4中枢神经系统发育及其可塑性.ppt

主讲教师:崔彩莲北京大学神经科学研究所NeuroscienceResearchInstitute,PekingUniversityEmail:clcuiWebsite:,中枢神经系统发育及其可塑性,DevelopmentofCentralNervousSystemandItsPlasticity,1,诱导(induction)：指胚胎发育过程中两种细胞群落通过分子间的相互作用使其中一个群落或两个群落发生定向分化的过程。提供或传递诱导分子的细胞是诱导者(inductor)，接受这种分子的细胞或结构称反应者(reactor)。结构发育：神经上皮脑和脊髓构筑神经环路发育或构筑：神经元发生突触形成可塑性(plasticity)：即神经系统发育过程中神经元对神经活动及环境改变所作出的结构和功能上的应答反应。细胞调亡-突触重排及消退等,Introduction,2,Outline,Ectoderm-neuraltube-brainandspinalcord(review)ThegenesisofneuronsThegenesisofconnections(synapseformation)TheeliminationofcellsandsynapsesActivity-dependentsynapticrearrangementTheElementaryMechanismsofCorticalSynapticPlasticityImportanceofthecriticalperiodConcludingRemarks,3,Fromneuraltubetotheinitialbrainandspinalcord,TheentirenervoussystemarisesfromtheectodermTheinductionandpatterningofthenervoussystem,4,神经板期神经褶期(C)神经管期,脊椎动物神经管的形成:神经管有两个主要的轴线：背腹轴和前后（头尾）轴。前后轴将神经系统分成前脑、中脑、后脑和脊髓，还将这些区域细分为更加特殊的神经结构。在背腹轴上，不同的区域也有不同的神经细胞种类。在有些部位，还有左右轴，即左右两侧分布不同的神经细胞。外周神经系统来源于与神经板相邻的神经脊，后者是外胚层中一群特殊的细胞，从发源地迁移到胚胎多个部位，形成包括外周神经系统在内的多种组织。即脊髓平面的神经系统及其周围组织，背侧在上，腹侧在下。,5,TheneuralplateisinducedbysignalsfromadjacentmesodermTheneuralplateispatternedalongitsdorso-ventralaxisbysignalsfromadjacentnon-neuralcellsTheventralNTthenotochordThedorsalNTtheepidermalectoderm,Theneuraltube(NT)formation,neuralplate,neuralgroove,neuralfold,neuraltube,neuraltube,6,CranialneuroporeanlagebrainanlagespinalcordCaudalneuropore,CNS,Theneuraltubeformation,7,Asampleinhumanembryo-developinginfourthtofifthweek.Showingneuralfold，cranialneuropore，somite，caudalneuropore,etc.,8,三个原始脑泡是脑的原基,9,10,基本保持三层结构,边缘层白质套层脊髓灰质管腔中央管,两侧壁套层神经母细胞和成胶质细胞的迅速增生而增厚,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,背侧两翼板,顶板,底板,11,胚胎第三个月之前，脊髓与脊柱等长，其下端达脊柱的尾骨；胚三个月后，因脊柱增长快于脊髓，脊柱便渐超越脊髓向尾端延伸，脊髓位置相对上移；出生前，脊髓下端与第三腰椎平齐，仅以终丝与尾骨相连；节段分布的脊神经均在胚胎早期形成，从相应节段的椎间孔穿出，脊髓位置上移后，脊髓颈段以下的脊神经根便斜向尾侧，至腰、骶、尾段的脊神经根则在椎管内垂直下行，与终丝共同组成马尾。,12,NormalAnencephalyspinalbifida,13,发育异常是指由于各种因素导致的先天畸形。狭义的概念仅指出生时解剖结构畸形。广义的包括出生时各种解剖结构畸形、功能缺陷及代谢、遗传行为的发育异常。据WHO(1966)调查了包括16个国家的25个医学中心的421781次妊娠，发现严重畸形占0.46%，轻度畸形占1.27%，总发生率为1.73%。我国1986-1987年作为国家攻关课题进行了大规模的出生缺陷调查，对全国29个省市自治区的945所医院124万多围产儿进行了监测，发现出生缺陷的总发生率平均为1.301%一些流行病学调查结果显示某些出生类型的缺陷，发生率与地理条件有密切关系。山西省出生缺陷总发生率最高，湖北省最低,中枢神经系统发育异常并不少见,14,中枢神经系统畸形绝大部分是由于神经管发育缺陷或神经管前后孔未闭引起,占总先天畸形发病率的17.主要是无脑畸形、隐性脊柱裂、脊髓脊膜膨出，脑积水等。此外，脑过小畸形、胼胝体不发育、苯丙酮尿症、精神发育迟滞等均属神经系统的发育异常，但较少见。遗传因素：包括单基因遗传性疾患，多基因遗传性疾患及染色体病；环境因素：包括药物和环境化学物质、微生物感染、电离辐射、母体疾病等因素。此外，营养因素如已知某些维生素缺乏，特别是叶酸缺乏可影响神经管的正常封闭。,导致发育畸形的因素远未完全清楚,15,Thefirststepinwiringthenervoussystemtogetheristhegenerationofneurons.Neuronalstructuredevelopsinthreemajorstages:1.Cellproliferation2.Cellmigration3.Celldifferentiation,Thegenesisofneurons,16,cellproliferation-Inductionduringneuronalgenesis,17,背唇可以诱导两栖类动物胚胎形成第二条神经轴：（A）斯佩曼和曼葛得的组织块移植实验。将供体原肠胚早期的背唇移植到宿主胚胎的腹侧以后，宿主会在应该形成腹部表皮的位置，产生包括神经板在内的第二个体轴。(B)神经诱导的分子模型。背唇中胚层细胞分泌的Noggin、Chordin和Follistatin能阻止外胚层中的BMP家族蛋白与其受体结合，从而抑制BMP诱导表皮的产生，使背侧外胚层形成神经板。,原肠胚期早期的两栖类动物胚胎,18,中胚层细胞能决定神经系统的前后轴,（A）原肠胚期晚期的两栖类动物胚胎的组织结构（前后轴中线水平的切面）；（B）用于解释神经板如何沿着前后轴分化的“双信号”假说。,19,Whereareneuronandglialcellfrom?,glioblast,Neuraltube-MSC,Neural-epithelia,Neuroblast,20,cellproliferation-Togrowormultiplybyrapidlyproducingnewcells,21,cellproliferation-acharacteristicofthechoreographyofcellproliferation,合成DNA时(S期)，其核位于靠近外侧膜处，然后核又回到靠官腔的位置进行有丝分裂(M期)，有丝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)命运(fate)如何决定于很多因素，其中非常重要的因素是基因表达(geneexpression)的差异性,而基因表达的调控取决于transcriptionfactors的类型。,22,Bothdaughtercellscleavedverticallyfromtheprecursorremainintheventricularzonetodivideagainandagain.Thismodeofcelldivisionpredominatesearlyindevelopmentexpandthepopulationofneuronalprecursor,Thebothcellscleavedhorizontallyfromtheprecursor,onemigratesawaytotakeupitspositioninthecortex,whereitwillneverdivideagain.Theotherdaughterremainsintheventricularzonetoundergomoredivision.Thismodepredominateslaterindevelopmentneuronalprecursor,cellproliferation-Thefateofthenewlyformeddaughtercells,Ventricularzoneprecursorcellsrepeatedthispatternuntilalloftheneuronsofthecortexhavebeengenerated.Thecleavagehavebeenbasicallyfinishedonpregnantfifthmonthinhuman.,23,Inhuman,mostneocorticalneuronsarebornbetweenthefifthweekandfifthmonthofgestation(pregnancy),peakingattheastonishingrateof250,000newneuronsperminute.,Researchsuggest:thegeneexpressionoftheprecursorisregulatedbyitstranscriptionfactors(theproteins/upstreammolecules).Seeleftfigure.Notch-1“unopposed”bynumb,activatesthegeneexpressionthatthecelltoceasedivisionandmigrateawayfromtheventricularzone.,cellproliferation-Howdoesthecleavageplaneduringcelldivisiondeterminethecellsfate?-Thedistributionofcellconstituentsinprecursorcells:,24,Notch介导的信号传导通路细胞之间可以通过对话来选择不同的命运,（A）在果蝇的正常发育过程中，一个形成中的神经前体细胞（深绿色）能阻止邻近的神经外胚层细胞（浅绿色）也选择这一命运，使后者变成表皮细胞（白色）（B）形成中的神经前体细胞通过Delta来激活邻近的细胞中的Notch信号传导通路，从而抑制AS-C和Delta等基因的表达，使邻近的细胞不能成为神经前体细胞（C）Notch活性的改变能影响果蝇神经前体细胞的数量,25,不对称细胞分裂可以造成细胞的多样性,（A）Numb蛋白的不对称分布可以使两个子细胞选择不同命运。集中在细胞一侧的Numb蛋白（绿色）是否只分配给一个子细胞，还取决于纺锤体（粉红色）的位置，即细胞分裂的平面（橙色）（B）果蝇的SOP细胞通过三轮不对称的分裂产生组成感受机械或化学信息的外感觉（ES）器官的四个细胞。Numb缺失或对称分布都会影响ES器官的形成（C）Notch活性的改变也会影响ES器官的形成。H:刚毛细胞；N：感觉神经元；S:毛孔细胞；Sh，鞘细胞。,26,转录因子的按顺序表达使神经母细胞每次分裂后产生不同的神经元,（A）在最早几次分裂时，果蝇所有的神经母细胞都会按顺序表达四个转录因子（B）Hb和Kr缺失或持续表达能影响神经母细胞产生不同GMC的能力。虚线显示GMC或者死亡，或者变成二生（Hb缺失）或头生（Kr缺失）GMC（C）、和这三个神经母细胞每次分裂后产生的GMC各不相同，但用同样的转录因子来决定它们的命运。和前两次分裂时都表达Hb。只分裂三次。运动：运动神经元；中间：中间神经元；胶质：胶质细胞（D）神经母细胞和GMC分裂时也将Numb蛋白不对称地分配给两个子细胞。GMC只分裂一次，产生两个不同的神经细胞，并通过Numb的不对称分布使它们选择不同的命运,27,28,2.Cellmigration,ThedaughtercellsfromtheprecursorsthatimmatureneuronarecalledNeuroblast.Ascaffoldforthemigrationprovidedbytheradialglialcells.thefirstmigrationneuroblastsawayfromtheventricularformthecorticalplate.,Thisshowsneuroblastscrawlingalongthethinprocessesoftheradialgliaroutetothecorticalplate,whichformsjustunderthemarginalzone,29,Amigratingcellrecordedintissueculture,30,A:神经细胞迁移过程中,有领先突起。领先突起有分枝,动态竞争,其中一枝成为主干,带领细胞体的移动,其后,又不断重复分枝竞争,决定细胞移动方向。B:迁移的神经细胞也可以原来领先突起的生长锥消失,在细胞体完全相反的一边长处出新的突起,导致细胞180度转向。,迁移的神经细胞:,A,B,鼠脑SVZ细胞：肌动蛋白丝染绿色微管红色,31,-Inside-outdevelopmentofthecortex-thefirstcellstomigratetocorticalplatefromVZthatformsubplate-AsthesedifferentiateintoneuronsbecomelayerVIinthecorticalplate.-thisprocessrepeatsagainandagainuntilalllayersofthecortexthesublateneuronsdisappear,较早分化的较大神经元先迁移并形成最内层，依次顺序向外；而较晚分化的较小神经元则通过已形成的层次迁移并形成其外侧新的层次；故不论皮质的什么区域，其最内层总是最早分化，而最外层则最后分化。,32,哺乳动物大脑新皮层功能区域的形成,（A）在正常发育过程中，胚胎前脑背部中线和头端的成型中心分泌BMP、Wnt和FGF8等因子，使这些蛋白分别沿背腹轴和前后轴形成浓度梯度，进而影响多种转录因子在神经前期细胞中的表达量，最终把大脑新皮层分化成不同的功能区域。（B）受在胚胎前脑后端异位表达的FGF8影响，大脑新皮层能在后端形成第二个运动和躯体感觉皮层。,33,3.Celldifferentiation,Theprocessinwhichacelltakeontheappearanceandcharacteristicsofaneuronisknownascelldifferentiation.Differentiationistheconsequenceofaspecificspatiotemporalpatternofgeneexpression.Differentiationoftheneuroblastintoaneuronbeginswiththeappearanceofneuritessproutingoffthebody(allsameaxonanddendriteatfirst).Thedifferentiationisprogrammedwellbeforetheneuroblastarrivesatitsfinalrestingplace.Thecomplexityofdendritictreeisnotentirelypreprogrammed.Thefinestructureofaxonsanddendritesalsodependson“environmental”factorsinthecortex.,34,3.1Differentiationofcorticalareas,Niss-stained,positionofthemajorvibrissaeonthefacevibrissaeregionofS1BarrelsinS1,-Asomatotopicmapofthefacialvibrissaeonmousecerebralcortex,35,在决定神经细胞命运的过程中，细胞之间的相互作用起重要作用。这些相互作用既可以发生于神经细胞与非神经细胞之间，也可以发生于神经细胞之间；这些相互作用既可以通过弥散在环境中的诱导因子，也能通过细胞之间的直接对话。细胞外的因子最终会在细胞内激活一个特异的分裂和分化程序，使神经前体细胞可以在很大程度上不受环境的影响，产生不同的神经细胞。通过对这些机理的进一步的研究，发育神经生物学的最终目标是能够精确地描述：在发育过程中，不同的神经元和胶质细胞如何按准确的数量、在特定的时期、在不同的神经系统部位产生。,36,Genesisofconnection/synapseformation,LM:,Model(chemicalsynapse),Review：definition,classify,structure,37,EM:,38,Genesisofconnection:forexample,1.ThethreephasesofpathwayformationPathwayselectionpathtargetselectionstructureaddressselectioncellThethreephasesdependson:Directcell-to-cellcontractcontractbetweencellsandextracellularsecretionsofothercellcommunicationviaactionpotentialsandsynaptictransmission,About100billionneuronsinbrain-remarkablypreciseinterconnectionamongthem-toperformthefunctionsofthebrain.,39,40,Fasciculation,41,2.Axonguidanceandguidancecues,Guidancecues:chemoattractionandactinsconcentrateinforepartofaGCchemorepulsionandactinsdisappearinforepartofaGC,42,Chemoattractionandchemorepulsion,Netrinspurstheaxongrowthtowardthemidline,ThereceptorsofNetrinandSlitareberegulatedinvaryingfromonesideofthemidlinetoother,Push,pull,Slitchasetheaxonawaythemidline,43,神经管沿背腹轴的分化,（A）Shh和BMP家族蛋白分别在脊髓腹侧与背侧形成浓度梯度，从而使神经前期细胞在背腹轴不同的位置选择不同的命运。Shh由脊索和底板分泌，而BMP则由表皮（神经管形成之前）或顶板（神经管形成之后）分泌。（B）神经管沿背腹轴分化的分子模型。Shh抑制I型HD蛋白的表达，但激活II型HD蛋白的表达。I型和II型HD蛋白能抑制彼此的表达，但它们在腹侧的不同位置有不同的表达范围，形成HD蛋白编码，从而共同分化神经前期细胞，使后者只能产生某一种神经元。,44,3.Synapseformation-Whenthegrowthconecomesincontactwithitstarget,asynapseisformed.-ThedetailsofmechanismsofsynapseformationintheCNSarestillsketchy,-Mostofthedatacomesfromstudiesoftheneuromuscularjunction.,Exp.StepsintheformationofaNMJ:1.TheGMNterminalsecretesagrin,(Ca+entryintotheGCtriggersneuro-transmitterreleaseandchangesinthecytoskeletonadheretoitspost-synapsepartner)2.AgrininteractswithMuSKinthemuscularcellmembrane.3.TheclusteringofAchreceptorsinthepostsynapticmembraneviatheactionofrapsyn(likeashepherdtogatherthereceptorsatthesynapse),Ca+,45,Nervegrowthfactor(NGF),apeptidewasthefirsttrophicfactortobeidentifiedin1940sbyItalianbiologistRitaLevi-Montalcini.IfinjectingantibodiesofNGFintopostsynaptictissueoraxoplasmictransportisdisruptedtheneuronsdie.(theworkearnedlevi-montalciniandCohenthe1986NobelPrize)FamilymembersofNeurotrophicFactorsinclude:NGF,NT-3,NT-4andBDNF(brainderivedneurotrophicfactor).PCDisactuallyaconsequenceofgeneticinstructionstoself-destructbyaprocesscalledapoptosis.,46,WhydontaxonregenerateinourCNS?,ThecriticaldifferenceseemstobethedifferentenvironmentsoftheCNSandPNS.Intheearly1980s,AlbertAguayaetal.atMontrealGeneralHospitaltestedthisideainveryimportantexperimentshowedasFigA.MartinSchwabetal.inZurichuniversitydemonstratedthatCNSneuronsgrownintissuecultureextendaxonsalongsubstratespreparedfromSchwanncellsbutnotfromoligodendroglia.ThisfindingledtothesearchforglialfactorsthatinhibitaxongrowthintheCN,andamoleculecallednogowasfinallyidentifiedearlyin2000.Anti-nogoantibodycalleIN-1hasbeenraised,theminjectedtheaitibodyintoadultratsafterspinalcordinjury.Thistreatmentenabledabout5%oftheseveredaxonstoregenerate,FigA,47,Theeliminationofcellsandsynapse,CelldeathEntirepopulationsofneuronsareelimitedduringpathwayformation,aprocessknownasProgrammedcelldeath(PCD).Matchinginputswithtargetsbyselectivecelldeath.Theinputneuronswillcompetewithoneanotherforlimitedquantitiesoftrophicfactorsproducedbythetargetneurons.,48,49,2.ChangesinsynapticcapacityEachneuroncanreceiveonitsdendritesandsomaafinitenumberofsynapsescalledsynapticcapacitypeaksearlyindevelopmentandthendeclines.Especiallyinadolescentofmacaquemonkeyinvisualcorticaldeclinedbymostly50%,5000persecond.Ausefulmodelsystemforthestudyofsynapticelimination:effectofpostsynapticAChR,basalmembraneofmuscularfibrilonneuromuscularsynapticelimination.,50,Activity-dependentsynapticrearrangement,51,1.Synapticsegregation(分离),Thetwoinputneuronsinoneeye(top)fireatthesametimethisissufficienttocausethetopLGNtargetneurontofirebutnotthebottomone.Thisisthesamesituationasinparta,exceptthatnowthetwoinputneuronsintheothereye(bottom)areactivesimultaneously,causingthebottomtargetneurontofire.Overtime,neuronsthatfiretogetherwiretogether.Noticealsothatinputcellsthatfireoutofsyncwiththetargetlosetheirlink.,52,视顶盖对应投射机理：顶盖有内高外低的Wnt3梯度，其排斥性受体Ryk在视神经呈腹侧高背侧低的梯度，其吸引性受体Fzl均匀分布于视神经腹背轴线。,（A）鼻颞视轴突依赖EphA介导的ephrinA排斥信号，EphA以鼻侧高颞侧低的梯度存在于视网膜，而其配体ephrinA以梯度形式存在于顶盖（B）背腹视轴突投射依赖两套信号：ephrinB和EphB，Wnt和Ryk，Fzl。ephrinB1在顶盖内呈内高外低的梯度，EphB2和B3在视神经呈腹侧高背侧低梯度,53,Segregationofoculardominancecolumnsincatstriatecontex,InitiallytheinputsfromtheLGNservingtheeyes(differentcolour)areintermingledinlayerIV.Overthecourseoffetalandearlypostnataldevelopment,theinputsfromtheeyessegregateintooculardominancecolumnsinlayerIV.,54,Modificationofoculardominancestripesaftermonoculardeprivation,AnormalmonkeyAmonkeythathadbeenmonocularlydeprivedfor22months,startingat2weeksofage.Thenondeprivedeyehasbeeninjected,revealingexpandedoculardominancecolumnsinlyerIV.,TorstenWiesel,55,Theoculardominanceshiftelectrophysiologicalrecordingfromt