神经解剖学研究方法与神经发育ppt课件.ppt

NEUROANATOMY神经解剖学,1,一、神经系统发生,2,.,神经系统的种系发生,网状神经系统水螅链状神经系统扁形动物、环节动物管状神经系统脊索动物、脊椎动物,3,种系发生管状神经系统,脊椎动物的中枢神经系统是由外胚层内陷形成的神经管发展而成的。,4,基质诱导,细胞外基质：胶原，糖胺多糖和蛋白多糖诱导组织释放：actin,noggin,follistain等细胞粘着分子：N-CAMs，L-CAM生长因子：BPM,正确的时间正确的位置,5,1.神经管的组织分化,神经上皮是假复层柱状，细胞处于细胞周期的不同时期，核的位置在内外界膜间往返移动；分裂后的子细胞在进入有丝分裂周期，而失去与管腔基底的连接；不能进入分裂周期的子细胞则迁移进入套层。各种类型的神经元和神经胶质细胞在套层发生分化。,6,神经管的组织发生,假复层柱状上皮三层细胞室管膜层，脑室下层，中间层（套层），缘层,神经元的突起，年幼神经元，胶质细胞突起，其他部位的轴突末梢,室管膜上皮,神经元，胶质细胞,7,神经上皮神经上皮是假复层柱状，细胞处于细胞周期的不同时期，核的位置在内外界膜间往返移动；分裂后的子细胞在进入有丝分裂周期，而失去与管腔基底的连接；不能进入分裂周期的子细胞则迁移进入套层。各种类型的神经元和神经胶质细胞在套层发生分化。神经元与神经胶质细胞的起源胚胎早期的室管膜上皮多潜能干细胞。神经元发生的时空循序受神经元类型、脑区、神经上皮生发区增殖的空间和时间梯度以及形成突触时间的影响。,8,分裂间期的核迁移,从脑室的转位发生在G1和S期之间，向脑室的转位发生在M期和G1期之间。干细胞分化产生的子代细胞无法继续黏附在基底膜，而迅速迁移到皮层的表层。迁移过程中祖细胞开始表达分化标志而与干细胞相分别。神经元的产生呈现内-外层次结构：最内层的最早、最外层的最后分化,9,假复层柱状上皮,室管膜层,缘层,中间层,脑室下层,神经元的迁移生长锥与放射状胶质细胞,10,放射状胶质细胞做引导神经元伸出生长锥神经元的产生呈现内-外层次结构：最内层的最早分化，最外层的最后分化,11,Zhao,S.etal.Development2004;131:5117-5125,Co-cultivationofreeler(rl-/-)dentategyruswithwildtyperescuesradialfiberorientationandneuronallamination,12,生长锥的分子组成与运动,神经突起内有微管、微管相关蛋白、神经细丝等。肌动蛋白与肌球蛋白等组成细胞骨架。神经突起上的膜受体及其细胞内信使。丝足运动生长锥与环境因子相互作用丝足变形神经递质与调质作用于生长锥的膜受体与其他神经突起相互作用生长锥内细胞器执行细胞的基本功能：生长相关蛋白,13,神经元的分化无极成神经细胞双极成神经细胞单极成神经细胞多极成神经细胞,14,神经细胞的分化规律无极成神经细胞双极成神经细胞单极成神经细胞多极成神经细胞多极神经元,大细胞比小细胞发育早运动神经元比感觉神经元分化早中间神经元分化较迟胶质细胞在神经元之后分化,15,NeuralcellsarenotdirectlyderivedfromEScells.Maturecellsofthenervoussystemcomefromavarietyofcellslineagesandprogenitorsthatdifferentiateintospecificcelltypes.Differentlineagesarealsoknowntosupportthedifferentiationofothercelllineages.,神经细胞谱系lineages形成,16,神经干细胞（NSCs）,具有分化为神经元、星型胶质细胞和少突胶质细胞的能力，能自我更新、并足以提供大量脑组织细胞的细胞群。神经干细胞的主要标志物包括：巢蛋白nestin,波形蛋白vimentin,CD133+/CD45-、CD9、CD15、CD81、CD95，其中CD133+十神经干细胞特异的表面抗原。,17,体外研究：动物脑组织（含分裂的脑组织）增殖诱导分化鉴定体内研究：体外扩增的NSC移植脑内生物学行为改变,研究方法,18,19,神经组织的来源与分布,20,神经干细胞与神经组织发育,神经组织的早期发育神经干细胞在神经系统正常发育中的作用神经干细胞中是否存在分子限制性,21,神经干细胞及其在神经系统正常发育中的作用,神经系统是否起源于一种神经干细胞：目前尚未发现可以产生所有神经组织的神经干细胞，干细胞的分化潜能受时间和空间的限制。早期脑发育中干细胞的潜能和神经系统的局部环境：不同类型的干细胞根据自己携带的位置信息产生限制性的子代细胞，进而产生神经细胞，最终与干细胞产物混杂一起。神经上皮是受位置信息影响的具有特定角色和局限发育可塑性的细胞。在发育和成体神经系统中干细胞的自我更新或自我维持：增殖/休眠对维持干细胞状态的重要性：从胚胎到成体正常神经系统的发育中，不同时期不同区域神经干细胞的增殖速率都是不同的。,22,神经干细胞在神经系统正常发育中的作用,分裂对称和不对称分裂在正常神经系统发育中的作用：不对称分裂是干细胞的特性，它是自我更新和产生不同分化方向子代细胞的一种方式。干细胞的微生态环境:比如骨髓微环境是由基质成分构成的复杂的生态境包括黏蛋白、生长因子等。神经干细胞所处的微环境内也发现黏蛋白和生长因子，并且有区域特异性。成年神经系统内不同微环境中的关键性环境分子能够调节干细胞向神经元或神经胶质细胞分化。,23,调控神经干细胞增殖、分化的微环境,表皮生长因子EGF和碱性成纤维细胞生长因子bFGF的单独或相互作用可维持神经干细胞在未分化状态下保持自我更新能力。GDNF可刺激外周神经干细胞分化成施万细胞。IGF-I，BMP可刺激神经元的发生BDNF刺激神经前体细胞分裂。CNTF刺激神经干细胞向星型胶质细胞分化PDGF减少人胚胎神经干细胞分化为神经元NGF不影响神经元和神经胶质的形成甲状腺素导致少突胶质细胞的发生,24,参与神经干细胞增殖及诱导分化的分子机制,bHLH转录调控因子家族决定因子分化因子BMP家族Notch家族Wnt家族Pax家族调控干细胞增值、分化的微环境,25,bHLH转录调控因子家族,bHLH是神经干细胞分化过程中的重要的转录因子。不同的转录调控因子调控不同的靶基因，机制尚未明了决定因子：Ngn1，Nng2，Mash1等在中枢和外周神经系统细胞谱系的决定中起作用。促进干细胞向神经元分化同时抑制其向神经胶质分化。分化因子:NeuroD决定神经前体细胞的早熟分化。,26,BMP家族,是TGF-超家族和生长因子家族中最大、最重要的成员。BMP配体和受体亚单位在整个神经发育过程中都有表达，不同浓度的BMP和其他细胞因子共同促进在神经管期不同类型神经细胞的分化。发育晚期BMP作用于腹侧区的神经前体细胞，抑制这些细胞分化为神经元及少突胶质细胞促进其分化为星型胶质细胞。同时作用与非腹侧区的神经前体细胞促进其存活和分化。在外周神经系统，BMP诱导神经嵴干细胞和外周神经干细胞向神经元分化并参与决定神经元亚型,27,BMP家族,28,Notch家族、Wnt家族、Pax家族,Notch家族促进神经干细胞向神经胶质分化同时抑制其向神经元分化。Wnt家族参与控制神经干细胞及神经嵴干细胞的增殖和决定其最终的命运。Pax家族在神经干细胞分化和迁移中发挥重要的作用。,29,Notchreceptorsignaling,Inmammals,membersoftheDelta-like(DLL1,DLL3,DLL4)andtheJagged(JAG1,JAG2)familiesfunctionasligandsthatactivateNotchsignalingreceptors.,30,神经管的头-尾极性和背腹极性,31,PAX配对同源盒基因,发育早期在神经管背部表达，随后在神经嵴、脊髓背部在大脑的空间限制性表达强烈，提示他们可能参与大脑区域的格局化，尤其是特化纵向和横向的限制性结构域。对于维持神经系统的位置特征是必需的。,32,PAX配对同源盒基因,缺失后导致：色素沉着异常、背根神经节减少或缺乏、施万细胞减少；脑膜或脊膜突出、脊柱裂或颅裂,33,Hox同源基因盒,是与神经系统的格局化密切相关的一类重要的转录调节因子。仅有少部分在后脑表达，其余大部分在脊髓表达。与神经元的成熟步骤一致。运动神经元-连合神经元-背部感觉神经元在建立并保持不同神经节的位置特征及其内发育的不同类型神经元的位置特征方面起决定性作用。,34,LIM同源盒基因,绝大多数在特定的神经元亚群表达，提示LIM家族可能参与有关神经元细胞的生命过程,35,POU同源盒基因,转录调节因子Oct-1,2,4不仅激活转录，而且刺激DNA复制在发育和成熟脑的特定神经元表达涉及神经元的增殖和细胞的命运,36,成熟中枢神经系统神经元生成,成体中枢神经系统内源性神经干细胞神经发生的观察方法3H胸腺嘧啶放射自显影:能整合S期的细胞内。5-嗅脱氧尿嘧啶BrdU核苷标记方法：能整合S期的细胞内利用逆转录病毒对处于分裂状态的细胞进行标记原理：逆转录病毒的整合与转基因的持续表达需要细胞的分裂内源性成年神经干细胞功能性神经发生的机制调节增殖的调控：老化、应急、生理活动、神经递质命运特化的调节：局部环境新生神经元的迁移新生神经元的成熟与整合,37,神经嵴的衍化,沿背外侧迁移的神经嵴细胞皮肤的色素细胞沿腹侧路经迁移的躯干部神经嵴细胞周围神经的神经节神经胶质细胞肾上腺髓质的嗜铬细胞、滤泡旁细胞以及颈动脉体I型细胞,38,神经胶质的发生,外胚层的神经管星形胶质细胞外胚层的神经嵴少突胶质细胞中胚层或者外胚层的神经嵴小胶质细胞室管膜的发育分化为柱状的单层上皮脑膜的发育来源于间充质，内层含有神经嵴的神经细胞分化为软膜和蛛网膜，外层发育为硬膜,39,影响神经元数目和大小的因素,基因调控不直接控制神经细胞的最终数量，控制细胞向上皮细胞还是向神经母细胞的分化激素、生长因子、营养和环境因素人脑生后神经细胞的数目是相对恒定，生后脑体积和重量增加神经胶质细胞的分裂增殖神经细胞体积增大髓鞘形成脑区某些区域细胞的分裂繁殖,40,2、管状神经系统脑化,在发育的早期，神经管的前端膨大形成三个原始脑泡,41,42,管状神经系统皮质化,前脑-嗅觉器官间脑-视觉器官菱脑-前庭蜗器,43,管状神经系统皮质化,Inmammalsseveralmajordevelopmentsoccur.Thedorsalgreymatterareasofthecerebralhemispheresexpandandmoveawayfromthecentralcavity,toformasuperficial,three-layeredcortex.Theolfactoryareaisnowtermedthepaleocortex,andtheemotionalarea,thearchicortex.,44,管状神经系统皮质化,Thepaleocortexbecomesassociatedwitharchicortex,whichreceivestheprocessedolfactoryinformation,andproducesapproach/avoidanceresponses:revulsion/fearorattraction/like.Thisareaalsoislinkedtolearningandmemorybasedupontheseemotionalresponses.Inmammalsanew,6-cell-layered,processingareadevelops,betweenthearchi-andpaleo-cortices.Thisneocortexattractssensoryinputfromallsensorysystems(visual,auditory,somaticsensory).,45,人类CNS早期发育时间表,46,二、神经解剖学的研究方法,47,.,1.神经结构的经典研究方法,大体解剖的研究方法脑和脊髓外部形态，脑膜和脑血管标本的制作，脑血管的显示，脑的解剖剥离标本脑厚片染色标本（大体）浸染灰质：苯胺黑、洋红、柏林蓝，等浸染白质：油溶红、立素尔大红组织培养和脑切片染色标本（组织水平）细胞培养与染色（细胞水平）,48,脑和脊髓外部形态,49,脑和脊髓厚片,纵切面：大脑纵裂水平切面：通过室间孔上缘冠状切面：,50,51,Brainstem,Diencephalon,Cerebellum,Cerebrum,Brainisdividedinto4principalparts;Telencephalon,cerebellum,diencephalon,andbrainstem,52,DiencephalonSubdividedinto5parts:Thalamus,hypothalamus,epithalamus,subthalamus,andmetathalamus,53,大白鼠实验头位,按照不同的定位图进行大白鼠脑实验时,必须采取和定位图相应的头位。大白鼠的实验头位有多种（在定位仪上）：用耳杆固定大白鼠的外耳道后,调节切牙棒的高度使前囟高于人字缝尖1毫米。调节切牙棒使其上缘高于耳间线5毫米调节切牙棒使耳间线中点至切牙棒前上缘的垂线与仪器水平面成5度的交角确定大白鼠的实验头位是依据脑的冠状平面应与神经轴相垂直。中脑与间脑的分界面通过后连合后缘和脚间窝前缘,大体上垂直于神经轴,把它作为鼠脑的冠状基平面图,当此平面与水平面垂直时,鼠头的位置即是规定的实验头位。对体重为150克雌鼠的实验头一位进行了测定,测出耳间线比切牙棒上缘高2.4毫米,耳间线中点到切牙棒前上缘的垂线与水平面成5度的交角。,54,55,Caudatenucleus,Putamen,Globuspallidus,56,57,组织学的研究方法,固定组织的标本制作方法固定、切片（石蜡、冰冻、振动、超薄）染色神经元染色：包括Nissl尼氏，焦油紫，中性红、硫堇，甲苯胺蓝、培花青，等。苏木素-伊红HE；银浸染法（Golgi,Cajal）,58,Nisslstain(1892):1NucleusandNisslbody：RNA(核仁和尼氏体)andDNA2Neuronsandglia（核质深染但胞浆内无尼氏体）,59,60,Golgi银浸染法(Golgistain),重金属镀染神经细胞方法的贡献：能在大量神经细胞中镀染出少数细胞的全貌。,61,十九、二十世纪神经系构造的网状学说:,62,Cajalstain,显示神经元内的神经原纤维neurofibrillary及轴突末梢,63,神经元学说,神经细胞是一个独立的生物学单位（神经元），神经元间的联系不是通过细胞的连续，而是通过彼此的接触来完成的。并描述了神经元的树突及轴突，提出树突是接受区，神经元极性的概念。,64,组织学的研究方法,髓鞘染色：Weigert,Marchi,Nauta,65,Weigert(1884)染髓鞘，而不能用于研究薄髓和无髓纤维Luxol坚牢蓝属于铜-酞菁染料，在酒精溶液内具有与髓鞘磷脂结合的染色特性。,66,Marchi(1890):染变性的髓鞘Nauta法:将变性纤维染成黑色，抑制正常纤维着色（顺行追踪法）,67,Meylinsheathandnervefibers,68,少突胶质细胞与中枢神经髓鞘,突起末端扩展为扁平状包卷中枢神经元的轴突形成髓鞘,69,Schwann细胞与周围神经髓鞘,70,Schwann细胞与周围神经髓鞘,71,年龄及病理变化,72,显微镜,光学显微镜电子显微镜共聚焦显微镜活体成像显微技术，等等,73,74,Electronmicroscope(1950s)：TEM，SEM,75,证实神经元学说的证据,76,神经组织的特点,77,.,Nucleus,510um有丝分裂活动在出生后不久停止。Nuclearenvelope(核膜)：双层7nm；核孔；核内染色质（20nm)核仁(nucleolus）,5-10nm,78,Roughendoplasmicreticulum,RER,79,Nisslbody,80,SER,调节神经元内钙信号,81,线粒体Mitochondria,形态：源性、卵圆形或杆状，00.10.5um分布：胞体、轴突、树突，轴突末梢多见。结构：外膜、内膜和嵴(与长轴垂直)、周围间隙和嵴内间隙（外室）、内室。能量产生、储存和供给的场所。进行三羧酸循环、呼吸链的氢和氧离子传递以及氧化磷酸化反应。,82,83,细胞骨架cytoskeleton,组成：微管、微丝和中间丝分布：胞体、轴突、树突,84,微管microtubule,组成：微管蛋白tubulin，微管相关蛋白MAP分布：胞体、轴突、树突.25-28nm功能：维持神经元的形状，物质转移、运输的轨道。,85,神经丝neurofilament,组成：10nm，中间丝蛋白vimentin，desmin,nestin,GFAP分布：胞体交叉成网、轴突最丰富、树突，星形胶质细胞.功能：维持神经元的形状，参与蛋白质的翻译过程、参与轴浆的运输。,86,微丝microfilament,组成：3-5nm,actin，myosin,tropomyosin(原肌球蛋白)分布：神经元周边、胞膜下、并与肌动蛋白结合蛋白结合形成致密网。功能：参与生长锥突起和伪足的形成与回缩并对细胞膜特化结构（突触前后膜）的形成有重要作用.,87,树突dendrites的特点,胞体的延伸，呈一个或多个锐角分支接受轴突的突触传递，并将信号沿树突干传入胞体。有局部合成蛋白质功能，合成的蛋白质可以直接插入突触后膜，调节突触的可塑性变化。,88,dendrites,有局部合成蛋白质功能，合成的蛋白质可以直接插入突触后膜，调节突触的可塑性变化。,89,树突棘(dendriticspine)结构：突触后致密体，微丝，棘器(SER)，多聚核糖体,不含线粒体功能：代表突触的强度调节局部钙信号突触活性依赖的结构可塑性,90,轴突axon的特点,单个、细长、直径均一、直角分支可能有局部合成蛋白质功能,91,分部：轴丘、起始段、固有轴索和轴突终末四部分轴丘:无尼氏体，微管和神经丝丰富，微管集合成束起始段：最细，微管和神经丝丰富、微管集合成束，轴-轴突触固有轴索：髓鞘包绕，线粒体、微管、神经丝、SER和多泡小体。终末：多级分支、串珠样膨大，称终扣(terminalbouton)为突触前成分，含有线粒体和突触小泡,92,神经元的胞浆转运axonaltransplant,胞浆转运功能神经元胞体中合成的结构和功能物质以及有形成分在胞体和外周突起之间，或神经元与周围微环境之间的往返转运。维持神经元的正常结构，为神经的生长发育、新陈代谢提供物质基础；作为神经系统中分子信息传递的重要部分，与神经冲动的电信息相互整和，实现对神经元的调控.分类：顺行轴浆快转运：小泡、线粒体、SER顺行轴浆慢转运：骨架蛋白0.28mm/d逆行轴浆转运：内质网、溶酶体、线粒体、内质体、大致密芯泡,93,神经胶质(Neuroglia)的特点,神经系统的间质或支持细胞。是神经元的10-50倍，约占整个脑重的1/2分布广泛有许多树状突起，但是无轴突，不产生动作电位保持分裂能力调节神经系统的活动。,94,星形胶质细胞astrocyte,数量最多，分布最广泛，富含胶质丝（胶质原纤维酸性蛋白GFAP）。核质均匀，胞质密度稀。存在许多神经递质或调质的受体。有钾、钠、钙、氯和碳酸氢离子通道,95,星形胶质细胞分三型,原浆型胶质细胞（苔藓细胞）：分布于灰质纤维型胶质细胞：分布在白质，放射胶质：分布在胚胎脑室轴、视网膜Muller细胞、小脑Bergmann胶质和脑室系统室管膜周围的伸展tanycyte细胞,96,少突胶质细胞oligodendrocyte,胞体小，胞质内含有较少的胶质丝，富于线粒体、微管、核糖体和高尔基氏器。分为束内细胞，卫星细胞和血管周围细胞，和周围的Schwann细胞形成髓鞘前体细胞可以转化为神经干细胞形成胶质疤痕，分泌抑制再生神经元突起生长的因子,97,施万细胞（雪旺细胞）,扁而薄，呈状包卷周围神经的轴突，是髓鞘形成细胞。在神经再生中起重要作用，它可以产生大量的神经营养物质和其它的细胞因子及细胞黏附分子。,98,小胶质细胞,胞体小数量较少。突起少有少量分支和棘。胞核异染色质多，胞浆少。分布于灰质和白质。可被激活和增生，转变为巨噬细胞，吞噬死亡细胞的碎片和退变的髓鞘。,99,神经通路追踪法NEURALTRACT,荧光色素标记神经束路化学损毁免疫电镜酶或者分子标记结合影像技术（CT,MRI,PET）,100,.,101,突触类型,根据信息传导的方向性，将突触分为：轴-树、轴-体、轴-轴、树-树、树-体等类型；据信息传导的方式，将突触分为：化学突触和电突触。,102,逆行或双向追踪法,Horseradishperioxidase,HRP植物凝集素（PHA）毒素(CT,HSCPrV)生物素或生物素化的葡聚糖（BDA）荧光色素单标，双标，等2DG法,103,PatchandFITC,104,105,Confocalelectronmicroscope(1993)neuronstructuresalive,106,化学损伤技术,轴突切断单胺能和胆碱能毒剂,107,脑功能成像技术,1973年，Hounsfield用电子计算机断层成像技术首次在活体条件下现察到人脑的内部结构。其后MRI，fMRI，PET，SPECT等脑的结构及功能成像技术得到迅速的发展。Phelps建立的PET成像技术能在正常条件下显示出人脑在不同功能活动状态时脑内各种活性物质(氧、葡萄糖等)的代谢变化过程，是脑功能定位成像的重大突破它为研究人的心理及智能活动奠定基础.,108,109,2.化学神经解剖学的研究方法,针对神经递质或调质、受体和离子通道、信号蛋白的研究方法所有分子生物学用于检测基因的研究方法基于抗原抗体的反应的功能蛋白定位检测方法流式细胞仪配体标记法Western-blotting免疫组织化学染色法原位杂交组织化学法等等3.基于神经递质的酶活性的检测方法,110,免疫细胞化学,免疫荧光细胞化学免疫酶法（PAP）ABC免疫组织化学中的交叉反应免疫组织化学染色的对照试验阳性对照阴性对照自身对照吸收试验,111,112,数字荧光图像仪和形态定量研究方法,钙的荧光探针乙酰胆碱酯酶组化染色（AChE）单胺的荧光组织化学(FA)显微分光光度计显微荧光光度计图像分析形态定量研究方法,113,二、21世纪神经生物学可望取得突破性进展的5个新领域的研究进展,114,.,1脑动态神经元功能成像研究,如果能动态显示在不同脑功能状态下每个神经元的兴奋过程，相当于将脑功能成像与无创性单神经元记录相结合，则对人脑功能活动的认识将更加深入。目前脑的功能成像的空间分辨率为毫米级时间分辨率为秒级，远远不能满足脑功能研究的需要。神经元胞体的大小约为20一40微米如果CT的空间分辨率再提高至l0微米的近微米数量级，就可以“看见”单个的神经元。目前工业CT已能达到10微米的分辨率。由于采用电子束扫描技术代替机械扫描，在时间分辨率方面已由每帧1OO秒提高到50ms/帧达到近毫秒级水平。如果医学CT能采用工业CT的一系列先进技术如CCD集成电路检测技术，双能电子束扫描技术等，有可能将空间和时间分辩率再提高一个数量级达到微米和的ms/帧水平（动态显微CT)。,