神经发育及可塑性ppt学习课件.ppt

神经细胞的生长 发育和损伤 修复及再生 1 2 神经发育无疑是自然科学中最具挑战性和吸引力的研究领域之一 它整合包含胚胎学 发育学 组织学 解剖学 分子生物学 细胞生物学 生理学 生物化学及神经生物学等多种学科为一体 今天所讲述的这一章内容只能对其中极小一部分的进展进行描述 仅能勾画出非常粗糙的轮廓 第一节神经元的生长 发育和死亡 一 神经系统的个体发生 3 整个神经系统起源于外胚层 启动于中胚层 4 5 原条 胚第3周初 胚盘尾端正中线的上胚层细胞增生 形成的一条纵行的细胞索 脊索 原结深处的中胚层细胞增殖 并向头端增生迁移形成的细胞索 脊索向头端增长 原条相对缩短 最终消失 6 Neuroscience 神经板 脊索诱导其背侧的外胚层细胞增厚成板状 称神经板 神经管的形成 神经板由单层柱状上皮构成 称为神经上皮 7 Neuroscience 神经板沿中线下陷形成的沟 称神经沟 神经沟两侧边缘隆起 称神经褶 8 Neuroscience 两侧神经褶靠拢并愈合成管状 称神经管 是CNS的原基 分化为脑和脊髓等 神经板外缘细胞迁移到神经管背侧形成细胞索 称神经嵴 是PNS的原基 分化为神经节 周围神经 神经胶质 肾上腺髓质细胞等 9 10 11 问题 为什么神经板选在胚囊的背部形成 而不是其他地方呢 胚胎发育过程中细胞的未来命运取决于周围组织的影响 神经系统则是由非神经性细胞释放出来的信号分子所诱导生成的 胚孔背唇 12 问题 为什么神经板上的外胚层细胞能发育成神经元 而其他地方不能 非洲爪蛙将早期外胚层打散分离成单细胞 将单细胞单独培养 结果 这些单细胞能发育形成神经组织 原因 可能 这些外胚层细胞本身默认的基因调控程序是让他们发育成神经元 存在某种抑制因子 使得神经板以外的外胚层细胞不能向神经元的方向发育 神经板上的细胞必然接受到某些信号 使得它们最终可成为神经细胞 神经褶愈合过程中 头尾两端各有一开口 称前 后神经孔 前神经孔闭合 脑泡后神经孔闭合 脊髓 13 基本保持三层结构 边缘层 白质成神经细胞的轴突套层 脊髓灰质成神经细胞的细胞体室管膜层神经上皮层 两侧壁套层神经母细胞和成胶质细胞的迅速增生而增厚 称为侧板 神经管顶壁和底壁薄而窄 神经管的尾侧段分化 发育为脊髓 腹侧 两基板 灰质前角 侧角 背侧 两翼板 灰质后角 顶板 底板 14 三个原始脑泡是脑的原基 前脑泡中脑泡菱脑泡 15 16 五脑泡阶段 17 18 为什么到脑会在神经管的头端 而脊髓出现其后呢 转录因子决定细胞的命运 Hox蛋白是所有其他转录因子的总操纵者 环境中各种可溶性诱导分子和相邻细胞膜上的信号蛋白对神经细胞的共同作用 例如 Lim 1基因敲除会造成无头的胎鼠 二 神经系统的组织发生 神经系统的形态发生的主要过程 神经诱导 neuralinduction 神经上皮细胞的增殖 proliferation 细胞间的联系 connection 和黏附 adhesion 细胞的迁移 migration 神经细胞的分化 differentiation 细胞群体中特殊联系的建立神经元之间的联系和细胞死亡已建立联系的神经组织的功能发育 19 20 神经诱导蝾螈实验揭示 在胚胎发育过程中细胞的未来命运取决于周围组织的影响 神经系统则是由非神经性细胞释放出来的信号分子所诱导生成的 神经系统发育过程中的三个特点 中枢神经系统源自排列紧密 缺少细胞间质的神经上皮细胞 早期的神经管管壁及后来的室管膜层 在发育过程中 由于细胞间的相互作用导致细胞及其突起的重新配布发育过程中任一精密的时空整合程序均反映了基因及基因外因素的相互作用 其中细胞间的相互作用是起着关键作用的因素 21 参与神经系统发生的主要因子 神经诱导因子 骨形成蛋白 BMP 脊索信号因子 Shh 神经发生基因 delta notch numb神经营养因子 NGF BDNF PDGF CNTFNT 3 4 5 FGF细胞外基质 ECM 神经黏附分子 CAM nogginfollistatinchordin 22 23 神经元结构发展的三个主要阶段 细胞增殖细胞迁移细胞分化 神经元的发生 1 细胞增殖 cellproliferation S期 合成DNA 胞核靠近外侧膜处 M期 有丝分裂 胞核移到靠近管腔的位置 分裂产生的子细胞又移行至外界膜 再合成DNA并重复其增殖周期 分裂后子细胞 daughtercell 的命运取决定很多因素 其中非常重要的是基因表达 geneexpression 的差异性 而基因表达的调控取决于转录因子 transcriptionfactors 的类型 24 室管膜层 边缘层 Thismodeofnervecelldivisionpredominationinearlydevelopment neuronalprecursor Thismodepredominatesinlaterdevelopment neuronalprecursor Thechoreographyofcellproliferation S M G1 G2 25 2 细胞迁移 cellmigration 由靠近脑室的发源地出发 新发育成的神经元向神经管外周迁移 然后定位于不同的层次 神经管闭合后 部分子细胞从管壁顺着放射状胶质细胞 radialglialcells 发出的纤维移行 穿过合成DNA的神经上皮细胞到达靠近外界膜下面 这些称为成神经细胞 neuroblast 他们开始伸出突起 成为树突和轴突的前身 放射状胶质细胞在引导neuron迁徙过程中起着决定性作用 26 放射状胶质细胞 迁移神经元 27 大脑的组织生成 室下区 脑室区 皮质板 边缘区 中间区 端脑 神经管神经上皮显示一种空间梯度的增殖活性 神经元的产生呈现一种 内 外 inside out 层状结构 较早分化的神经元位于皮层的深部 而新近分化的神经元位于皮层的表层 故不论皮层的什么区域 其最内层总是最早分化 而最外层则最后分化 在多层结构的脑皮质区域 较大的神经元先迁移 并形成最内层 顺序向外的层次 由较小的神经元 通过先前已形成的层次迁移 并形成在其外的新的层次 28 Inside out原则 出生迟的神经细胞经过迁移 会超越已定位的前辈们 定居在最外层 由内而外皮质的发育 29 垂直方向上分层水平方向上分层 最终分成6层 30 3 细胞分化 Neurondifferentiation 由一个neuroblast转变成具有neuron特性的多步骤过程 不仅包括形态上的改变 细胞从圆形或卵圆形到有突起 轴突的发生在前 树突的发生在后 更重要的是其内在的变化 设想 大脑中有1011个神经元 一个神经元如何保证只与其中一个或一部分 而不是其他神经元形成联系呢 大象脊髓运动神经元轴突在行走了2m多后如何只作用于脚趾这块肌肉而不是另一块呢 31 二 神经联系的发生 32 细胞骨架 微管 微丝 中间丝微管蛋白 tubulin 运输肌动蛋白 actin 肌球蛋白 myosin 伸缩 转向 1 轴突生长 在神经元发育的过程中 轴突沿着特定的路线生长 延长 并伸向将与它发生突触联系的靶细胞 轴突是靠识别行进道路上的导向分子朝向其正确方向行进的 生长锥 growthcone 神经突发育和再生时轴突末端膨大呈扇形的结构 通过阿米巴样运动引导轴突延伸 有利于轴突的生长 途径的选择 对靶细胞的识别 33 轴突的生长 通路形成的三个阶段 通路选择 pathwayselection 目标选择 targetselection 地点选择 addressselection 34 介导轴突生长的机制轴突生长受到细胞外基质 extracellularmatrix ECM 细胞粘连分子 celladhesionmolecule CAM 及其周围的可溶性物质如生长因子和靶细胞释放的可溶性物质的影响 这些物质可增强和吸引或抑制和排斥生长锥的生长 35 通路选择 集束化 fasciculation 轴突沿着ECM上分子行进 最后生长在一起形成束状结构 36 37 目标选择 依赖于细胞 细胞表面的相互作用 这是通过粘结分子来起到剧集分类和导向作用 生长锥上的粘结分子与现行的神经纤维表面上或者胶质细胞表面上的同类分子粘连在一起 以保证它们沿着正确的方向前进 这些粘连同时也会触发胞内有关的信号处理过程 38 受体和配体相互结合作用是节细胞生长锥使用的第一种导向机制 地点选择 通过受体和配体的结合产生趋向运动 受体分子在不同的部位表达的浓度不同 从而使神经纤维能够精确地到达目的地 39 2 生长锥的崩塌 神经纤维到达终点后必须停止生长 生长锥也必须崩塌 组织中抑制分子和生长锥膜上的受体分子相互作用来完成 他们和造成生长锥的崩塌或者转向 树突晚于轴突长出轴突从支配的靶区中逆行运输一些化学信息 如NTF等 到神经元胞体 启动树突的生长树突发育早期 会出现过多生长和分支 后来通过 修剪 过程 把与功能不相适应的树突分支 修剪 保留其基本分支树突发育的时空规律 胞体大 轴突长的神经元树突发育起始时间早于胞体小 轴突短的神经元树突 3 树突的生长发育 40 41 4 突触的形成 SynapseFormation 哺乳类神经系统发育在经历了神经管的产生 背腹轴和头尾轴的形成 神经细胞的诞生 分化 迁移 轴突的生长延伸 发现靶细胞后 所面临的的任务就是形成突触联系 只有突触形成后 神经元之间才能进行信号处理 42 突触的形成经历三个阶段 发育中的轴突有选择地与靶细胞形成联系 轴突的生长锥分化成神经末梢 靶细胞将必要的构件安排到突触后膜上 这些过程受到许多粘结分子 骨架蛋白等分子的调控 突触形成的影响因素 突触后成分与突触前成分相互作用的结果 Ca2 发挥重要作用蛋白聚集素 agrin 在突触形成过程中发挥正性调节的作用 当生长锥接触到相应target后即形成了突触 在发育过程中 突触后成分发育在前 突触前成分发育在后 43 5 突触的消退 EliminationofSynapses 程序性突触形成Programmedsynapseformation突触形成的启动是按照一个明确不变的程序发生的 突触是突然出现 随后迅速增多 并形成过量的突触 最后多余无用的突触迅速消失 在CNS发育期间 突触的消退被认为是一种消除错误结构的机制 有利于neuron之间相互作用及其功能发挥的有效性考虑 消除一些与功能不相适应的synapse 确定最后有用的结构是很必要的 通过neuron之间的相互作用 选择性促进neuron之间可以共存和依赖的结构发育 这样可以使得CNS的功能和该动物的生存环境更加匹配 44 6 活动依赖的突触重派ActivityDependentSynapseRearrangement 突触重派是神经活动及突触传递的结果 神经活动是驱动皮质内神经环路发育的重要因素 同时也是突触联系通路三个阶段中addressselection中的最后步骤 45 46 突触容量保持不变的情况下 神经元从一种突触方式改变为另一种突触方式 称为突触重排 突触重排是轴突定位选择过程的最后一步 通路形成早期步骤主要受遗传控制 而突触重排却是活动依赖性的主要发生于出生后 并且受到婴幼儿感觉经验的深远影响 突触重排包括突触分离 突触汇聚和突触竞争 神经元联系最终模式的建立与下列的五个过程有关轴突的长出 选择合适的途径到达正确的靶细胞树突的长出 并形成特定的树突形态轴突选择特定的靶细胞除去不正确的和多余的突触和轴突及树突的分枝 并剔除错配的神经元突触联系最终模式的功能性改造 47 48 7 突触联系的精细调制 在神经系统发育过程中 第一步是产生足够数量和各种类型的神经元 第二步是它们的包体迁移到合适的核团或皮层亚层中 第三步神经元的轴突延伸 生长 投射到合适的位置上 第四部与靶细胞形成突触联系 大脑皮层神经元之间的联系由两个基本不同的发育程序即分子线索和神经活动获得 分子线索控制神经元的身份 引导轴突从特定周围区投射到靶区并激发突触联系的形成 然而突触接触一旦形成 他们的继续发育与成熟则主要取决于突触前后成分之间的协调的神经活动 49 三 神经元的程序性死亡 programmedcelldeath PCD PCD多是指发育过程中自然出现的或生理性的细胞死亡 凋亡 apoptosis 多是指由各种外源性因素诱导的或病理情况下 如脑缺血 脑损伤 的细胞死亡 细胞坏死 necrosis 多发生在突然及严重损伤的情况下 如感染 严重缺血等 其形态学特征与PCD和apoptosis不同 50 第二节神经的损伤 修复与再生 51 一 中枢神经的损伤 修复与再生 传统认为 只有周围神经系统损伤后能够再生 中枢神经系统损伤后不能再生 现发现中枢神经在合适条件下能够再生 1928年 Cajal断言 CNS一旦发育完成 神经元损伤后不能再生 1958年 Liu Chambers的实验 证明了成年哺乳动物的CNS具有较大的可塑性 可以再生 52 1 影响中枢神经再生的主要因素 1 胶质瘢痕 glialscar CNS损伤后 受损神经纤维发生溃变 星形胶质细胞反应性增生 当清除溃变产物后 以其突起充填遗留的空隙 形成致密的glialscar 尽管反应性胶质细胞能释放NGF 刺激神经元的生长和再生 但glialscar构成的屏障阻止轴突的生长 使再生流产 53 2 缺乏诱导结构 PNS中的雪旺细胞有引导轴突生长的作用 CNS没有雪旺细胞 而少突胶质细胞有抑制神经元突起生长的作用 3 产生神经生长抑制因子 NGI 如少突胶质细胞的NI 35 NI 250 星形胶质细胞的cytotactin tenascin CT 和chondroitin sulfate keratansulfateproteoglycan CS KS PG 54 2 CNS损伤性和退行性疾病治疗的主要策略 可能机制 Schwann可提供适当的神经营养因子 可能有引导中枢神经再生轴突的延伸 1 周围神经移植物的中枢移植 如坐骨神经段的视网膜移植 脊髓移植等 55 2 中枢神经组织的异体移植 脑移植 以供体胎脑组织为移植物 植入宿主脑内 从而代替受损的神经元 影响脑移植成功率的因素 供体的胎龄 胎龄越小 移植后存活率越高 最好能获取尚未发出轴突的神经上皮细胞群移植物 已处于成神经细胞阶段的组织增殖力低 56 移植部位 最常用部位 脑室三要素 a 能使移植物易于形成血管b 能充分接触脑脊液C 有足够的生长空间 移植方法 注射移植法预制腔移植法 免疫因素 宿主对移植物的免疫排斥作用 同种移植弱于异种移植 幼年期宿主的排斥率较低 57 3 干细胞移植 以具有多向分化潜能的神经干细胞 NSC 或骨髓间充质干细胞 MSC 作为移植物 植入CNS 给以合适的条件 调控其分化为神经元 MSC的优点 具有多向分化潜能 可分化为成骨细胞 软骨细胞 成肌细胞 脂肪细胞 神经元 神经胶质细胞 心肌细胞等 免疫原性弱 具有特异的移植后免疫耐受性 自我更新能力强 来源丰富 取材方便 58 二 周围神经的损伤 修复与再生 59 神经元对损伤的反应 远侧段神经纤维的顺行性溃变 Waller溃变 近侧段神经纤维的逆行性溃变 间接Waller溃变 细胞体的变化 轴突反应跨神经元溃变 Waller溃变 轴突的变化 先是线粒体的局部堆积 随之细胞器发生颗粒性分解 后来轴突肿胀 断裂 溶解 最后被吸收 髓鞘的变化 收缩 断裂 清除 细胞体的变化 胞体 胞核肿胀 尼氏体溶解或消失 60 周围神经的再生 再生的条件 胞体存活 轴突基膜完整 围成神经膜管 神经上皮发育为成神经细胞后 即失去合成DNA的能力 故神经元一旦受损 不能以细胞分裂的方式进行修复 只能是周围神经纤维再生 再生的机制 1 雪旺细胞增殖 形成Bungner带雪旺细胞的作用 吞噬溃变的轴突和髓鞘 合成和分泌多种NTF 合成和分泌ECM 2 轴突的芽生 61 62 第三节神经营养物质 63 NGF的发现者Levi Montalcini Cohen获1986年诺贝尔生理学奖 NTF 64 NTF与神经元的存活 死亡与再生 发育期神经元的存活 65 一 神经营养素家族 1 神经生长因子 NGF 分布 主要集中在海马等脑区 大部分Ach能神经元为NGF阳性神经元 主要功能 促进外周感觉神经元 交感神经元的分化和成熟 促进脑内胆碱能神经元的发生 存活 损伤的保护和修复 66 2 脑源性神经生长因子 BDNF 分布 分布广泛 是脑中含量最多的NTF 主要功能 促进感觉神经元 运动神经元 DA神经元 基底前脑Ach能神经元的生长 分化和存活 67 二 其他神经营养因子 主要功能 促进大多数来源于中胚层和神经外胚层细胞的分裂增殖 包括成纤维细胞 神经元等 对神经元 神经胶质有营养活性 参与神经元的保护和神经纤维的再生 如bFGF能维持脑内ach能神经元的存活 FGF 1 酸性成纤维细胞生长因子 acidicFGF aFGF FGF 2 碱性成纤维细胞生长因子 basicFGF bFGF FGF 3 7 1 成纤维细胞生长因子 FGF 68 主要功能 刺激皮肤和中胚层细胞的生长 加速胶质细胞的增殖 细胞培养实验中 能增加神经元的存活时间 促进轴突生长 2 上