神经嵴的形成与神经系统发生

关于神经嵴的形成与神经系统发生胚胎发育过程中神经管与神经嵴的发育形成过程神经系统的主要组成成分来源于神经胚的3个部分：神经板（neuralplate)、神经嵴（neuralcrest)和外胚层基板(ecotodermalplacode）。第十二章神经系统的发育第2页,共42页，2024年2月25日，星期天

神经板将形成中枢神经系统（CNS)的主要结构，神经嵴和外胚层基板形成于神经板与表皮外胚层的交界区域，参与周围神经系统（包括外周神经节、头部感觉器官等）的形成。脊椎动物的神经板是由外胚层分化而来的，是在胚胎发育早期由Spemann组织者产生的BMP抑制因子诱导而形成的。神经板逐渐与表皮外胚层脱离并形成中空的神经管，这一过程称为神经管形成（neurulation）。神经管的形成主要有2种方式，一是初级神经管形成（primaryneurulation），即神经板中央下陷，两侧神经褶（neuralfold）向上隆起并最终在中轴上方闭合而形成中空的神经管，大多数脊椎动物头部神经管采用此种方式。二是次级神经管形成（secondaryneurulation），即神经细胞先形成实心的细胞索，进而中空形成神经管。第3页,共42页，2024年2月25日，星期天

神经管形成后通过复杂的形态发生过程形成中枢神经系统的各种结构，其前部扩展、膨大形成前脑、中脑和后脑的原基，而后部的神经管发育为脊髓。神经管细胞经过增殖、分化，产生各种神经元和神经胶质细胞，并通过迁移等过程形成高度有序的组织结构。神经元产生轴突和树突，神经元之间、神经元与靶组织之间形成高度特异的突触连接网络，最终形成一个有功能的神经系统。第4页,共42页，2024年2月25日，星期天第一节脊椎动物中枢神经系统的图式形成

一旦预定神经组织与表皮组织分化开来，接下来要经过图式形成（patternformation）过程，以确定神经板不同位置的区域特性。在这一过程中，许多转录因子和信号分子在神经板的特定区域被激活，使得神经板沿胚胎前-后轴和背-腹轴产生分化，从而确立中枢神经系统的轴性。第5页,共42页，2024年2月25日，星期天一、中枢神经系统的前-后轴图式形成

神经组织在最初被诱导形成时，整个神经板细胞都只表达“前部”神经特异性基因。在原肠作用过程中，由后部中胚层产生的后部化因子（posteriorizingfactor)，包括Wnt,FGF,视黄酸（retinoicacid，RA)等诱导后部神经命运的分化。Wnt活性可能沿胚胎前-后轴形成一个由后到前的梯度，促进后部特异性神经组织的分化。而在头部Wnt信号被Spemann组织者产生的抑制因子所抑制，使得脑部组织得以分化。第6页,共42页，2024年2月25日，星期天后部化因子Wnt，FGF，视磺酸(retinoicacid，RA)等由后向前形成一个浓度梯度，调节图式化基因的表达。而在脑区，其活性被Wnt抑制因子等所抑制。前后脑的界线是由Pax6与Pax2的表达区域决定的，而中脑与后脑的分界位于Otx2与Gbx1的表达界线处。Hox基因的区域性表达进一步确定后脑与脊髓的区域分化。第7页,共42页，2024年2月25日，星期天

位于前脑最前端的前神经褶（anteriorneuralridge,ANR)表达FGF8，对于前脑的图式形成具有重要作用。峡部（isthmus）是位于中脑与后脑交界处的狭窄部。峡部在中后脑的前-后轴图式形成中起着重要作用。在移植实验中，峡部组织可诱导预定间脑组织形成中脑，也可诱导预定前部中脑组织形成后脑，说明这部分组织具有很强的诱导能力，可以“组织”周围细胞的图式形成，被称为峡部组织者（isthmicorganizer,ISO)或中后脑边界组织者（midbrain-hindbrainboundaryorganizer)。在神经板期，ISO的位置最初是由两个转录因子Otx2和Gbx2在CNS中的表达界限所决定的。第8页,共42页，2024年2月25日，星期天图示E11.0小鼠胚胎纵切面。A峡部组织者位于中脑与后脑边界。后脑分为8个菱脑节（r1-r8），其中r8与脊髓并无明确分界BFGF8，Wnt1，Shh，BMP等图式化信号分子在脑区的表达区域第9页,共42页，2024年2月25日，星期天Otx2在前脑与中脑中表达，而Gbx2在后脑前部表达，两者之间的位置恰好是ISO的位置。Otx2与Gbx2的表达是相互抑制的，从而确立两者之间的表达界限。转录因子Engrailed(En)和Pax2随后也在ISO前后表达。En表达的起始受到中胚层组织的调控，并依赖于Pax2的活性。

En和Gbx2可诱导FGF8的表达，而Otx2抑制FGF8的表达。这样，FGF8就只在ISO后部后脑一侧表达。FGF8进而可诱导邻近的中脑细胞表达Wnt1。

En的表达从ISO向前、后两侧形成一个浓度梯度，这一梯度对于确立中后脑的极性及脑部的进一步分化具有重要作用。

FGF8对于ISO的诱导活性是最重要的，FGF8可部分模拟ISO移植块的诱导作用。Wnt1的作用主要是促进细胞分裂并维持En的表达。第10页,共42页，2024年2月25日，星期天(A)在神经板期Otx2和Gbx2的表达由头部中胚层和内胚层信号所激活。其中Gbx2表达调控的机制尚不明确，后部化因子也可能参与其调控。头部中胚层产生的FGF信号可能参与了Pax2和En的调控。Wnt1表达启动的调控机制尚不明确。（B）峡部组织者基因的相互调节。箭头示活化关系，短线示抑制关系第11页,共42页，2024年2月25日，星期天

在神经管闭合后，后脑沿前-后轴逐渐被划分为8节，称为菱脑节(rhombomere）。菱脑节是暂时性结构，到发育后期会逐渐消多失，但部分由后脑产生的结构（如颜面神经结）仍保持分节性结构。在后脑中最早出现分节性表达的是转录因子Krox20，它在预定菱脑节3和5中表达。Krox20的突变会完全阻断菱脑节2-6区域的分节。转录因子Kreisler在预定菱脑节5-6中表达。Kreisler的突变会抑制菱脑节4-8区域的分节。

Ephrin信号途径也参与了后脑的分节过程。Ephrin信号途径属于受体酪氨酸激酶途径。其配体Ephrin是一类膜结合型的配体，因此，只能作用于相邻细胞。其中A类配体通过糖磷脂酰肌醇（glycophosphatidylinositol,GPI)连接于细胞膜上，而B类配体为跨膜蛋白。这一信号途径的受体为Eph家族受体酪氨酸激酶。在后脑中，Ephrin-B2，B3主要在偶数菱脑节（r2,r4,r6)中表达，而相应的受体EphA4,B2,B3则主要在奇数菱脑节（r3,r5）妻中脑表达。奇数与偶数菱脑节之间可能通过Ephrin信号活性的不同而产生差异，最终引起细胞粘连特性的差异，从而建立明确的节间界线。第12页,共42页，2024年2月25日，星期天r1-r8，菱脑节1-8第13页,共42页，2024年2月25日，星期天Hox基因在后脑沿前-后轴的分化中起着关键作用。Hox基因中第1-4同源组（paralogousgroup）基因在后脑中呈现菱脑节特异性表达，其表达区域相互嵌套。每一菱脑节最终获得不同的Hox基因表达谱，这种Hox编码（Hoxcode）决定着各菱脑节的分化命运。菱脑节1是后脑中唯一不表达任何Hox基因的区域。Hox基因编码一类含有同源异型框的转录因子，与果蝇同源异型复合体（homeoticgenecomplex)基因同源。小鼠共有39个Hox基因，分别位于4个基因簇中，位于不同的染色体上。每个基因簇包含9-11个基因。

Hox基因沿胚胎前-后轴的表达区域、开始表达的时间及其对视黄酸的敏感程度与其在染色体上的排列次序成线性关系。越靠近3‘端的基因其表达区域越靠前，开始表达越早，对视黄酸的诱导越敏感。Hox基因在中枢神经系统和体节发育过程中沿前一后轴依次表达，在胚胎前-后轴的分化过程中起关键作用。位于后脑之后的脊髓并没有分节现象，但同样具有明确的前-后轴分化。Hox基因中第4-13组基因在脊髓中表达并决定着脊髓的前-后轴分化。脊髓的前-后轴分化也受到周围组织特别是体节的影响。Hox基因同样参与了体节的前-后轴图式形成。第14页,共42页，2024年2月25日，星期天A小鼠4个Hox基因簇的结构B小鼠Hoxb簇基因在小鼠神经系统中的表达区域分布第15页,共42页，2024年2月25日，星期天二、脊髓背-腹轴的图式形成脊椎动物的脊髓(spinalcord）具有明确的背-腹轴，在不同背-腹轴位置所产生的神经元类型是不同的。在鸡和小鼠中，脊髓背部区域依次产生6种背部中间神经元（dorsalinterneuron,dI1一dI6，图12.6），腹部则形成运动神经元和4种腹侧神经元（ventralinterneuron,V0-V3，图12.6）。第16页,共42页，2024年2月25日，星期天第17页,共42页，2024年2月25日，星期天BMP和Sonichedgehog(Shh）信号在脊髓的背-腹轴分化过程中起着重要作用。BMP在脊髓最背部的顶板（roofplate)及其上方的外胚层组织中表达，其活性沿脊髓的背-腹轴形成一个梯度，可同时参与不同神经细胞群的分化。Hedgehog在脊髓腹侧的基板（floorplate)及其下方的脊索中表达。Shh活性由脊髓的腹侧到背侧形成一个梯度，与BMP信号相反，它主要参与脊髓腹侧神经细胞群的特化。Shh在腹侧脊髓中的作用具有形态发生素（morphogen）的特性，可以浓度依赖性地诱导不同类型神经元的发育。脊索还表达分泌性的BMP抑制因子（Chordin,Noggin），这些因子会抑制脊髓腹侧的BMP活性而调节神经管的图式形成。Wnt信号对于某些背部神经细胞群的分化也具有重要作用。第18页,共42页，2024年2月25日，星期天许多转录因子在脊髓的不同背-腹轴位置表达，将脊髓划分为不同的区域。这些基因包括nkx,dbx,msx,pax,irx家族基因及bHLH因子Olig2（图12.6）。在脊髓中央区域表达的基因似乎可被低浓度的Shh信号激活，而高浓度的Shh则可抑制其表达。BMP信号可促进背部神经元特异基因的表达而抑制腹侧特异基因的表达。这样，在脊髓背-腹轴的不同水平表达不同的图式化基因组合，这些图式化基因进而决定着相应位置所产生的神经元类型。第19页,共42页，2024年2月25日，星期天原神经基因编码一组bHLH转录因子，包括Neurogenin（Ngn),Mash和Math家族因子原神经基因的表达启动了神经元细胞系的发育，并且可整合相应的位置信息（positionalinformation），参与决定所产生的神经元的类型。只有表达原神经基因的细胞具有发育为神经元的潜能。不同原神经基因的表达区域是互补的，不同基因间的表达相互抑制。其中Ngn主要在腹侧表达，而Mash,Math则主要在背侧表达。第20页,共42页，2024年2月25日，星期天原神经基因的功能主要包括3方面：①抑制其周围细胞向神经元的分化。②促进细胞向神经元方向分化而抑制其分化为神经胶质细胞。③调节细胞周期。神经细胞分化时会退出细胞周期。原神经基因产物会抑制细胞分裂而促进其分化。原神经基因可能间接激活依赖细胞周期蛋白的激酶（cyclin-dependentkinase,Cdk)抑制因子的表达，如p16,p21和p27，从而抑制细胞周期的进行。第21页,共42页，2024年2月25日，星期天A原神经区的外胚层细胞最初都表达原神经基因及Notch配体Delta，但由于侧向抑制作用，原神经基因表达只在神经前体细胞中得以维持并通过正反馈环路进一步增强B原神经基因在神经前体细胞的表达抑制细胞分裂，促进细胞向神经元的分化第22页,共42页，2024年2月25日，星期天一、神经管细胞的增殖

神经板由单层柱状上皮构成，神经管形成后，其柱状上皮变为假复层上皮，此时称为神经上皮（neuroepi-thelium），其内外面覆有内、外界膜。神经上皮的细胞有丝分裂周期有一个在神经管壁内往返迁移的过程（图12.8）。第二节神经系统的组织分化第23页,共42页，2024年2月25日，星期天

放射自显影照片时发现，分裂期（M）的细胞紧靠管内壁，分裂后的细胞离开管内壁向外移动，同时向内、外两侧伸出细胞质突起，此为G1期。随着细胞核逐渐移向外界膜，细胞进人S期，即DNA合成期。

此后细胞核又逐渐向内界膜移动，在接近内界膜时进人G2期。当靠近内界膜时，向外的细胞质突起缩回，细胞重又进入M期。细胞分裂后又向外移动，开始下一个细胞周期。垂直及水平两种不同分裂方式产生的子细胞具有不同的命运。在神经系统发育早期，垂直分裂占优势，分裂后产生的两个子细胞仍然保留在脑室层继续分裂增殖；到了发育后期，以水平分裂为主。第24页,共42页，2024年2月25日，星期天

分裂平面决定细胞命运的主要机制在于分裂后某些转录因子的不对称性分布。在这一过程中，Notch-1与Numb分别位于脑室层神经细胞的两极。当细胞水平分裂时，Notch-1被分配到要迁移离去的子细胞中，Numb则留在继续分裂的子细胞中；但当细胞垂直分裂时，Notch-1及Numb对称分配到2个子细胞中。Notch-1能激活某些基因表达，从而导致细胞停止分裂。第25页,共42页，2024年2月25日，星期天二、神经管细胞的迁移

神经上皮细胞不断分裂增殖，部分细胞迁至神经上皮的外周，成为成神经细胞（neuroblast）。神经上皮细胞又分化出成神经胶质细胞(glioblast)，也迁至神经上皮的外周。在神经上皮的外周由成神经细胞和成神经胶质细胞构成了一层新细胞层，形成外套层（mantlezone,MZ）或中间层（intermediatezone,IZ）。原位的神经上皮停止分化，变成一层立方形或矮柱状细胞，称室管膜层（ependymallayer)或脑室层(ventricularzone,VZ)。第26页,共42页，2024年2月25日，星期天外套层的成神经细胞起初为圆球形，很快长出突起，突起逐渐增长并伸至外套层外周，形成一层新的结构，称边缘层（marginallayer）（图12.9）。外套层中的成神经胶质细胞也分化为星形胶质细胞和少突胶质细胞，并有部分细胞进人边缘层。外套层有为灰质和呈白质分化。在神经系统层状结构的发育中，多数成神经细胞沿着放射状胶质细胞（radialglialcell)伸出的辐射状排列的突起迁移。这些突起被称为辐射纤维（radialfiber)，它们从室管膜层伸向外界膜（图12.10）。当细胞迁移完成后，放射状胶质细胞即缩回辐射状突起。在大脑发育中，大约有1/3的成神经细胞水平迁移至皮层。第27页,共42页，2024年2月25日，星期天第28页,共42页，2024年2月25日，星期天三、神经上皮的分化

神经上皮细胞呈现出神经元／神经胶质细胞特有表型及特征的过程即为细胞分化。分化是一种特殊时空模式基因表达的结果。

成神经细胞一般不再分裂增殖，起初为圆形，称无极成神经细胞，以后发出2个突起，成为双极成神经细胞。双极成神经细胞朝向神经管腔一侧的突起退化消失，成为单极成神经细胞;伸向边缘层的一个突起迅速增长，形成原始轴突。单极成神经细胞内侧端又形成若干短突起，成为原始树突，成为多极成神经细胞。成神经胶质细胞首先分化为各类神经胶质细胞的前体细胞，即成星形胶质细胞和成少突胶质细胞。神经胶质细胞始终保持分裂增殖能力.第29页,共42页，2024年2月25日，星期天右侧放大图显示成神经细胞沿放射状胶质细胞的突起迁移，并形成引导突和拖尾突第30页,共42页，2024年2月25日，星期天四、中枢神经系统的组织分化

在延髓和脊髓的发育中，保留了神经管具有的室管膜层、外套层和边缘层3层结构的基本模式。1.大脑皮质的组织发生

大脑皮质（cerebralcortex)由端脑外套层的神经细胞迁移和分化而成。大脑皮质的种系发生分3个阶段，最早出现的是原皮质（archicortex)，继之出现旧皮质（paleocortex)，最晚出现的是新皮质（neocortex)。在大脑发育中，当大部分细胞的胞体从脑室层移向外套层时，它们是有丝分裂后的年幼神经元，一些细胞位于脑室层与外套层交界处，这些细胞像脑室层细胞一样继续增殖并形成新的层次，即脑室下层（subven-tricularzone，SZ)。最早完成分裂外迁的成神经细胞到达边缘层下面形成皮层板（corticalplate，CP)，它将来发育为新皮质。越早产生和迁移的细胞，其位置越深；越晚产生和迁移的细胞，其位置越表浅，即越靠近皮质表层。第31页,共42页，2024年2月25日，星期天第32页,共42页，2024年2月25日，星期天2.小脑皮质的组织发生

小脑起源于后脑翼板背侧部的菱唇（rhombiclip）。左右两菱唇在中线融合，形成小脑板（cerebel-larplate），这就是小脑的始基。胚胎第12周时，小脑板的两外侧部膨大，形成小脑半球；板的中部变细，形成小脑蚓。之后，由一条横裂从小脑蚓分出了小结，从小脑半球分出了绒球。由绒球和小结组成的绒球小结叶是小脑种系发生中最早出现的部分，故称原小脑（archicerebellum），仍然保持着与前庭系统的联系。第33页,共42页，2024年2月25日，星期天第34页,共42页，2024年2月25日，星期天3.核团的组织发生在脑的非层状结构（核团）的组织