神经系统发育课件.ppt

神经系统发育 神经发育是神经科学中一个非常重要的组成部分 它是一门探索单个细胞如何发育成一个能够执行各种高级功能的极其复杂的神经网络 以及这个过程中存在什么奥秘 特征和调控机制 从而揭示大脑这一自然界中最神奇的产物是如何形成的学科 神经系统 神经系统是机体内起主导作用的系统 分为中枢神经系统和周围神经系统两大部分 脑 大脑 小脑 间脑 中脑 脑桥 延髓 中枢神经系统脊髓 31个节段包括颈8 胸12 腰5 骶5 尾1 神经系统脑神经 12对 周围神经系统脊神经 31对 神经系统的功能 神经系统调节和控制其他各系统的共功能活动 使机体成为一个完整的统一体 神经系统通过调整机体功能活动 使机体适应不断变化的外界环境 维持机体与外界环境的平衡 人类神经系统高度发展后 不仅能被动地适应外界环境的变化 而且能主动地认识客观世界 改造客观世界 使自然界为人类服务 神经系统具有极其复杂和精密的结构及功能 决定了它在胚胎发育中将经历极其精细的构建过程 神经系统发育的核心 包括所有神经细胞的发生 增殖过程 从产生地点到达最后定居位置的迁移过程以及在上述过程中这些细胞的分化决定 神经系统功能的建立还要依赖于神经元之间及其与靶组织之间相互作用形成的精密的连接 一 神经系统的形态发生神经系统的主要成分来源于神经胚的三个部分 神经管 神经嵴和外胚层板 在形态发生中神经管和神经嵴是神经胚形成的两个产物 外胚层板由胚胎头部特定区域的外胚层增厚单独形成的 第一节神经系统的组织发生 第一节神经管的形成 从水螅简单的网状结构神经组织到布满沟回的人类大脑 神经系统的结构和功能存在着巨大差别 但是在发育的过程中 也有很多共同的特征 以脊椎动物为例 首先单细胞的受精细卵经过不断的分裂 增殖 形成由多细胞组成的圆形中空的囊胚 blastula 囊胚进一步分化 发育成原肠胚 gastrula 这时这个圆球拉长 外壳演变成3层 分别是外胚层 ectoderm 中胚层 mesoderm 和内胚层 endoderm 而且在背部中线处 由中胚层细胞形成一个贯穿前后的柱状关键结构 脊索 notochord 神经系统最早起源于原肠胚背部外胚层细胞组织的神经胚化 neurulation 以两栖类 爬行类 鸟类和哺乳类为例 首先脊索上方的外胚层增厚 由于从前到后中线两侧的细胞增殖较快 使得神经外胚层形成板状形态 称之为神经板 neuralplate 随后神经板两侧继续上隆 形成神经褶 neuralfold 而中央部分在两侧组织的挤压下 下凹形成沟状 称之为神经沟 neuralgroove 随后沟两侧上部进一步靠拢并愈合在一起 形成一个中空的管状形态 与此同时 管的顶部细胞离外胚层 而两侧的外胚层细胞则又重新融合在一起形成完整的个胚层 陷进外胚层和脊索中间的管道则称为神经管 neuraltube 这时的胚胎称为神经胚 神经系统由此诞生 第二节神经管的分化 神经系统发育的第二步是神经管的继续分化 在解剖水平上 它的内腔各部位或膨胀 或压缩 最终形成大脑 brain 脊髓 spinalcord 和各个腔室 在组织水平上 神经管管壁的细胞经过不断的重组 迁移发育成大脑和脊髓各个不同的部位的组织 在细胞水平上 神经上皮细胞自身分化成种类繁多的神经细胞和神经胶质细胞 在这段发育过程中 细胞的增殖非常快 神经管的形状发生了急剧的变化 一 三脑泡阶段 二 五脑泡阶段 三 成熟阶段 在发育过程中这些脑泡膨胀得非常快 鸡胚胎脑的体积在3天到5天内增长了30倍 什么是这些快速增长的动力呢 现在发现这不是由于组织增长的快 而是由于脑腔室的体积快速变大所致的 由于脑室里液体存在一个正压 它迫使神经管壁快速向外扩增 从而为脑组织的成型曲折提供外部驱动力 因此神经管的关闭极其重要 事实上很多神经系统在发育中出现问题就是由于神经管不能关闭所造成的 为什么大脑会出现在神经管的头端 而脊髓出现其后呢 这种多头到尾出现不同的结构模式的由什么样的机制调控呢 大量的工作表明这是由于 粗糙的 节段性的体节形成与细胞内Hox基因 Homeoboxgene 这样的同源盒基因簇表达有关 这些Hox蛋白是所有其他转录因子的总操纵者 它们在不同的体节处有不同的表达组合 从而可控制下游基因根据体节的需要表达相对应的蛋白 细节处则取决于环境中各种长程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 第三节中枢神经系统组织构型的建立 在经历了两个阶段以后 中枢神经系统发育进一步细化 其特点是出现具有各种功能的组织结构 神经元要么被安排形成大脑皮层的不同亚层 要么集合在一起形成神经核团 nuclei 那么 从最初单一细胞层的神经管上皮 发育成不同层次 不同功能的神经组织这样一个命运变化的过程具有什么样的特征和调控机制呢 一 神经细胞的迁移神经管最初是单一细胞层 由神经上皮细胞迅速分裂成的神经干细胞 neuralstemcell 组成 不过由于这些细胞的核位于细胞内不同高度上 所以神经管这时看起来好像已有很多层 细胞核在细胞内不是静止不动的 它们沿着细胞长轴不断地上下移动 细胞处于DNA合成期 S期 synthesisphase 时 细胞核位于神经管剖面的外端 随着细胞继续进行有丝分裂 细胞核由外向内侧面 luminalsurface 即由上向下移动 当处于有丝分裂期 M期 mitosisphase 时 细胞核移动到神经管的内壁一侧 二 脊髓和延髓的组织生成随着神经管内壁附近的细胞持续分裂 那些迁移中的细胞在原来神经管周围形成了第二层细胞层 并且由于不断地有新细胞从原始神经上皮中迁移过来 这层变得越来越厚 这们称这一新的细胞层为外套层 mantlezone 而原来的原始上皮 germinalepithelium 组织则被称为腹腔层 VZ 后称之为室管层 ependyma 这个区域也是未来神经干细胞的主要来源处 外套层的细胞分化成神经元和胶质细胞 神经元一方相互之间构成各种联系 另一方面它们的轴突 axon 投射到表层 形成缺乏细胞胞体的边缘层 marginalzone 最后边缘层内的轴突被胶质细胞包裹 形成髓鞘 由于它们看起来是白色 所以称之为白质 whitematter 而外套层的神经胞体看起来是灰色 所以相对称为灰质 graymatter 三 小脑的组织生成小脑 cerebellum 与脊髓不同是的 在完成3层结构后 神经元的迁移并没有停止 其中一部分神经前体细胞 neuronalprecursor 进入边缘层集合在一起形成神经核团 功能上起到在小脑外表层和大脑其他部分之间传递信息的作用 另一部分来自原始神经上皮的神经前体细胞 也称为成神经细胞 neuroblasts 则迁移到小脑的外表层 形成外颗粒层 externalgranulelayer 这层外端的成神经细胞继续分化 而内端那些已停止有丝分裂的成神经细胞则成为小脑皮层颗粒神经元 granuleneurons 的前体 这些颗粒神经元没有停止在原处 它们又迁移返回到正在发育的白质中 形成内颗粒层 internalgranulelayer 同时浦肯野细胞分泌Shh 音猬因子 这会有益于外颗粒层中颗粒神经元前体细胞的分化 四 大脑的组织生成大脑 cerebrum 组织有两个特征 垂直方向上分层 水平方向上分区 垂直方向上 从外套层出发的成神经细胞沿着胶质细胞的长突起 glialprocess 穿过白质到达脑的外表层 在那里形成第二区 secondzone 这一层新的灰质称为新皮层 neocortex 它最终又分成6层 依次为 分子层 外颗粒层 锥体细胞层 内颗粒层 神经节细胞层及 多形细胞层 水平方向上 大脑皮层根据细胞的组织形态和功能又分成不同的40个区 神经连接的形成 为了执行传递和加工信息的功能 神经系统依赖神经元与外围靶器官之间形成高度特异的相互连接 在发育之初 神经元完成了组织形态发生和迁移到合适的位置后 还须构筑它们的轴突和树突 并形成二者及其与其他非神经细胞之间的连接 以执行其功能 轴突和树突的形成 神经突起从细胞体向外生长的位点是由该细胞本身固有的因子决定的 形成突起的数目也是由细胞内在的因素调节的 神经元的细胞骨架或细胞器可能在神经元突起的起始位点的调节中起一定的作用 因为神经元形成突起的位置出现这些细胞结构成分的聚集 神经突起的伸长 神经元轴突和树突的伸长需要新的细胞膜 原生质和细胞骨架成分一起附加到生长的突起中 新膜被附加到突起的顶端 而细胞质和细胞骨架的成分被附加到突起的基部 在培养神经元的轴突伸长期间 分支间的距离保持不变 表明轴突的生长是其顶端伸长的结果 神经元轴突和树突生长的末端被称为生长锥 它是一种高度能动的细胞结构特化形式 生长锥呈薄扁平膜状 伸出一些细长的丝状伪足作为其延伸部分 在生长锥中有许多小泡 轴突的生长锥 生长锥在离开细胞体后 几乎完全被与环境的相互作用所引导 当伪足遇到不利情况时缩回 遇到有利地带时 就停留下来 而轴突将沿这个地带生长 到发育的晚期 随后的神经纤维与先驱神经纤维结合成束共同进入靶组织 神经纤维到达终点后必须停止生长 生长锥也必须崩塌 collapse 这个过程由组织中抑制分子semaphorin和生长锥膜上的它们受体分子neuropilin和plexin相互作用来完成 树突的发育和分化 轴突离开细胞体后不久主要根据组织环境进行生长定向 树突的向外生长是由神经元固有的因子决定的 较少受组织环境影响 树突的发育 在发育的时间上 树突往往与传入神经的生长和突触连接的形成平行发育 二 树突的分化 某些神经元在缺少传入纤维的神经支配或正常的传入神经受到严重的破坏时 仍有能力发育出正常的树突分支 一个树突的一般形态是由其本身固有的因素决定的 而树突较精细结构的建立依赖于与传入神经持续的相互作用及其功能活动 局部地域有序投射形成的特异性 生长的轴突到达其靶区以后 它们扩展开并找到各自特异的靶区位点 形成局部地域有序投射 某些物种神经轴突的局部地域有序投射起初并不是精确的 但发育后期的连接却是精确的 因此认为 有序连接的建立是轴突和它们靶组织间的相互作用的结果 即局部地域有序投射的建立是与突触连接的形成同时发生的 发育期间突触连接的重排 突触的消失和稳定在成熟的哺乳动物中 单个的肌纤维通常与一个运动神经的突触终末相连接 但在发育的早期 肌纤维可能接受几个轴突的神经支配 在发育期间除一个轴突被保留外 其他的都消失了 突触的竞争 在神经 肌肉连接发育期间 那些激活肌肉较有效的纤维是稳定的 而那些效力较小的纤维将消失 第七节神经系统的损伤和再生 一 神经损伤因为神经元有很长的轴突和相对较小的胞体 所以在大部分情况下神经损伤会首先造成轴突断裂 axotomy 断裂开的远端轴突片段会逐步慢慢地 不可逆转地开始出现退化 degeneration 这是因为