南通大学神经生物课件神经系统发育

第6章 神经系统发育 n神经系统发育（Nervous system development） n神经元的发生(neurogenesis)。神经元的前体细胞增生和分 化，形成神经细胞谱系，这是神经元特化和分化的阶段； n神经元的迁移(neuronal migration)。新生的神经元必须从 产生的地方迁移到神经系统总体配布的适当位置； n突起长出(process out-growth)。神经元胞体必须长出树突 以接受其他神经元的冲动，并且长出一条轴突以连接适当的 靶； n突触形成(synapse formation)。当轴突到达靶区，它必须识 别恰当的靶细胞，并建立突触联系。 本章将依次阐述上述各个阶段并简要介绍中枢神经系统的发育异常和脑的老化 。 6.1.1 初级神经胚形成 神经管 前孔 后孔 脑 脊髓 神经褶 神经褶 外胚层细胞神经板神经沟 神经嵴 神经嵴 6.1 神经管的发育 起源于胚盘背侧中轴的外胚层细胞增殖形成神经板， 经历神经沟、神经褶，最终发育成为神经管。神经管的 前端膨大，衍化为脑，后端变细，衍化为脊髓。神经管 的两侧即神经嵴衍化为周围神经系统。 神经管发育扫描电镜图 外胚层 神经管发育模式图 6.1.3 初级脑泡 当神经管已完全闭合，三个膨胀部或囊泡出现并且被称为 初级脑泡，从头端到尾端，它们分别是前脑泡、中脑泡、 后（菱）脑泡。此时神经管不再挺直而呈现两个凸向背侧 的弯曲，一个位于将来脊髓与后脑交界处称为颈曲，一个 位于中脑处称为中脑曲或头曲。 6.1.4 次级脑泡 由于脑的继续发育，初级脑泡中的两个进行再 分裂。在第5周，五个次级脑泡可以辨别出，前 脑泡引起端脑泡和间脑泡的产生，中脑泡仍然 未分裂，原来的后脑泡产生后脑泡和末脑泡。 在后脑和末脑之间，由于前脑泡及菱脑泡的迅 速扩大，便出现另一个凸向脑干腹侧的弯曲， 称之为桥曲。 6.1.5 腔室系统 n脑桥的腔室和头端髓质构成第四脑室，间脑所在的 区域构成第三脑室（third ventricle），一个大的C 形侧脑室（lateral ventricle）占据了每侧大脑半球 ，每个侧脑室通过室间孔（interventricular）与第 三脑室相连，而第三脑室通过中脑导水管（ cerebral aqueduct）与第四脑室相连，菱脑壁伸展 成为第四脑室，其顶部变得非常薄。在这些部位， 小血管丛内陷入脑室顶形成脉络丛（choroid plexus ），从而产生填充入脑室的大部分脑脊液 (cerebrospinal fluid)。 6.2 脑和脊髓发育 在经历了三脑泡时期和五脑泡时期之后， 神经管的头端发育迅速、膨大形成脑；神经 管的后部较为狭窄的部分形成脊髓。下面分 别介绍脑和脊髓的发育。 前脑泡 中脑泡 菱脑泡 后脑 末脑 脑桥和小脑 延髓 中脑 大脑半球 间脑 大脑半球端脑泡 间脑泡 端脑泡 神经管头端 6.2.1-3 脑的发育 管腔 套层 基板 翼板 边缘层 中央管 灰质 白质 前角 后角 脊髓 神经管的尾端 侧角 6.2.4 脊髓发育和脑室界沟 (6.1.2) 在神经管的尾侧段，即后来发育为脊髓部分的套层内，由于一些神 经母细胞增殖使套层增厚，结果是背侧部及腹侧部增厚较慢而成为顶 板、底板，两侧增厚较快而成为基板、翼板，基板与翼板之间为界沟 。第二个月中期，由于基板与翼板内神经细胞的分化和胞突的生长以 及胶质细胞的产生，致使边缘层增厚。边缘层发育成无神经细胞的白 质，套层即中间层分化为脊髓的灰质 。 随着发育，脑室界沟成为划分腹运动区和背感觉区之间的界线。 翼板衍生物被认为与感觉处理有关，而运动神经元则源于基板衍生 物。在成熟的脊髓中，尽管脑室界沟不再明显，每侧的灰质均可划 分为前角和后角，感觉神经元（源于神经嵴细胞）终止于后角，此 处大部分细胞的轴突形成上行的感觉传导束。相反，前角则含有躯 体运动神经元和自主神经元的胞体，其轴突离开脊髓支配骨骼肌和 自主神经节细胞 6.3 神经诱导作用 6.3.1 神经胚形成动力 n神经诱导是神经系统发育过程中的一个重要方面及过程，包 括神经管形成的原发诱导和早期脑和脊髓的次发诱导。 n神经板是由来自附近的中胚层细胞信号所诱导 n诱导物和被诱导物应在正确的时间和正确的位置。 n实验的关键：移植了胚胎内被称为胚孔背侧唇的区 域，它最终将发育形成背侧中胚层。将背侧唇从一 个胚胎上切掉并移植入或埋在宿主胚胎腹侧外胚层 下面，这个部位正常情况下能发育成腹侧表皮组织 。 n结果发现：移植细胞按正常的发育程序，形成了中 线中胚层（脊索）。更为甚者，移植细胞所形成的 这个脊索又使宿主外胚层细胞的命运发生了巨大的 改变。宿主细胞形成了另一个完全一样的体轴，它 包含了一个几乎发育完全的神经系统 6.3.2 中胚层信号作用 6.3.3 骨发生形态蛋白作用 n 在囊胚期，把外胚层的细胞分散成单个细胞 ，可加速细胞的神经归宿趋势，提示外胚层 细胞之间存在某些抑制信号，如果阻断这种 信号传递可以引起外胚层向神经组织分化。 n目前认为该抑制信号是转化生长因子超家族 的成员骨发生形态蛋白 (bone morphogenic proteins，BMPs)。 n给予BMP4能抑制神经细胞标志物的表达， 并且促进其向表皮细胞分化 。 n卵泡素、脊索素和头素能诱导原始外胚层表 达神经板前部特有的蛋白。 n在活化信号作用的基础上，由中胚层继续产 生的一些因子，提供转化信号诱导神经轴后 部的特化， 这类因子包括bFGF和视黄酸。 6.4 神经元分化与迁移 n在神经系统的发育过程中，神经细胞均产生 于神经管的最内层。随着发育的推移，神经 管由单层细胞变成多层细胞。细胞层的变化 提示神经细胞进行了迁移，最终到达定居层 并发育为成熟的神经元或神经胶质细胞。 6.4.1 神经管发生模式 n原始的神经管管壁由单层神经上皮细胞构成，其内、外面覆 有内、外界膜。（假复层柱状上皮） n神经管壁开始分为三层模式 n最内层为室管膜层或室周带(ventricular zone)，发育过程中 ，此层细胞处在有丝分裂阶段，后来此层退化为覆盖脑室系 统及导水管的柱状单层上皮，即室管膜。 n开始时室管膜层占神经管管壁的全部，以后神经管出现了细 胞稀少的外层，称为缘层(marginal zone)。此层由室管膜层 细胞向外伸出的突起相互交织而成。 n随后，室管膜层细胞胞体部分似沿着其延伸的胞质柱向外移 动，而形成介于缘层和室管膜层之间的中间层或套层 (intermediate zone or mantle zone) 6.4.2 神经元增殖与分化 n神经管细胞的前体细胞是中枢神经系统所有 细胞的起源。 n神经管细胞必须分裂增生，以提供脑和脊髓 所需的成熟细胞。 发育早期的神经管只有两层，即外层的边缘层 和内层的室管层。当神经管的前体细胞分裂增 生时，它们按照细胞活动周期演变，并反复进 行。当DNA复制并准备细胞分裂时，细胞核外 移到边缘层。而DNA复制完毕时，细胞核又返 回到室管层，此时的前体细胞由一条长而纤细 的突起固定于神经管的内外两缘，而细胞核则 沿着这条突起移动，其机制还不清楚。 中枢神经系统内细胞的组织发生 中枢神经系统胶质细胞的分化 6.4.3 神经元和神经胶质细胞的迁移 n在脊椎动物神经系统的发育过程中，神经细 胞起源于由外胚层演化而来的神经管，它最 终发育成神经系统这样巨大而复杂的结构， 其中细胞迁移是一个必不可少的步骤，也是 一个普遍的规律。 n神经管由单层细胞变成多层细胞，随着细胞 层的变化，提示神经细胞进行了迁移，而到 达最终定居层。 这种迁移是主动的迁移还是由于新形成的细胞将 早期形成的细胞挤走所致的被动位置改变？ n1975年，Nakic发现新发育成的有丝分裂后的神经 元通常为简单的双极细胞，它们藉着特殊的、被称 为放射胶质细胞（radial glial cell）的长突起的引导 迁移至其目的地。 n从靠近脑室发源地沿着脑内存在着的放射状胶质细 胞长突起迁移。 6.4.4 神经嵴细胞发生 n脊神经节的发生 在神经管两侧的神经嵴分节，节内的细胞向两侧 迁移，并首先分化为成神经细胞和成胶质细胞。成 神经细胞两端出现突起，分化为双极神经元，即感 觉神经细胞。之后，两个突起的起始部逐渐靠拢合 并，形成“T”形分支的假单极神经元。假单极神经元 的中央突伸向脊髓后角，周围突参与脊神经，分行 到各器官和组织、形成感受器。假单极神经元的胞 体集中处，即为脊神经节。成胶质细胞包绕在假单 极神经元胞体周围，形成卫星细胞，神经节周围的 间充质分化为结缔组织被膜，包绕整个神经节。 n自主神经节的发生 于胚胎发生第5周，胸部神经嵴的一部分细胞分化 为交感成神经细胞，迁移至主动脉背侧形成节段性 排列的交感神经节，并借纵行的神经纤维彼此连接 形成交感链。部分交感成神经细胞迁移到主动脉腹 侧形成其他交感神经节。交感成神经细胞分化为多 极神经元。副交感神经节的起源问题尚有争议，有 人认为副交感神经节中的神经细胞来自中枢神经系 统，也有人认为它们来源于脑神经节中的成神经细 胞。 6.4.5 神经嵴细胞多能性因素 n胚胎内的位置 一个神经嵴细胞根据它在胚胎内的不同位置，可 分化为几种不同类型的细胞，如前所述，颈部的神 经嵴细胞形成副交感神经元，是胆碱能的神经元； 而胸部的神经嵴细胞形成交感神经元是肾上腺能神 经元。但是，如果将它们换位移植时，原来胸部的 神经嵴细胞形成副交感神经节中胆碱能神经元；而 原来颈部神经嵴细胞形成交感神经节中肾上腺素能 神经元。此后发现，在迁移前颈部和胸部的神经嵴 细胞都具有合成乙酰胆碱和去甲肾上腺素的酶。 n生长因子 随着神经嵴细胞的迁移，它们的潜能逐渐受到限 制。在移植实验中发现，许多神经嵴细胞主要形成 背根神经节中的感觉神经元，不能形成交感神经节 中的自主神经元。这些细胞的分化可能涉及对生长 因子的不同要求。那些形成交感神经节定型的神经 嵴细胞不需要生长因子维持存活，而它们的分化可 能要求碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）的刺激 作用。 n激素 神经嵴细胞的分化可受组织环境中激素的影响而 改变。鸡胚中那些迁移到肾上腺髓质区的神经嵴细 胞能向两个方向分化。这样的细胞通常分化为去甲 肾上腺素能的交感神经元。然而，如果这些神经嵴 细胞给予肾上腺皮质细胞分泌的糖皮质激素，它们 将分化为肾上腺素能的交感神经元。 6.5 突起形成 n当一个神经细胞已经迁移并到达它在神经系 统内预定的最终位置时，它必须长出树突和 轴突，借此联系其他神经元以接受或输出信 息。树突和轴突统称为神经突起(neurites)。 6.5.1 轴突延伸 n脑室层细胞（成神经细胞）在增殖（有丝分 裂）过程中发出轴突向其靶部位生长和延伸 ，生长着的轴突顶端器官是生长锥（growth cone）。 n生长锥是活跃的运动体，来回伸缩的宽的片 层膜，称为片状伪足（lamellipodia），由层 足伸出的许多刺突状的突起称为丝状伪足（ filophodia）。 片状伪足和线状伪足的伸缩，及生长锥 锥体的前进，由以下两个过程介导： n 肌动蛋白丝的多聚化和解体； n 由肌球蛋白介导的肌动蛋白丝从生长锥前 端移开。 这两个过程都可利用ATP水解的能量来产 生动力，通过肌动蛋白的结合蛋白来调节。 幔 整合素 6.5.2 轴突引导相关分子 细胞外基质 胶原蛋白 蛋白多糖 弹性蛋白 细胞外间质糖蛋白 层粘连蛋白（laminin） 纤维连接蛋白（fibronectin） 细胞粘附分子 钙粘素家族 整合素家族 免疫球蛋白超家族 介导细胞与细胞、细胞外基质互介导细胞与细胞、细胞外基质互 相识别、粘附和信号转导相识别、粘附和信号转导 钙粘着蛋白（钙粘着蛋白（cadherinscadherins） 整合素整合素 （IntegrinIntegrin） 神经细胞粘着分子（神经细胞粘着分子（NCAMNCAM） NCAMNCAM：是一个单链的跨膜糖蛋白，含多聚唾液酸（是一个单链的跨膜糖蛋白，含多聚唾液酸（PSAPSA ），通过与），通过与PSAPSA的结合和分离来调控轴突的粘附能力若有的结合和分离来调控轴突的粘附能力若有 PSAPSA出现，细胞膜间的粘连分子距离增大，粘附性降低，出现，细胞膜间的粘连分子距离增大，粘附性降低， 若无若无PSAPSA存在，存在，NCAMNCAM能增强细胞间的粘附作用。能增强细胞间的粘附作用。 6.5.3 轴突引导机制 n神经元中主要的信息传出结构是轴突，在胚 胎发育过程中，神经元长出轴突。轴突上有 延伸生长功能的部分称为生长锥。 n生长锥的生长有较为精确的导向性，机体通 过至少四种（接触吸引、化学吸引、接触排 斥和化学排斥）导向机制的相互作用，调节 生长锥的靶向性生长。 nnetrins及其受体 netrins属于网蛋白家族，具有吸引某些轴突而排 斥另一些轴突的双向调节作用。 nSemaphorins家族 Semaphorins家族即导向蛋白家族，是一个细胞 表面蛋白和分泌蛋白的大家族。主要有化学排斥或 抑制的作用 nsilt 分子 已发现silt对某些神经元迁移及轴突延伸起化学 排斥作用。此外，silt能刺激感觉神经元轴突分支 6.5.4 突触形成与突触重排 n突触是实现神经元之间或神经元与效应器之 间信息传递的机能性接触的一种特殊结构。 n神经系统发育时，所生成的神经元要比以后 存活下来的神经元多得多。轴突到达靶点后 ，它们相互间竞争与靶细胞形成突触，称突 触发生（synaptogenesis）。没有形成突触 的神经元将会凋亡。 生长锥与适宜靶细胞接触； 神经递质释放增加； 突触前膜与靶细胞粘附增强； 其他竞争突触被异突触压抑； 受体在突触后膜堆积； 新的受体在突触后膜合成； 突触接头处受体消除。 化学突触的形成分为以下基本过程： 突触重排 n突触形成后，已形成的突触即开始重排，这 一过程相当漫长。 n由多神经元支配的突触后单位如肌纤维，最 后仅由一个运动神经元所支配 6.6 发育中细胞死亡 n人们倾向于将死亡作为机体生命的终点，但 从发育的观点看，特定细胞、纤维及突触末 梢的退化死亡是发育过程中不可缺少的一部 分。 n无脊椎动物通过“不需要的”细胞的死亡，构 筑成简单的神经系统；脊椎动物神经系统发 育过程中，也有2/3的神经元在走向特异神经 元的过程中死亡 。 神经细胞在发育过程中的死亡 n程序性死亡（PCD）：在发育过程中出现的、由细胞内特定基因程序 性表达介导的细胞死亡。以细胞膜皱缩，核固缩，DNA断裂成碎片为 特征。 n在出生前PCD主要发生在两个时期： n 第1个时期见于神经板发育演变为神经管。 生物学意义： 1、有助于神经管与外胚层脱离。 2、有助于神经管头端脑泡的形成。 n 第2个时期发生在神经管分化阶段。 生物学意义： 1、对神经细胞的表型进行负向选择，使对机体不合适的细胞类型 消除。 2、平衡神经元与非神经元之间的数量比例。 n中枢神经系统的神经元凋亡与程序性死亡现 象不仅存在于出生前发育阶段，亦出现在生 后发育阶段。已有不少学者观察到在哺乳动 物出生后一定期间内在视网膜、外侧膝状体 、顶盖、小脑、海马、小脑皮质颗粒层、及 新皮质等处均有神经元程序性死亡。 凋亡与PCD的区别与联系 nPCD：特殊的定时自杀（功能方面的概念 ） 仅出现于胚胎发育中的细胞 n凋亡：多种外源性因素及病理因素（形态学概念） 既存在于胚胎发育中的细胞也存在于成 体神经细胞 n共同点：生理性死亡，形态相似。 n细胞凋亡与程序性细胞死亡是多细胞动物生 命活动过程中必不可少的过程，与细胞增殖 同样重要。这种生与死的动态平衡保证了细 胞向特定靶组织、器官表型分化，构筑成熟 机体，维持正常的生理功能。 6.6.2 神经元发育与神经营养因子 1、概念：在神经细胞发育过程中，细胞的生存、生长、 迁移及与其它细胞建立功能性联系，以及神经再生过程 中轴突的生长等，均受到一类可溶性化学物质的诱导、 调节和控制，此类化学物质称为神经营养因子（ neurotrophins） 2、条件: 在体内合成；经胞质转运;通过自分泌、旁分泌或 内分泌方式作用于表达相应特异性受体的神经元；该因 子的分布明确，且可被克隆或提取、纯化，在体内的有 效剂量很小；外源性抗体可使它们的作用减弱或消失。 3、分类： 神经营养素家族： NGF，BDNF，NT-3， NT-4， NT-5， NT-6 胶质细胞源性神经因子：CNTF，GDNF，NI-35，NI-250 GIF 作用于神经系统的细胞因子：FGF，PDGF，IGF，TNF，TGF NGF诱导神经纤维定向生长 6.6.3 神经元死亡与神经营养因子 n近年来研究认为，神经元的存活、生长、迁 移以及与其他细胞建立功能性联系主要受靶 细胞或靶组织产生的神经营养因子的调控， 如神经生长因子（NGF）、成纤维细胞生长 因子（FGF）、表皮生长因子（EGF）等。 胚胎时期大量神经元的自然死亡，与这些细 胞不能获得靶细胞或靶组织释放的营养因子 有关。 有实验显示 n将NGF注入胚胎中，可以挽救过量的神经元 ，于是在成熟的感觉神经节和交感神经节中 出现多于正常数量的神经细胞。相反地，如 果注射NGF抗体入胚胎，使它与NGF结合致 NGF失去活性，可导致更多的神经元死亡， 从而减少了神经节细胞的数量。 6.7 脑老化及其分子机制 n脑老化（aging of brain）是指脑生长发育成 熟到衰老过程中的后一阶段，包括一系列生 理的、形态结构的和功能的变化，是正常的 生命过程，是生物学上不可避免的发展阶段 ，是由遗传规律的生命周期所决定。 6.7.1 端粒学说 n 端粒(telomere)是真核生物染色体末端的一种特殊 结构，由简单串联重复序列和相关蛋白组成，具有 维持染色体结构完整性作用。 n端粒酶（telomerase）是种反转录酶。由RNA和 蛋白质组成。端粒酶RNA是合成端粒DNA的模板， 而端粒酶的反转录酶亚基可催化端粒DNA的合成， 合成的端粒重复序列加到染色体的末端. n如果端粒酶缺乏或活性降低，端粒DNA在细胞分裂 过程中不能为DNA聚合酶完全复制，因而随细胞分 裂的不断进行而逐渐变短，当端粒末端不能再缩短 时，细胞分裂停止，细胞即表现为衰老乃至死亡。 6.7.2 自由基学说 n自由基学说（free radicals theory）又称氧化 损伤学说，是Denham Harman在1956年提 出的，认为细胞正常代谢过程中产生的活性 氧基团或分子（reactive oxygen species， ROS）的积累所引发的氧化损伤，最终导致 衰老，即生物体的衰老过程是机体组织细胞 不断产生的自由基积累的结果。 6.7.3 免疫学说 n迄今的研究表明机体在衰老的过程中伴有免疫功能 的退化，主要体现在三个方面： n随衰老程度的增加，对外源性抗原的免疫应答降低，而对 自身抗原的免疫应答增强，自身抗体的检出率升高。 n人类的胸腺出生后随着年龄的增长逐渐变大，在13l 4岁 时达到顶峰，之后开始萎缩，功能退化，25岁以后明显缩小 。 n老年动物和人的T细胞功能下降，数量也减少。 6.7.4 早老素作用 npresenile protein，PS npresenile protein，PS nPS及PS基因发生突变则影响-淀粉样 蛋白（A42）的产生。 6.7.5 老化共同机制 n 尽管老化的机制可以是多方面的，而且与生 物种属相关，尤其在诱因和发生机制上。但 其最终导致的老化在细胞和组织器官水平上 应具有结构、功能和生物化学方面的共性或 共同机制。 n1977年，Lamb提出了一个以连锁反应为核 心的多阶段衰老综合机制。 具体见教科书。 首先，由多种不同机制引起的随机因素可以对从 DNA到细胞多个水平的不同结构造成损伤，这些损伤 机制可以是上面提到的任何一种或多种（第一阶段） 。此时，细胞通常会通过其正常情况下所具有的修复 机制来抵抗这些随机因素造成的损伤，维持细胞的正 常生理功能或状态（第二阶段）。随着时间的延长， 这些正常修复能力不能完全代偿或修复所造成的损伤 （第三阶段），而可能出现基因转录和翻译水平改变 、或维持