神經嵴的形成與神經系統(tǒng)發(fā)生

關于神經嵴的形成與神經系統(tǒng)發(fā)生第一頁，共四十二頁，2022年，8月28日胚胎發(fā)育過程中神經管與神經嵴的發(fā)育形成過程神經系統(tǒng)的主要組成成分來源于神經胚的3個部分：神經板（neuralplate)、神經嵴（neuralcrest)和外胚層基板(ecotodermalplacode）。第十二章神經系統(tǒng)的發(fā)育第二頁，共四十二頁，2022年，8月28日

神經板將形成中樞神經系統(tǒng)（CNS)的主要結構，神經嵴和外胚層基板形成于神經板與表皮外胚層的交界區(qū)域，參與周圍神經系統(tǒng)（包括外周神經節(jié)、頭部感覺器官等）的形成。脊椎動物的神經板是由外胚層分化而來的，是在胚胎發(fā)育早期由Spemann組織者產生的BMP抑制因子誘導而形成的。神經板逐漸與表皮外胚層脫離并形成中空的神經管，這一過程稱為神經管形成（neurulation）。神經管的形成主要有2種方式，一是初級神經管形成（primaryneurulation），即神經板中央下陷，兩側神經褶（neuralfold）向上隆起并最終在中軸上方閉合而形成中空的神經管，大多數(shù)脊椎動物頭部神經管采用此種方式。二是次級神經管形成（secondaryneurulation），即神經細胞先形成實心的細胞索，進而中空形成神經管。第三頁，共四十二頁，2022年，8月28日

神經管形成后通過復雜的形態(tài)發(fā)生過程形成中樞神經系統(tǒng)的各種結構，其前部擴展、膨大形成前腦、中腦和后腦的原基，而后部的神經管發(fā)育為脊髓。神經管細胞經過增殖、分化，產生各種神經元和神經膠質細胞，并通過遷移等過程形成高度有序的組織結構。神經元產生軸突和樹突，神經元之間、神經元與靶組織之間形成高度特異的突觸連接網(wǎng)絡，最終形成一個有功能的神經系統(tǒng)。第四頁，共四十二頁，2022年，8月28日第一節(jié)脊椎動物中樞神經系統(tǒng)的圖式形成

一旦預定神經組織與表皮組織分化開來，接下來要經過圖式形成（patternformation）過程，以確定神經板不同位置的區(qū)域特性。在這一過程中，許多轉錄因子和信號分子在神經板的特定區(qū)域被激活，使得神經板沿胚胎前-后軸和背-腹軸產生分化，從而確立中樞神經系統(tǒng)的軸性。第五頁，共四十二頁，2022年，8月28日一、中樞神經系統(tǒng)的前-后軸圖式形成

神經組織在最初被誘導形成時，整個神經板細胞都只表達“前部”神經特異性基因。在原腸作用過程中，由后部中胚層產生的后部化因子（posteriorizingfactor)，包括Wnt,FGF,視黃酸（retinoicacid，RA)等誘導后部神經命運的分化。Wnt活性可能沿胚胎前-后軸形成一個由后到前的梯度，促進后部特異性神經組織的分化。而在頭部Wnt信號被Spemann組織者產生的抑制因子所抑制，使得腦部組織得以分化。第六頁，共四十二頁，2022年，8月28日后部化因子Wnt，F(xiàn)GF，視磺酸(retinoicacid，RA)等由后向前形成一個濃度梯度，調節(jié)圖式化基因的表達。而在腦區(qū)，其活性被Wnt抑制因子等所抑制。前后腦的界線是由Pax6與Pax2的表達區(qū)域決定的，而中腦與后腦的分界位于Otx2與Gbx1的表達界線處。Hox基因的區(qū)域性表達進一步確定后腦與脊髓的區(qū)域分化。第七頁，共四十二頁，2022年，8月28日

位于前腦最前端的前神經褶（anteriorneuralridge,ANR)表達FGF8，對于前腦的圖式形成具有重要作用。峽部（isthmus）是位于中腦與后腦交界處的狹窄部。峽部在中后腦的前-后軸圖式形成中起著重要作用。在移植實驗中，峽部組織可誘導預定間腦組織形成中腦，也可誘導預定前部中腦組織形成后腦，說明這部分組織具有很強的誘導能力，可以“組織”周圍細胞的圖式形成，被稱為峽部組織者（isthmicorganizer,ISO)或中后腦邊界組織者（midbrain-hindbrainboundaryorganizer)。在神經板期，ISO的位置最初是由兩個轉錄因子Otx2和Gbx2在CNS中的表達界限所決定的。第八頁，共四十二頁，2022年，8月28日圖示E11.0小鼠胚胎縱切面。A峽部組織者位于中腦與后腦邊界。后腦分為8個菱腦節(jié)（r1-r8），其中r8與脊髓并無明確分界BFGF8，Wnt1，Shh，BMP等圖式化信號分子在腦區(qū)的表達區(qū)域第九頁，共四十二頁，2022年，8月28日Otx2在前腦與中腦中表達，而Gbx2在后腦前部表達，兩者之間的位置恰好是ISO的位置。Otx2與Gbx2的表達是相互抑制的，從而確立兩者之間的表達界限。轉錄因子Engrailed(En)和Pax2隨后也在ISO前后表達。En表達的起始受到中胚層組織的調控，并依賴于Pax2的活性。

En和Gbx2可誘導FGF8的表達，而Otx2抑制FGF8的表達。這樣，F(xiàn)GF8就只在ISO后部后腦一側表達。FGF8進而可誘導鄰近的中腦細胞表達Wnt1。

En的表達從ISO向前、后兩側形成一個濃度梯度，這一梯度對于確立中后腦的極性及腦部的進一步分化具有重要作用。

FGF8對于ISO的誘導活性是最重要的，F(xiàn)GF8可部分模擬ISO移植塊的誘導作用。Wnt1的作用主要是促進細胞分裂并維持En的表達。第十頁，共四十二頁，2022年，8月28日(A)在神經板期Otx2和Gbx2的表達由頭部中胚層和內胚層信號所激活。其中Gbx2表達調控的機制尚不明確，后部化因子也可能參與其調控。頭部中胚層產生的FGF信號可能參與了Pax2和En的調控。Wnt1表達啟動的調控機制尚不明確。（B）峽部組織者基因的相互調節(jié)。箭頭示活化關系，短線示抑制關系第十一頁，共四十二頁，2022年，8月28日

在神經管閉合后，后腦沿前-后軸逐漸被劃分為8節(jié)，稱為菱腦節(jié)(rhombomere）。菱腦節(jié)是暫時性結構，到發(fā)育后期會逐漸消多失，但部分由后腦產生的結構（如顏面神經結）仍保持分節(jié)性結構。在后腦中最早出現(xiàn)分節(jié)性表達的是轉錄因子Krox20，它在預定菱腦節(jié)3和5中表達。Krox20的突變會完全阻斷菱腦節(jié)2-6區(qū)域的分節(jié)。轉錄因子Kreisler在預定菱腦節(jié)5-6中表達。Kreisler的突變會抑制菱腦節(jié)4-8區(qū)域的分節(jié)。

Ephrin信號途徑也參與了后腦的分節(jié)過程。Ephrin信號途徑屬于受體酪氨酸激酶途徑。其配體Ephrin是一類膜結合型的配體，因此，只能作用于相鄰細胞。其中A類配體通過糖磷脂酰肌醇（glycophosphatidylinositol,GPI)連接于細胞膜上，而B類配體為跨膜蛋白。這一信號途徑的受體為Eph家族受體酪氨酸激酶。在后腦中，Ephrin-B2，B3主要在偶數(shù)菱腦節(jié)（r2,r4,r6)中表達，而相應的受體EphA4,B2,B3則主要在奇數(shù)菱腦節(jié)（r3,r5）妻中腦表達。奇數(shù)與偶數(shù)菱腦節(jié)之間可能通過Ephrin信號活性的不同而產生差異，最終引起細胞粘連特性的差異，從而建立明確的節(jié)間界線。第十二頁，共四十二頁，2022年，8月28日r1-r8，菱腦節(jié)1-8第十三頁，共四十二頁，2022年，8月28日Hox基因在后腦沿前-后軸的分化中起著關鍵作用。Hox基因中第1-4同源組（paralogousgroup）基因在后腦中呈現(xiàn)菱腦節(jié)特異性表達，其表達區(qū)域相互嵌套。每一菱腦節(jié)最終獲得不同的Hox基因表達譜，這種Hox編碼（Hoxcode）決定著各菱腦節(jié)的分化命運。菱腦節(jié)1是后腦中唯一不表達任何Hox基因的區(qū)域。Hox基因編碼一類含有同源異型框的轉錄因子，與果蠅同源異型復合體（homeoticgenecomplex)基因同源。小鼠共有39個Hox基因，分別位于4個基因簇中，位于不同的染色體上。每個基因簇包含9-11個基因。

Hox基因沿胚胎前-后軸的表達區(qū)域、開始表達的時間及其對視黃酸的敏感程度與其在染色體上的排列次序成線性關系。越靠近3‘端的基因其表達區(qū)域越靠前，開始表達越早，對視黃酸的誘導越敏感。Hox基因在中樞神經系統(tǒng)和體節(jié)發(fā)育過程中沿前一后軸依次表達，在胚胎前-后軸的分化過程中起關鍵作用。位于后腦之后的脊髓并沒有分節(jié)現(xiàn)象，但同樣具有明確的前-后軸分化。Hox基因中第4-13組基因在脊髓中表達并決定著脊髓的前-后軸分化。脊髓的前-后軸分化也受到周圍組織特別是體節(jié)的影響。Hox基因同樣參與了體節(jié)的前-后軸圖式形成。第十四頁，共四十二頁，2022年，8月28日A小鼠4個Hox基因簇的結構B小鼠Hoxb簇基因在小鼠神經系統(tǒng)中的表達區(qū)域分布第十五頁，共四十二頁，2022年，8月28日二、脊髓背-腹軸的圖式形成脊椎動物的脊髓(spinalcord）具有明確的背-腹軸，在不同背-腹軸位置所產生的神經元類型是不同的。在雞和小鼠中，脊髓背部區(qū)域依次產生6種背部中間神經元（dorsalinterneuron,dI1一dI6，圖12.6），腹部則形成運動神經元和4種腹側神經元（ventralinterneuron,V0-V3，圖12.6）。第十六頁，共四十二頁，2022年，8月28日第十七頁，共四十二頁，2022年，8月28日BMP和Sonichedgehog(Shh）信號在脊髓的背-腹軸分化過程中起著重要作用。BMP在脊髓最背部的頂板（roofplate)及其上方的外胚層組織中表達，其活性沿脊髓的背-腹軸形成一個梯度，可同時參與不同神經細胞群的分化。Hedgehog在脊髓腹側的基板（floorplate)及其下方的脊索中表達。Shh活性由脊髓的腹側到背側形成一個梯度，與BMP信號相反，它主要參與脊髓腹側神經細胞群的特化。Shh在腹側脊髓中的作用具有形態(tài)發(fā)生素（morphogen）的特性，可以濃度依賴性地誘導不同類型神經元的發(fā)育。脊索還表達分泌性的BMP抑制因子（Chordin,Noggin），這些因子會抑制脊髓腹側的BMP活性而調節(jié)神經管的圖式形成。Wnt信號對于某些背部神經細胞群的分化也具有重要作用。第十八頁，共四十二頁，2022年，8月28日許多轉錄因子在脊髓的不同背-腹軸位置表達，將脊髓劃分為不同的區(qū)域。這些基因包括nkx,dbx,msx,pax,irx家族基因及bHLH因子Olig2（圖12.6）。在脊髓中央?yún)^(qū)域表達的基因似乎可被低濃度的Shh信號激活，而高濃度的Shh則可抑制其表達。BMP信號可促進背部神經元特異基因的表達而抑制腹側特異基因的表達。這樣，在脊髓背-腹軸的不同水平表達不同的圖式化基因組合，這些圖式化基因進而決定著相應位置所產生的神經元類型。第十九頁，共四十二頁，2022年，8月28日原神經基因編碼一組bHLH轉錄因子，包括Neurogenin（Ngn),Mash和Math家族因子原神經基因的表達啟動了神經元細胞系的發(fā)育，并且可整合相應的位置信息（positionalinformation），參與決定所產生的神經元的類型。只有表達原神經基因的細胞具有發(fā)育為神經元的潛能。不同原神經基因的表達區(qū)域是互補的，不同基因間的表達相互抑制。其中Ngn主要在腹側表達，而Mash,Math則主要在背側表達。第二十頁，共四十二頁，2022年，8月28日原神經基因的功能主要包括3方面：①抑制其周圍細胞向神經元的分化。②促進細胞向神經元方向分化而抑制其分化為神經膠質細胞。③調節(jié)細胞周期。神經細胞分化時會退出細胞周期。原神經基因產物會抑制細胞分裂而促進其分化。原神經基因可能間接激活依賴細胞周期蛋白的激酶（cyclin-dependentkinase,Cdk)抑制因子的表達，如p16,p21和p27，從而抑制細胞周期的進行。第二十一頁，共四十二頁，2022年，8月28日A原神經區(qū)的外胚層細胞最初都表達原神經基因及Notch配體Delta，但由于側向抑制作用，原神經基因表達只在神經前體細胞中得以維持并通過正反饋環(huán)路進一步增強B原神經基因在神經前體細胞的表達抑制細胞分裂，促進細胞向神經元的分化第二十二頁，共四十二頁，2022年，8月28日一、神經管細胞的增殖

神經板由單層柱狀上皮構成，神經管形成后，其柱狀上皮變?yōu)榧購蛯由掀?，此時稱為神經上皮（neuroepi-thelium），其內外面覆有內、外界膜。神經上皮的細胞有絲分裂周期有一個在神經管壁內往返遷移的過程（圖12.8）。第二節(jié)神經系統(tǒng)的組織分化第二十三頁，共四十二頁，2022年，8月28日

放射自顯影照片時發(fā)現(xiàn)，分裂期（M）的細胞緊靠管內壁，分裂后的細胞離開管內壁向外移動，同時向內、外兩側伸出細胞質突起，此為G1期。隨著細胞核逐漸移向外界膜，細胞進人S期，即DNA合成期。

此后細胞核又逐漸向內界膜移動，在接近內界膜時進人G2期。當靠近內界膜時，向外的細胞質突起縮回，細胞重又進入M期。細胞分裂后又向外移動，開始下一個細胞周期。垂直及水平兩種不同分裂方式產生的子細胞具有不同的命運。在神經系統(tǒng)發(fā)育早期，垂直分裂占優(yōu)勢，分裂后產生的兩個子細胞仍然保留在腦室層繼續(xù)分裂增殖；到了發(fā)育后期，以水平分裂為主。第二十四頁，共四十二頁，2022年，8月28日

分裂平面決定細胞命運的主要機制在于分裂后某些轉錄因子的不對稱性分布。在這一過程中，Notch-1與Numb分別位于腦室層神經細胞的兩極。當細胞水平分裂時，Notch-1被分配到要遷移離去的子細胞中，Numb則留在繼續(xù)分裂的子細胞中；但當細胞垂直分裂時，Notch-1及Numb對稱分配到2個子細胞中。Notch-1能激活某些基因表達，從而導致細胞停止分裂。第二十五頁，共四十二頁，2022年，8月28日二、神經管細胞的遷移

神經上皮細胞不斷分裂增殖，部分細胞遷至神經上皮的外周，成為成神經細胞（neuroblast）。神經上皮細胞又分化出成神經膠質細胞(glioblast)，也遷至神經上皮的外周。在神經上皮的外周由成神經細胞和成神經膠質細胞構成了一層新細胞層，形成外套層（mantlezone,MZ）或中間層（intermediatezone,IZ）。原位的神經上皮停止分化，變成一層立方形或矮柱狀細胞，稱室管膜層（ependymallayer)或腦室層(ventricularzone,VZ)。第二十六頁，共四十二頁，2022年，8月28日外套層的成神經細胞起初為圓球形，很快長出突起，突起逐漸增長并伸至外套層外周，形成一層新的結構，稱邊緣層（marginallayer）（圖12.9）。外套層中的成神經膠質細胞也分化為星形膠質細胞和少突膠質細胞，并有部分細胞進人邊緣層。外套層有為灰質和呈白質分化。在神經系統(tǒng)層狀結構的發(fā)育中，多數(shù)成神經細胞沿著放射狀膠質細胞（radialglialcell)伸出的輻射狀排列的突起遷移。這些突起被稱為輻射纖維（radialfiber)，它們從室管膜層伸向外界膜（圖12.10）。當細胞遷移完成后，放射狀膠質細胞即縮回輻射狀突起。在大腦發(fā)育中，大約有1/3的成神經細胞水平遷移至皮層。第二十七頁，共四十二頁，2022年，8月28日第二十八頁，共四十二頁，2022年，8月28日三、神經上皮的分化

神經上皮細胞呈現(xiàn)出神經元／神經膠質細胞特有表型及特征的過程即為細胞分化。分化是一種特殊時空模式基因表達的結果。

成神經細胞一般不再分裂增殖，起初為圓形，稱無極成神經細胞，以后發(fā)出2個突起，成為雙極成神經細胞。雙極成神經細胞朝向神經管腔一側的突起退化消失，成為單極成神經細胞;伸向邊緣層的一個突起迅速增長，形成原始軸突。單極成神經細胞內側端又形成若干短突起，成為原始樹突，成為多極成神經細胞。成神經膠質細胞首先分化為各類神經膠質細胞的前體細胞，即成星形膠質細胞和成少突膠質細胞。神經膠質細胞始終保持分裂增殖能力.第二十九頁，共四十二頁，2022年，8月28日右側放大圖顯示成神經細胞沿放射狀膠質細胞的突起遷移，并形成引導突和拖尾突第三十頁，共四十二頁，2022年，8月28日四、中樞神經系統(tǒng)的組織分化

在延髓和脊髓的發(fā)育中，保留了神經管具有的室管膜層、外套層和邊緣層3層結構的基本模式。1.大腦皮質的組織發(fā)生

大腦皮質（cerebralcortex)由端腦外套層的神經細胞遷移和分化而成。大腦皮質的種系發(fā)生分3個階段，最早出現(xiàn)的是原皮質（archicortex)，繼之出現(xiàn)舊皮質（paleocortex)，最晚出現(xiàn)的是新皮質（neocortex)。在大腦發(fā)育中，當大部分細胞的胞體從腦室層移向外套層時，它們是有絲分裂后的年幼神經元，一些細胞位于腦室層與外套層交界處，這些細胞像腦室層細胞一樣繼續(xù)增殖并形成新的層次，即腦室下層（subven-tricularzone，SZ)。最早完成分裂外遷的成神經細胞到達邊緣層下面形成皮層板（corticalplate，CP)，它將來發(fā)育為新皮質。越早產生和遷移的細胞，其位置越深；越晚產生和遷移的細胞，其位置越表淺，即越靠近皮質表層。第三十一頁，共四十二頁，2022年，8月28日第三十二頁，共四十二頁，2022年，8月28日2.小腦皮質的組織發(fā)生

小腦起源于后腦翼板背側部的菱唇（rhombiclip）。左右兩菱唇在中線融合，形成小腦板（cerebel-larplate），這就是小腦的始基。胚胎第12周時，小腦板的兩外側部膨大，形成小腦半球；板的中部變細，形成小腦蚓。之后，由一條橫裂從小腦蚓分出了小結，從小腦半球分出了絨球。由絨球和小結組成的絨球小結葉是小腦種系發(fā)生中最早出現(xiàn)的部分，故稱原小腦（archicerebellum），仍然保持著與前庭系統(tǒng)的聯(lián)系。第三十三頁，共四十二頁，2022年，8月28日