觉、认知和随意运动有关的区域。所有这些都依赖于脑干和脊髓中的感觉神经元和运动神经元之间广泛的内在联系。 前脑中最重要的结构是大脑皮层。皮层神经元接受感觉信息，形成对外部世界的感知，并支配随意运动。,丘脑：通向大脑皮层的入口。从耳、眼、皮肤传来的感觉信号在进入大脑皮层前都需要在丘脑中交换神经元。箭头指示信息传递的方向。,大脑皮层,丘脑,丘脑神经元的轴突经内囊进入大脑皮层。一般说来、两侧内囊中纤维传递的都是来自对侧身体的信息。因此，如果一个钉子刺进右脚，这一感觉将经左侧丘脑和左侧内囊传到左侧皮层。但是右脚是如何得知左脚在做什么?一条重要的途径就是借助于两个大脑半球中间的胼胝体相互联系。 皮层神经元的轴突同样经内囊进入到脑干中，部分神经元的轴突一直延伸到脊髓，构成皮质脊髓束。这是皮层控制随意运动的一条重要途径。别的方式是通过基底神经节(基底端脑中的细胞核团)中的神经元联系。,丘脑的结构与功能关系,下丘脑位于丘脑的下方，在功能上它与某些丘脑结构密切相关，下丘脑控制着自主神经系统，这一系统负责协调机体功能以适应组织器官的需要。（例如，当你受惊吓的时候，下丘脑协调躯体本能的应急反应。下丘脑对自主神经系统的指令将使心率上升，增加骨骼肌肉的供血以作逃跑之用。而当你在午餐后休息时，下丘脑调节自主神经系统在确保脑的营养后，会增加肠胃的蠕动，并促使血液进入到消化系统中去。） 下丘脑同样在促发动物进行觅食、饮水和交配活动中起到重要的作用。除了与自主神经系统的联系，下丘脑还通过与脑垂体联系来调节机体功能。脑垂体位于间脑下，它通过向血液中释放激素来协调身体各个部分之间的活动。,丘脑的结构与功能关系,中脑的分化,前脑 中脑 后脑,顶盖,中脑水管,被盖,与前脑不同，中脑在脑发育中变化较小。中脑脑泡的背面逐渐形成顶盖结构。中脑的下层形成被盖。中间的充满脑脊液的空腔缩小，形成称作中脑水管(又名大脑导水管)的狭窄管道。这一导管连接了间脑中的第三脑室。因为中脑水管在横切片上为小而圆的孔，它是辨别中脑的良好标志。,中脑的结构与功能关系,虽然中脑看上去结构简单，但它却具有多种功能。除了作为脊髓与前脑交换信息的通路外，中脑还含有参与感觉系统、运动控制和其他一些功能的神经元。 中脑包含了从大脑皮层发出的通向脑干和脊髓的纤维。比如，皮质脊髓束在通向脊髓时经过了中脑。在中脑的一侧，破坏这一神经传导束将损坏对侧身体随意运动的控制。 顶盖分化成两个结构：上丘和下丘。上丘接受从眼传来的直接输入，它的一个功能就是控制眼肌的运动。下丘同样接受感觉信号，不过是来源于耳的。因此，下丘是听觉信号传至丘脑的重要的中转站。 被盖是脑中颜色较丰富的区域之一，因为它包含了黑质和红核。这两部分细胞群都参与了随意运动的控制。散布在中脑中的其他细胞团向中枢神经系统的大部分区域投射纤维，参与意识、情绪、愉悦和疼痛等的调控。,后脑分化成3部分：小脑(cerebellum)、脑桥(pons)和延髓(medulla oblongata，简称medulla) 。小脑和脑桥由后脑的嘴侧发育而成；延髓由尾端发育(称为末脑myelencephalon)。充满脑脊液的导管发育成第四脑室(fourth ventricle)，与中脑的大脑导水管相连。,后脑的分化,在3个初级泡阶段，后脑的头端在横切面上呈一简单的导管。在随后的几周中，背侧面的菱唇向背侧和中间生长直至它们在中线处相互融合这一组织最终发育成为小脑。导管的腹壁生长膨大形成脑桥。后脑的中央是充满了脑脊液的第四脑室。,菱唇,第四脑室,小脑,脑桥,前脑 中脑 后脑,后脑头端的分化,后脑的尾端分化成延髓的过程没有显著的改变。这一区域的腹面和侧向生长膨大，顶部仅剩下薄层非神经元的室管膜细胞。沿着延髓腹面的两侧是白质系统。取横断面切片，这部分的轴突束近似三角形，因此被称为延髓锥体。延髓锥体是延伸至脊髓的轴突传导束。延髓中央充满脑脊液的是第四脑室。,前脑 中脑 后脑,第四脑室,后脑尾端的分化,延髓,延髓锥体,后脑的结构与功能关系,与中脑相似，后脑同样是前脑和脊髓之间信息传导的重要通道。另外，后脑的神经元还参与了感觉信息、随意运动调控和自主神经系统的调节功能。 小脑是重要的运动控制中心。它接受大里的从脊髓和脑桥处传入的轴突; 脊髓的传入提供有关躯体在空间位置的信息。脑桥则将大脑皮层来的信息转送到小脑，小脑比较这些消息并计算出达到运动目的所需的肌肉收缩顺序。小脑损伤将导致随意运动的不协调和不精确。 从中脑下行的轴突中，超过90%的轴突(在人体内大约有2000万)与脑桥中的神经元形成突触联系。脑桥细胞将信息传递到对侧小脑。因此，脑桥就像连接着大脑皮层和小脑的一个巨大的交换器。脑桥从脑干的腹面膨胀出来以容纳所有的这些神经元回路。,锥体交叉,那些不在脑桥中终止的神经轴突继续延伸进入延髓锥体。这些轴突的大部分起源于大脑皮层并且是皮质脊髓束的一部分。因此，锥体束常常被用作皮质脊髓束的同义词。在靠近延髓与脊髓相接的地方，锥体束相互交叉到对侧。传导纤维从一侧穿到对侧形成交叉，因此此处称为锥体交叉。轴突纤维在延髓中的交叉解释了皮层总是控制对侧躯体运动的原因。,延髓,脊髓,锥体交叉,除了通过的白质系统外，延髓还包含了具有感觉、运动功能的神经元。例如，听觉神经元的轴突，携带从耳来的听觉信息，与延髓的蜗神经核的细胞形成突触。蜗神经核向脑的其他结构投射轴突。耳蜗核的损伤将特致耳聋。 延髓其他的感觉功能包括触觉和味觉：延髓中还包括一些神经元，它们中转从脊髓来的躯体感觉信号到丘脑。这部分细胞的损伤将导致麻木(即感觉丧失)。还有的神经元将从舌来的味觉信息传递到丘脑。,延髓的功能,脊髓中央蝴蝶状的区域为灰质。分为腹角、背角和中间带。围绕着灰质的是脊髓白质系统，由沿脊髓上行或下行的神经传导束构成，一直贯穿整段脊髓。（沿脊髓背侧行走的传导束称为背柱，沿脊髓两侧行走的是侧柱，沿脊髓腹侧上下行的为腹柱。）中央处狭长孔道为脊髓中央管。,腹角,背角,中间带,白质传导束,脊髓中央管,前脑 中脑 后脑,脊髓灰质,脊髓的分化,脊髓的结构与功能关系,背角细胞从背根纤维接受感觉信号输入；腹角细胞的轴突进入到控制肌肉的腹根；中间带细胞是中间神经元，它们引发感觉信息传入后的运动反应，并下传从大脑发出的指令。 背柱内包含有携带躯体感觉上行到脑的轴突，将同侧躯体来的信息快速上传到延髓相关核团。延髓中突触后神经元的轴突交叉后上升到对侧丘脑。在延髓中轴突交叉的结构解释了我们身体左侧的接触却被右侧脑感知的原因。 脊髓侧束包含了下行的皮质脊髓束，同样也在延髓内交叉到另一侧，这些轴突支配着中间带和腹角的神经元，相互传递控制随意运动的信号。 每侧脊髓内的传导通路绝大部分是单向的，携带信息入脑或出脑。脊髓是脑和皮肤、关节、肌肉之间相互传递信息的主要通道。脊髓灰质的神经元还进行感觉信号的初步分析，在协调运动中起关键作用，并能组织简单的反射活动（比如当脚被钉子扎到时猛地缩腿的反应）。,哺乳动物中枢神经系统的基本结构 位于端脑的一对大脑半球包围着侧脑室。位于脑的表面背对着侧脑室的是皮层。腹侧和背侧对着侧脑室的是基底端脑。侧脑室与间脑中的第三脑室相通。围绕该室的是丘脑和下丘脑。第三脑室与大脑导水管相连。大脑导水管的背部是顶盖。大脑导水管的腹部是被盖。大脑导水管与第四脑室相连，而第四脑室位于后脑的中心。从第四脑室的背面凸出小脑。第四脑室的腹面则是脑桥和延髓。,哺乳动物脑主要部分的示例图,脑各部分的主要结构，端脑分为两个大脑平球,脑室系统,中脑,后脑,脊髓,端脑,间脑 (丘脑),前脑,端脑底部,皮层,丘脑,顶盖,小脑,脊髓,脑桥,被盖,嗅球,下丘脑,延髓,侧脑室,中脑水管,第三脑室,第四脑室,脊髓中央管,脑室系统与脑结构,鼠脑与人脑的比较,差异： （1）人的大脑表面存在着许多脑沟（sulus）和脑回（gyrus）。大脑表面下的一薄层神经元为大脑皮层。脑沟和脑回是由于人的胚胎发育过程中大脑皮层的表面区域发生了巨大的扩展造成的。成人大脑皮层面积达1100cm2，必须折叠起来才能被颅骨所容纳。 （2）人嗅球的相对尺寸比鼠小。,额叶,中央沟,顶叶,枕叶,小脑,颞叶,外侧裂,人类中枢神经系统的特征,人的脑室系统,侧脑室,第三脑室,第四脑室,大脑皮层的类型,脊椎动物的大脑皮层具有一些共同的特征： （1）皮层神经层都是层状排列的，绝大部分神经元胞体与脑的表面平行。 （2）最靠近表面的神经细胞层由一层非神经元的组织将它与软脑膜分隔开， 该层称为分子层，又称第一层。 （3）至少都有一层细胞，伸出大量的称为顶树突的树突，这些顶树突会伸入到第一层，在那里形成众多的分叉。因此，大脑皮层具有其独特的细胞结构，与基底端脑或丘脑等不同。,短吻鳄,大鼠,大脑皮层的基本特征。这两种动物的皮层都位于大脑半球的软脑膜下，包含有分子层。锥体细胞分布在分子层内。,软脑膜表面,分子层,顶树突,锥体细胞,哺乳动物的三种皮层,新皮层是一个具有很多层细胞的皮层。与海马、嗅皮层不同，新皮层仅在哺乳动物脑中被发现。我们提到大脑皮层在人的进化过程中不断扩展，实际上是指新皮层的扩增。同样，我们说丘脑是通向皮层的入口，也是是指它是通向新皮层的入口。,嗅裂,嗅球,新皮层,侧脑室,脑干,嗅裂,嗅皮层,海马,Nissl染色的大鼠端脑尾端的冠状切片,嗅球,（脑岛）,新皮层的分区,新皮层的进化,皮层表面积的种系差异很大，鼠、猴、人的皮层表面积比较结果为1:100:1000，而哺乳动物新皮层厚度的种间差异却很小，变化不超过二倍。因此可以得结论，进化过程中皮层的数量发生了变化，但基本结构不变。 Brodmann认为新皮层的扩展是由于新区域的插入。哺乳动物进化过程中皮层扩展的部分是位于初级感觉区和运动区之间的区域，反映了分析感觉信息的次级感觉区数目的增加。另外，近期新发现的皮层的联合区(association areas)，即额叶和颞叶，也是灵长类动物的显著特征。 “心理”-人类特有的解释行为能力的出现(指不可见的精神状态方面，如愿望、意图、信仰等)，与额叶的扩展有联系。,运动区,躯体感觉区,听区,视区,感觉运动区,脑内绝大部分结构的形成都具有遗传特异性，因此轴突能探测到正确的通路和靶细胞。然而，每一个细小和至关重要连接的最终形成都依赖于我们幼儿时期对周围环境的感知。由此看来，环境因素和遗传特性共同决定了神经系统的最终结构和功能。,脑内神经元之间连接如何形成？这些连接又是如何随着大脑的逐渐成熟而被修饰的？,神经元的发生是形成神经系统的第一步。以纹状皮层为例，成年人的皮层分为6层，各层中的神经元都分别具有特征性的表型和连接，这使得纹状皮层不同于其他脑区，神经结构的发育主要分为3个阶段： 细胞增殖 细胞迁移 细胞分化,神经元的发生,神经诱导,在原肠胚中，原肠背部中央的脊索与其上方覆盖的预定神经外胚层之间细胞的相互作用，使外胚层发育为神经组织的过程称为神经诱导。,早期胚胎发育过程：受精卵(zygote)卵裂(cleavage)囊胚(blastula)原肠胚(gastrula)神经胚 (neurulation) 脊索 (notochord)：是由中胚层细胞组成的一个圆柱体，沿胚胎的中线由前向后伸展，它确定了胚胎的中线。,背唇可以诱导两栖类动物胚胎形成第二条神经轴： (A) Spemann和Mangold的组织块移植实验。将供体原肠胚早期的背唇移植到宿主胚胎的腹侧以后，宿主会在应该形成腹部表皮的位置，产生包括神经板在内的第二个体轴。 (B) 神经诱导的分子模型。背唇中胚层细胞分泌的Noggin、Chordin和Follistatin能阻止外胚层中的BMP家族蛋白与其受体结合，从而抑制BMP诱导表皮的产生，使背侧外胚层形成神经板。,原肠胚期早期的两栖类动物胚胎,中胚层细胞决定神经系统的前后轴,（A）原肠胚期晚期的两栖类动物胚胎的组织结构（前后轴中线水平的切面）； （B）用于解释神经板如何沿着前后轴分化的“双信号”假说。,端脑囊泡产生了皮层所有神经元和胶质细胞,glioblast,Neural tube-MSC(神经干细胞),Neural-epithelia,Neuroblast,脑是从5个充满液体的小囊泡壁发育而来的。成年人脑中仍然保留着这些充满液体的空间（脑室系统）。发育早期，囊泡壁只有2层：室层和边缘层。室层位于每个囊泡的内部，而边缘层则靠近软膜一侧。,细胞增殖,边缘层,室层,成神经细胞,神经管,(a) 初期囊泡壁只有2层：室层和边缘层。如图从左到右，每个细胞分裂时都像是在跳舞。 分裂时的分裂平面决定细胞的命运。(1)室层中一个细胞的突起向上延伸至软脑膜。 (2)该细胞的细胞核从脑室侧迁移至软膜侧，同时细胞DNA被复制。 (3)含复制所得的双倍遗传物质的细胞核，重新回到脑室侧。 (4)细胞突起从软膜侧缩回。 (5)细胞分裂成两个子细胞。 (b) 垂直分裂所形成的子细胞仍继续分裂。 (c) 水平分裂后，距离室层最远的子细胞停止分裂，并迁移离去。,细胞增殖的“舞蹈表演”,边缘层,室层,垂直分裂,脑室侧,软膜侧,水平分裂,子细胞的不同命运垂直分裂和水平分裂,垂直分裂后，两个子细胞仍留在室层继续分裂。 这种分裂方式在发育早期扩增了神经元前体细胞的数量。 距离脑室侧最远的子细胞开始向外迁移，到达大脑皮层占据一定的位置，从此失去分裂能力。其余子细胞则留在室层继续分裂。 在发育后期，水平分裂占优势。室层前体细胞重复这种方式直至生成所有的皮层神经细胞。,在人类，绝大部分新皮层神经元产生于胚胎期的第5周至第5个月，高峰时增殖速率惊人，竟达250000个/min。最近发现，尽管出生前绝大部分的活动已完成，但成年人室层仍然具有生成新神经元的能力。子细胞一旦分化为神经元，就永远失去了分裂能力。,前体细胞中细胞组成蛋白的分配,notch-1和numb分别迁移至室层前体细胞的两极。细胞垂直分裂时，notch-1和numb对称分配到2个子细胞中。 水平分裂时，notch-1被分配到将要迁移离去的子细胞中；numb则留在继续分裂的子细胞中。 notch-1激活某些基因表达，导致细胞分裂停止，离开室层，而numb不抑制这种作用。,细胞分裂平面如何决定细胞命运？,我们所有的细胞都包含从父母处遗传的全套DNA，即每一个细胞都有相同的基因。细胞间的差异是由一些特定基因决定的，这些基因可生成特定的mRNA，最终生成特定的蛋白质。因此，细胞的命运受发育过程中基因表达差异的调控。而基因表达受细胞蛋白即转录因子的凋控。如果转录因子或其“上游”分子在同一细胞内分布不均匀，那么分裂平面能决定因子的分配去向。,Notch介导的信号传导通路 细胞之间可以通过对话来选择不同的命运,（A）在果蝇的正常发育过程中，一个形成中的神经前体细胞（深绿色）能阻止邻近的神经外胚层细胞（浅绿色）也选择这一命运，使后者变成表皮细胞（白色） （B）形成中的神经前体细胞通过Delta来激活邻近的细胞中的Notch信号传导通路，从而抑制AS-C和Delta等基因的表达，使邻近的细胞不能成为神经前体细胞 （C）Notch活性的改变能影响果蝇神经前体细胞的数量,不对称细胞分裂可以造成细胞的多样性,（A）Numb蛋白的不对称分布可以使两个子细胞选择不同命运。集中在细胞一侧的Numb蛋白（绿色）是否只分配给一个子细胞，还取决于纺锤体（粉红色）的位置，即细胞分裂的平面（橙色） （B）果蝇的SOP细胞通过三轮不对称的分裂产生组成感受机械或化学信息的外感觉（ ES）器官的四个细胞。Numb缺失或对称分布都会影响ES器官的形成 （C）Notch活性的改变也会影响ES器官的形成。H: 刚毛细胞；N：感觉神经元；S: 毛孔细胞；Sh，鞘细胞。,成熟的皮质细胞可分为神经胶质细胞和神经元，神经元又可根据其所处的皮层位置、树突的形态和使用的神经递质，再进行分类。我们可能会认为，神经元的多样性源于室层前体细胞种类的不同。但事实并非如此，许多不同类型的细胞（包括神经元和神经胶质细胞）都来源于相同的前体细胞。由于这些前体细胞具有能产生不同类型组织的潜能，它们也被称为神经干细胞。,神经干细胞,细胞迁移,未成熟的神经元称为成神经细胞，它们大多是沿着从室层辐射至软脑膜的细纤维辐射路径滑动迁移，这些纤维来源于特殊的放射状胶质细胞，为皮质提供赖以生存的支架。当皮层组构完成时，辐射状胶质细胞缩回辐射状突起。 但并非所有细胞都沿着放射状胶质细胞提供的路径进行迁移。大约1/3的成神经细胞水平迁移至皮层。,边缘层,皮层板,中间层,室下层,室层,放射状胶 质细胞,引导神经元突起,迁移中的神经元,拖曳神经元突起,放射状胶质细胞的突起,进行迁移的子细胞的最终命运是由许多因素共同决定的，其中包括前体细胞的年龄和分裂时的环境。,最终分化为皮质下板细胞的成神经细胞是首批从室层迁移离去的。接着迁移的将分化为成年动物皮层的成神经细胞，穿过皮质下板形成另一细胞层，称为皮层板。第一批到达皮层板的细胞将成为第层皮层神经元，接着为第、等层。 每一批新成神经细胞的迁移都要越过那些已存在于皮层板中的细胞。从这一角度来说，皮层的装配是由内向外的。这一过程重复进行直至所有的皮质都分化完毕。接着皮质下板的神经元消失。,边缘层,皮层板,中间层,室层,皮质下板,白质,最内层最早分化最外层最后分化,由内向外的皮层发育,细胞分化,细胞呈现出神经元表型和特征的过程即为细胞分化，是一种特殊时空模式基因表达的结果。前体细胞一旦发生细胞组分的不均衡分配，成神经细胞的分化就开始了。当成神经细胞到达皮层板时，开始进一步的分化。因此，在第层细胞到达皮层板前，第和第层神经元已经分化成可识别的锥体细胞了。,成神经细胞,细胞体上长出神经突起时，成神经细胞就开始分化为神经元了。起先这些突起看上去一样，但不久有的变成轴突样，有的变成树突样。即使将成神经细胞从脑中分离出来，进行组织培养，也能分化。例如，在组织培养中，最终分化为新皮质锥体细胞的细胞通常也具有相同的特征性树突构筑。这意味着成神经细胞在表达它“最终栖息地”之前，分化程序就已编制好了。然而，树突的复杂性并不能完全预先编制。轴突和树突的精细结构也依赖于皮质中“环境”因素的影响。,在决定神经细胞命运的过程中，细胞之间的相互作用起重要作用。这些相互作用既可以发生于神经细胞与非神经细胞之间，也可以发生于神经细胞之间；这些相互作用既可以通过弥散在环境中的诱导因子，也能通过细胞之间的直接对话。 细胞外的因子最终会在细胞内激活一个特异的分裂和分化程序，使神经前体细胞可以在很大程度上不受环境的影响，产生不同的神经细胞。通过对这些机理的进一步的研究，发育神经生物学的最终目标是能够精确地描述：在发育过程中，不同的神经元和胶质细胞如何按准确的数量、在特定的时期、在不同的神经系统部位产生。,Model (chemical synapse ),细胞连接的发生,EM:,连接发生举例：从视网膜到LGN的视觉传导通路,长距离的连接或通路结构分为3个阶段： 路径选择-通路 靶位选择-结构 地址选择-细胞,在大脑约1000亿个神经元，精确的连接对执行大脑的功能尤为重要,通路形成的每一阶段都严格依赖细胞间的交流方式： 1.细胞间的直接接触 2.与其他细胞的胞外分泌物的接触 3.通过扩散的化学物质进行远距离交流,随着通路的形成，神经元也开始通过动作电位和突触传递进行交流。,同侧的视束,对侧的视束,对侧的视束,生长锥专门为神经突起的延伸识别合适的路径。生长锥的前沿由称为板状伪足的平板膜构成，板状伪足有节奏地波动起伏。从板状伪足伸出的针状物称为丝状伪足，用于探察周围环境，且随意出入板状伪足。当丝状伪足伸出并抓住底物(它生长的表面)时，则拉动生长锥向前延伸。,一旦成神经细胞迁移至神经系统适当的位置，神经元就开始分化，并延伸出最终将成为轴突和树突的一系列突起。在这一阶段的早期，轴突和树突非常相似，统称为神经突起，神经突起的生长顶端称为生长锥(growth cone)。,神经突,板状伪足,丝状伪足,轴突生长,只有当生长锥沿着底物表面延伸时，轴突才得以生长。底物由纤维蛋白组成，此蛋白沉积于细胞外基质(extrarellular matrix )中。细胞外基质中有一种允许轴突生长的糖蛋白叫层粘连蛋白(laminin )。生长的轴突可表达一种特殊的与层粘连蛋白相连的表面分子称为整联蛋白(integrin)，这种交互作用促进了轴突的延伸。这类适宜于轴突生长的底物与排斥生长的底物接壤，为轴突沿专门的路径生长提供了通道。 沿着这样的分子路径生长还得益于成束化(fasciculation)作用，这是一种使得轴突粘合起来共同生长的机制。神经纤维成束化是由一种称为细胞粘连分子(cell adhesion malecule, CAM)的特异性表层分子的表达而引起的。相邻轴突膜中的CAM相互之间紧密连接，导致轴突一起生长。,神经纤维成束化,层粘连蛋白,整联蛋白,细胞吸引和细胞排斥作用 (1)脊髓腹中线细胞分泌蛋白netrin，具有适当netrin受体的轴突被吸引至netrin浓度最高的区域。 (2)中线细胞也分泌蛋白slit。表达 slit受体(蛋白robo)的轴突向偏离slit浓度最高的区域生长。穿过中线的轴突robo表达上调，使得这些轴突偏离中线生长。,轴突引导,化学吸引因子(chemoattractant)：netrin 化学抵制因子(chemorepellent)： slit,神经管沿背腹轴的分化,（A）Shh和BMP家族蛋白分别在脊髓腹侧与背侧形成浓度梯度，从而使神经前期细胞在背腹轴不同的位置选择不同的命运。Shh由脊索和底板分泌，而BMP则由表皮（神经管形成之前）或顶板（神经管形成之后）分泌。 （B）神经管沿背腹轴分化的分子模型。Shh抑制I型HD蛋白的表达，但激活II型HD蛋白的表达。I型和II型HD蛋白能抑制彼此的表达，但它们在腹侧的不同位置有不同的表达范围，形成HD蛋白编码，从而共同分化神经前期细胞，使后者只能产生某一种神经元。,突触的形成,生长的运动神经元分泌蛋白质 agrin进入基底层 agrin与肌细胞膜中的MuSK相互作用。这一相互作用通过rapsyn的激活，导致 突触后膜内ACh受体的群集。,神经肌肉突触形成的步骤,运动神经元生长锥/轴突末梢,基底层,生长锥与其靶位接触后，可形成突触。 关于CNS中突触形成的机制有些细节还不清楚。,肌细胞膜,ACh受体的数量受另一种轴突释放的分子neuregulin的调节，它能刺激肌细胞中受体基因的表达。,轴突和靶位间的相互作用具有双向性,效应细胞所提供的基底层因子最终能刺激Ca2+进入生长锥，触发神经递质的释放。因此，尽管突触结构的最终成熟需要好几周，但轴突和靶细胞接触后，未成熟的突触传递很快就出现了。 Ca2+进入轴突除了能触发神经递质释放，也能引起细胞骨架的改变，使之呈现出突触前末梢样。并与突触后部分紧密相连。,细胞和突触的消亡,通路形成的这些机制足以在胎儿脑中建立相当有序的连接。但神经系统组构尚未结束，在长期的发育过程中，从出生前开始直至青春期结束，这些连接被逐渐精炼。最重要的精炼之一是新形成的神经元及突触大规模地减少。,1.选择性细胞死亡 2.突触容量的改变,在通路形成过程中神经元的整体数量减少，这一过程即为程序性细胞凋亡(Programmed cell death, PCD)。轴突到达靶位后突触开始形成，突触前轴突及神经元的数量逐步减少。 细胞凋亡反映了对营养因子(trophic factor)的竟争，这种有限的维持生命的物质是由靶细胞提供的。这一过程可使突触前和突触后神经元的数量相匹配。,选择性细胞死亡(PCD),初始状态,竞争营养因子之后,意大利生物学家Rita Levi-Montalcini于20世纪40年代发现了第一个营养因子，一种称为神经生长因子(nerve growth factor, NGF)的多肽。 NGF是由ANS中交感神经轴突的靶组织生成的。Levi-Montalcini和Stanley Cohen发现将NGF的抗体注射入新生小鼠，将导致交感神经节完全退变。由靶组织产生、释放的NGF被交感神经元轴突摄取，并逆向运输至神经元，以促进神经元生存。若轴浆运输被破坏，即使靶组织释放NGF，神经元也无法存活。他们由于卓越工作而获得了1986年的诺贝尔奖。 所有相关的营养蛋白质统称为神经营养因子(neurotrophin ) , 其成员还包括蛋白质NT-3 , NT-4及BDNF(brain-derived neurotrophic factor) BDNF) , 对于视皮质神经元的存活很重要。 发育过程中的细胞死亡被描述为“程序性死亡”，这反映它的确是一种自我破坏性遗传指令所导致的结果。神经营养物通过关闭这一遗传程序来挽救神经元。,神经营养因子作用于细胞表面特异性受体。大部分受体是蛋白激酶(trk受体)，将该受体底物上酪氨酸残基磷酸化激发了第二信使的级联反应，最终改变核内基因表达。,神经营养因子,突触容量的改变,每一神经元能在树突和胞体上接受有限数量的突触。这一数量叫做神经元的突触容量。在神经系统的整个发育过程中，突触容量在发育早期达到高峰，但随着神经元的成熟则不断减小。例如，就所有被测物种的纹状皮层来看，未成熟神经元的突触容量超过成熟细胞的50%。换句话说，婴幼儿的视觉皮层神经元的突触容量为成年人的1.5倍。 皮层神经元是何时失去那些突触的?耶鲁大学的科学家Jean-Pierre Bourgeois和Pasko Rakic，在对短尾猴的纹状皮质进行深入细致的研究后，解释了这一问题。他们发现，从婴幼儿到青春期之前，纹状皮质中的突触容量是不变的。但从青春期开始，突触容量急剧下降2年内就几乎下降了50%。结果更令人惊讶，在青春期初级视皮层中的突触量以平均5000个/s的速率在减少。,(a)最初，每一根肌纤维接受来自于若干个运动神经元的输入。发育过程结束，只剩下了其中的 一个，其余全部消失。 (b)突触后AChR的消失先于轴突分支的回缩。用金环蛇毒素仅仅将受体的一个亚基阻断，也能激发突触减少。,运动神经元,未成熟肌细胞的多神经支配,成熟,一个运动神经元轴突支配一根肌纤维,神经肌肉接头处小面积的ACh受体被阻断,ACh受体被阻断后。 轴突分支的回缩,ACh受体被阻断后。 ACh受体的丧失,突触减少,活动依赖性的突触重排,设想一个突触容量为12的神经元接受A、B、C三个突触前神经元的输入。一种可能的安排就是3个突触前神经元各提