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第十二章神经系统的发育 第一节脊椎动物中枢神经系统的图式形成第二节神经系统的组织分化第三节神经连接的形成 第一节脊椎动物中枢神经系统的图式形成 一 中枢神经系统前 后轴的形成二 脊髓背 腹轴的图式形成 一 中枢神经系统前 后轴的图式形成 一 中枢神经系统发育 二 中枢神经系统前 后轴图式形成机制 一 中枢神经系统发育 1 由外胚层发育而来 外胚层在脊索的诱导下形成神经板 由组织者产生的BMP抑制因子诱导产生 神经板卷折成神经管 神经管前端发育为前脑 中脑和后脑 后部神经管发育为脊髓 2 来源于神经胚的3个部分 神经板 神经嵴和外胚层基板 神经板形成中枢神经系统的主要结构 神经嵴和外胚层基板形成于神经板和外胚层的交界区域 参与周围神经系统 外周神经节 头部感觉器官等 的形成 3 神经管形成的2种方式 1 初级神经管形成 神经板中央凹陷 两侧形成神经褶 神经褶在中轴背侧及前后封闭形成神经管 大多数脊椎动物的神经管形成属于此方式 2 次级神经管形成 神经细胞先形成实心的细胞索 进而中空形成神经管 鱼类完全属于此 而两栖类 鸟类和哺乳类的尾部神经管的形成属于此方式 缺陷 无脑 脊髓裂 脑膨出等 上一页 结束放映 下一页 投射纤维 图6脑泡的发生和演变 图8人胎儿左大脑半球 上 外侧面下 内侧面 6周龄 9周龄 二 中枢神经系统前后轴图式形成机制 1 脑和脊髓区域分界基因和因子1 脑和脊髓的分化由后部化因子和后部抑制因子调节后部神经结构形成 后部化因子 Wnt FGF 视黄酸 RA 由后 向前形成一个递减的浓度梯度 调节后部神经结构的形成脑区形成 前端Wnt信号被spamann组织者产生的抑制因子 Dikkopf1 FrizB 所抑制 脑部图式形成2 前 中后脑分界由Pax6与Pax2表达决定3 中 后脑分界由Otx2与Gbx1表达决定4 后脑与脊髓的分界由hox基因决定 图12 1 二 中枢神经系统前后轴图式形成机制 2 峡部组织者形成的分子机制峡部位置和功能 峡部 IsO 位于中 后脑的交界处 峡部组织指导中后脑的形成 1 峡部位置确定因子 由转录因子Otx2和Gbx2在神经板期表达确定2 转录因子激活 头部中 内胚层信号激活Otx2和Gbx2表达3 Gbx2转录因子调控 后部化因子可能参与Gbx2的调控4 pax2和En的调控 头部中胚层的FGF4因子可能参与了pax2和En的调控5 pax2和En的表达 随后转录因子Engraild En 和Pax2在峡部前后表达 6 FGF8的表达在峡部后脑一侧表达 En和Gbx2可诱导FGF8的表达 Otx2则抑制FGF8的表达 所以FGF8只有在峡部后脑一侧表达 7 FGF8诱导中脑表达Wnt1 FGF8进而诱导中脑细胞表达Wnt1 8 En从峡部向前和向后分别形成浓度梯度 确定中后脑的极性和脑部的进一步分化 9 Wnt1主要促进细胞分裂和维持En的表达 图12 2 图12 3 9 6 2 4 5 9 2 2 6 二 中枢神经系统前后轴图式形成机制 3 后脑分节及图式形成的分子机制 图12 4 1 菱脑节分节与命运 后脑由前 后分为8个菱脑节 是暂时结构 发育后期逐渐消失 部分由后脑产生的结构仍然保持分节 2 菱脑节分节的转录因子 1 区域特化因子 转录因子Krox20在预定3和5菱脑节中最早表达 转录因子Kreisler在预定5 6中菱脑节表达 2 菱脑节的建立 图12 4 Ephrin信号途径决定菱脑的特化 Ephrin信号途径受体为Eph家族酪氨酸激酶 其配体为一类膜结合型配体 其中A类配体通过糖磷脂酰肌醇连于细胞膜上 B类配体为跨膜蛋白 ephrin B2 ephrin B3主要在偶数菱脑节中表达 EphA4 EphB2 EphB3主要在奇数菱脑节中表达 从而建立明确的节间界限 3 菱脑节的分化 图12 5 Hox基因使菱脑节分化 小鼠的hox基因与果蝇的同源异形复合体同源 小鼠共有39个hox基因 分别位于不同染色体上的4个基因簇中 每个基因簇中包括9 11个基因 hox基因沿胚胎前后轴表达区域 时间和对视黄酸的敏感度与其在染色体上的排列次序呈线性关系 越靠近3 端的基因表达区域越靠前 开始表达越早 对视黄酸诱导越敏感 hox基因第1 4同源组基因在菱脑节相互嵌套特异性表达 菱脑节1不表达hox基因 hox基因中4 13基因在脊髓中表达并决定脊髓的前后轴分化 hox基因也参与了体节前后轴的图式形成 二 脊髓背 腹轴的图式形成 一 小鼠和鸡的脊髓神经元类型脊髓背侧区域依次产生6种中间神经元 dl1 dl6 腹侧形成运动神经元和4种腹侧神经元 V0 V3 图12 6 二 脊髓背腹轴的图式形成机制1 BMP和Shh调节脊髓背腹轴分化1 BMP在脊髓最背部的顶板及其上方的外胚层组织中表达 其活性沿背腹轴形成递减的浓度梯度 参与不同神经细胞的分化 Shh Sonichedgehog 信号在脊髓腹侧的基板和下方的脊索中表达 其活性从腹侧 背侧形成递减的浓度梯度 参与脊髓腹侧神经元的特化 脊索分泌chordin和Noggin等BMP抑制因子调节神经管的图式形成 Wnt参与背部神经细胞的分化 图12 6 顶板和外胚层分泌BMP 底板和脊索分泌shh 激活 抑制 抑制 激活 2 BMP和Shh调节脊髓区域划分 BMP和Shh调节脊髓背 腹轴不同位置的基因表达 将脊髓划分为不同的区 1 Shh抑制背部特异性基因 Pax6 Pax7 Dbx1 Dbx2 Msx1和Irx3 的表达 而激活腹部特异性基因 Nkx2 2 Nkx6 1 Nkx6 2和Oligo2 的表达 2 BMP则促进背部神经元特异性基因的表达 而抑制腹部特异性基因的表达 图12 6 3 原神经基因促进细胞转化为神经元 1 原神经基因抑制其周围细胞分化为神经元 原神经基因编码bHLH转录因子 即Ngn Mash Math家族因子 其中Ngn在腹侧表达 Mash Math在背侧表达 图12 6 作用机制如下 原神经基因的作用机制 原神经基因通过Notch信号途径介导侧向抑制相邻细胞中原神经基因 原神经基因激活Notch的配体 Delta 配体与Notch受体结合 抑制相邻细胞中的原神经基因 图12 7 激活神经元分化相关基因 抑制神经胶质细胞分化因子 激活依赖周期蛋白激酶抑制因子 3 原神经基因促进细胞转化为神经元 2 促进细胞分化为神经细胞 抑制其发育为神经胶质细胞原神经基因激活neuroD math2 Ebf3的神经元分化相关基因 促进其发育为神经元 而抑制BMP和CNTF胶质细胞分化因子 抑制其发育为神经胶质细胞 图12 7 3 调节细胞周期 神经细胞分化时会退出细胞周期 原神经基因会抑制细胞分裂而促进其分化 可能通过间接激活依赖细胞周期蛋白激酶抑制因子的表达来实现 图12 7 第二节神经系统的组织分化 一 神经管细胞的增殖二 神经管细胞的迁移三 神经上皮的分化四 中枢神经系统的组织分化 一 神经管细胞的增殖 1 神经细胞和神经胶质细胞2 神经管细胞的增殖3 神经管细胞的分裂方式与调控因子 1 神经细胞和神经胶质细胞 神经细胞由神经元和神经胶质细胞组成 神经元是高度特化的细胞 具有感受刺激和传导兴奋的功能 是高等动物结构和功能的基本单位 人类有1000亿个神经细胞 其中大脑皮层140亿 分为感觉神经元 运动神经元和中间神经元神经胶质细胞是神经组织中另一大类细胞 起支持 保护 营养 修复和形成髓鞘的功能 中枢神经系统有星形胶质细胞 少突胶质细胞 小胶质细胞和室管膜细胞 周围神经系统包括雪旺氏细胞和神经节卫星细胞 神经胶质细胞比神经元多10 50倍 2 神经管细胞的增殖 神经管上皮由假复层上皮 神经上皮 构成 其内外侧面覆有内外界膜 细胞基底面附着于管腔面 神经细胞的增殖有一个在神经管底壁内往返迁移的过程 分为分裂期 M期 和分裂间期 G1 S G2 图10 1 M期 M期细胞体接近管腔 内壁 处 顶部胞质突起脱离神经管外壁 基底部胞质突起缩短 G1期 M期的细胞体离开管腔向外移动 从细胞体上伸出突起附着于神经管的内外侧壁 S期 当细胞体移至接近神经管外侧壁时为S期 G2期 细胞体又从接近神经管外侧壁的位置移向接近管腔内表面时 为G2期 3 神经管细胞的分裂方式与调控因子 1 神经细胞早期 垂直分裂占优势 分裂后产生的2个子细胞仍然保留在脑室层继续分裂增殖 2 后期 以水平分裂为主 脑室远端的细胞开始向外迁移 失去分裂能力 其余的子细胞则停留在脑室层继续分裂 3 细胞命运由某些转录因子的不对称分配决定 Notch 1与Numb分别位于脑室层神经细胞的两极 当细胞水平裂时 Notch1被分配到需要迁移离去的子细胞中 Numb则留在继续分裂的子细胞中 细胞垂直分裂时 Notch 1与Numb对称分配到2个子细胞中 Notch1能激活某些基因表达 使细胞停止分裂 二 神经管细胞的迁移 1 外套层形成 NC不断分裂增殖 部分细胞迁移至神经上皮的外周 成为成神经细胞 neuroblast 之后神经上皮又分化出成神经胶质细胞 glioblast 也迁移至神经上皮的外周 并在神经上皮的外周由成神经细胞和成神经胶质细胞 构成一层新细胞层 为外套层 mantlezone MZ 或中间层 intermediatezone IZ 图12 9 12 10 2 室管膜层形成 此时原位的神经上皮停止分化 变成1层立方形或矮柱状细胞 称为室管膜层 图12 9 12 10 3 边缘层形成 外套层的成神经细胞很快由圆形长出突起 并伸出外套层外周形成一层新的边缘层 外套层中成神经细胞分化出成星形胶质细胞和成少突胶质细胞 并有部分细胞进入边缘层 4 外套层中 含有细胞体 染色较深的 为灰质 而含有轴突和树突的边缘层不容易着色 为白质 5 迁移 NC沿神经胶质C的形成的辐射状突起 为辐射纤维 迁移 大脑发育中约有1 3的成神经细胞水平迁移到皮层 当细胞迁移完成时 辐射纤维即缩回 图12 10 图2 图2神经上皮的早期分化 三 神经上皮的分化 1 神经细胞的分化2 神经胶质细胞的分化3 神经细胞的结构和分类 1 神经细胞的分化 1 神经上皮C分化为神经细胞和神经胶质细胞 当C开始迁移时 神经细胞不再具有分裂能力 而神经胶质细胞则具有终身的分裂能力 2 在外套层中 神经细胞和神经胶质细胞无形态差异 为无极成神经细胞 以后发出2突起 成为双极成神经细胞 之后双极成神经细胞朝向管腔的一侧的突起退化消失 成为单极成神经细胞 伸向边缘层的1个突起迅速增长 形成原始轴突 单极成神经细胞的内侧端又形成短突起 为原始树突 为多级成神经细胞 图12 11神经上皮细胞的分化 图12 11神经上皮细胞的分化 2 神经胶质细胞的分化 神经胶质细胞的分化晚于神经细胞 分化出成星形胶质细胞和成少突胶质细胞 成星形胶质细胞分化为原浆型和纤维型星形胶质细胞 成少突胶质细胞分化为少突胶质细胞 图12 11 图12 11神经上皮细胞的分化 四 中枢神经系统的组织分化 1 神经管的总体分化2 大脑皮层的组织分化3 小脑皮层的组织分化4 非层状结构中的组织发生 1 神经管的总体分化 1 整体分化情况 1 整体水平 神经管头段形成脑 尾段形成脊髓 神经管的管腔将形成脑室及脊髓中央管 2 组织水平 神经管壁的细胞群以各种不同方式迁移和重排形成脑和脊髓的不同功能区 3 细胞水平 神经上皮细胞分化为各类神经元和神经胶质细胞2 脊髓和延髓 保留了神经管的室管膜层 外套层和边缘层结构 脊髓灰质 外套层 发育为被白质 边缘层 包裹的蝴蝶状 室管膜层形成立方形的室管膜上皮细胞 包在中央管的周围 界沟出现 沿脊髓两侧中线各出现1条纵沟 为界沟 将脊髓分成背腹两部分 背部接受从感觉神经元的传入冲动 腹部涉及产生各种运动神经元 图5脑的概况和脑干的位置 脑分为 延髓 脑桥 中脑 小脑 间脑 端脑六部分 脑干位于颅后窝 在斜坡之上 图7脑冠状切面 图8 3大脑皮质光镜图 图8脊髓及其断面图 2 大脑皮层的组织分化 1 原皮层 旧皮层和新皮层的形成 根据出现的早晚 海马和齿状回最早出现 为原皮层 随后 纹状体外侧 大量成神经细胞聚集并分化 形成梨状皮质 为旧皮质 之后不久神经上皮分裂增殖 分批分期的迁移至表层并分化为神经细胞 形成新皮层 2 大脑的组织分化 神经上皮分化为室层 外套层和边缘层后 外套层中的一些C向外迁移形成中间层 中间层的外层 由最早迁移来C构成 形成皮层板 发育为新皮质 分子层I 外颗粒层II 锥体细胞层III 内颗粒层IV 节细胞层V和多形细胞层VI 外套层的一些细胞迁移到外套层与脑室层之间 形成脑室下层 室层和脑室下层分别则发育为室管膜层和亚室管膜层 边缘层参与形成分子层 图10 7 3 大脑皮层形成中的内外组装模式 除分子层由最早迁移达皮层板的C形成外 其余5层与迁移早晚相反 由早 晚分别形成VI II层 图10 9 图12 12 3 小脑皮层的组织分化 1 小脑的发生 小脑起源于后脑翼板背侧部的菱唇 左右两菱唇在中线融合形成小脑板 为小脑的始基 第12周 小脑板向外侧膨大 形成小脑半球 板的中部变细形成小脑板蚓部 之后有一条横裂从小脑蚓部分出小结 从小脑半球分出绒球 绒球和小结组成原小脑 与前庭系统的联系 2 小脑组织的发生 小脑板起初由脑室层 外套层和边缘层组成 神经上皮增殖并通过外套层迁移到小脑板的外表面 形成了外颗粒层 细胞增殖形成小脑叶片 6月后 外颗粒层分化 部分细胞内迁分化为颗粒细胞 位居颗粒细胞的深面 构成内颗粒层 套层的外侧细胞分化蒲肯野氏细胞和高尔基细胞 为蒲肯野氏细胞层 内侧的成神经细胞则聚集成团 分化为小脑白质中的核团 如齿状核等 外颗粒层因大量细胞迁出而变薄 留下的细胞发育为星形细胞和蓝状细胞 形成小脑的分子层颗粒层 原来的内颗粒层发育为颗粒层最终 小脑皮质分化为分子层 蒲肯野氏细胞层和颗粒层 10 7 10 10 4 非层状结构 核团 中的组织发生 成神经细胞在脑室较深的层中 形成核团 每个核团都是一个功能单位 核团的形成呈现由外 向内的细胞装配模式 称为包裹模式 第三节神经连接的形成 一 神经突起的发育二 轴突生长的导向三 突触形成 一 神经突起的发育 1 轴突和树突的形成2 生长锥 1 轴突和树突的形成 轴突和树突在细胞体上的生长位点和生长方向以及突起的数目均由细胞所固有的因子决定 可能与细胞骨架和有丝分裂有关 2 生长锥 growthcone 1 生长锥 growthcone 定义 生长锥指神经元的轴突与树突的生长末端 是一种高度能动的细胞结构的特化形式 2 组成 主要由3部分组成 1 中心部 含有丰富的微管 线粒体和囊泡 囊泡可能为新合成的膜 2 板状伪足 生长锥前沿由薄层平板膜构成 为板状伪足 可能有节奏的起伏运动并形成生长锥的特征性皱褶 3 丝状伪足 从板状伪足伸出一些细长的丝状伪足 丝状伪足为感觉结构 膜上含有诱导信号分子受体 伪足的细胞骨架为微丝 通过探索其周围有利环境而生长 因此轴突伸长 图12 14 二 轴突生长的导向 1 向触性2 基质粘连性3 向电信4 向化性5 生长路线标记6 多重引导的线索 二 轴突生长的导向 一 轴突生长的导向类型1 向触性 轴突沿一定表面结构生长称之为向触性 stereotropism 例如轴突沿室管膜神经胶质细胞表面穿过神经上皮产生的基质生长 2 基质的粘连性 轴突沿着粘连性较高的基质区域生长 如中枢神经的纤维束的形成 3 向电性 轴突向电场存在的区域生长 4 向化性 轴突向靶细胞释放的化学物质的高浓度区生长 如NGF引导生长锥向靶C分泌的NGF高浓度区生长 NGF与生长锥的受体结合经一系列的信号转导到达核周质 使轴突到达靶细胞并存活下来 图10 27 二 轴突生长的导向 5 生长路线的标记物 轴突沿生长路线上存在的化学标记物生长 如运动和感觉神经元沿生长路线上的NGF和CAMs标记物分别进行近距离和远距离生长 图 6 多重引导的线索 轴突生长受许多综合因子的相互作用 最终到达靶区 例如 脊神经的生长中 从几个体节产生的运动神经元从脊髓生出时就混在一起 形成脊神经 在到达一个神经丛后沿不同路线分道扬镳 到达单个的肌肉上 二 轴突生长导向作用的因子 目前有4类因子 Semaphorin Netrin Slit和Ehprin 图12 16 1 Semaphorin 包括20多个成员 包括分泌型蛋白 膜蛋白或GPI锚定蛋白 共同特征含有500个氨基酸的胞外结构域 为Sema结构域 分为8个亚家族 脊椎动物有3 7型 其中3型是分泌型蛋白 包括7个成员 Sema3A 3G