第四章 神经系统的发育和再生

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1、 第四章神经系统的发育 一 神经系统的发生与分化 1 神经系统发育的基本过程1 神经板的诱导 包括对神经板形成的原发诱导及早期脑脊髓形成的次级诱导2 不同区域细胞的局部增殖3 细胞的联系及同类细胞的粘着4 细胞的迁移 神经元及神经胶质细胞的分化6 细胞群落的特殊联系的建立7 神经元间的联系及细胞死亡8 已建立联系的神经组织的发育 2 胚胎初级发育的过程及有关神经发育的基本概念过程 受精卵 zygote 卵裂 cleavage 囊胚 blastula 原肠胚 gastrula 神经胚 neurulation 脊索 notochord 是由中胚层细胞组成的一个圆柱体 沿胚胎的中线由前向后伸展 它确

2、定了胚胎的中线 神经胚 原肠胚的外胚层经过发育 经神经板 neuralplate 神经褶 neuralfold 神经沟 neuralgroove 最后形成神经管 这就是神经胚的形成 经历上述变化的胚胎称为神经胚 简而言之 已经形成神经管的胚胎叫神经胚 3 神经诱导及有关依据神经诱导 在原肠胚中 原肠背部中央的脊索与其上方覆盖的预定神经外胚层之间细胞的相互作用 使外胚层发育为神经组织的过程称为神经诱导 实验依据 1 Spemann和Mangold用含不同色素的两种早期原肠胚进行移植实验 2 Mangold将原肠顶脊索中胚层由前向后的不同部分分别移植到早期原肠胚的囊胚腔 可以诱导从头部到尾部的不同

3、结构 3 Holtfreter用 夹心面包法 在两片未分化的外胚层之间夹上胚孔背唇 早期原肠胚胚孔背唇诱导前脑结构 而晚期的诱导后部结构 4 有关神经诱导分子基础的实验 滤膜实验 蝾螈胚孔背唇与外胚层各在滤膜一侧 结果仍能诱导神经组成的形成 说明是分子而不是细胞突起的作用 神经板的外胚层细胞发育为神经元的原因 神经板外胚层细胞有默认的基因调控程序神经板以外的外胚层细胞存在抑制因子神经板上的细胞可接受某种信号 使得它们最终可成为神经细胞调控因子 骨形态发生蛋白 bonemorphogeneticprotein BMP 压抑外胚层细胞向神经细胞转化 非洲爪蟾实验 控制BMP信号传导的分子基础 胚孔

4、背唇分泌可扩散的分子noggin follistatin chordin蛋白 能阻断BMP与其受体结合 4 神经管细胞的增殖 迁移 分化增殖 神经管由原来的柱状上皮变为假复层上皮 此时称为神经上皮 neuroepithelium 或增殖上皮 germinalepithelium 细胞的分裂阶段 G1 S G2 M迁移 有丝分裂后的细胞开始向神经管外壁迁移 外套层 边缘层 中间层神经细胞的分化 在迁移过程中 神经元和神经胶质细胞产生分化 皮层细胞以先到在内侧 后到在外侧的模式迁移 5 神经管的分化初级脑泡 primarybrainvesicle 前脑泡 prosencephalicvesicle

5、 中脑泡 mesencephalicvesicle 和后脑泡 菱脑泡 rhombencephalicvesicle 三脑泡阶段 前脑泡分化为端脑泡 telencephalicvesicle 和间脑泡 diencephalicvesicle 端脑泡最后将发育成大脑半球 间脑泡发育成丘脑 thalamus 和下丘脑 hypothamus 中脑泡发育成大脑导水管 后脑泡发育成较前的后脑泡既而发育为小脑和较后的末脑泡发育为延髓 神经管分化的机制头尾轴前脑由中胚层产生的Follistatin Noggin Chordin和前体腔内胚层的转录因子Lim 1 Otx 2诱导产生中脑有中脑泡和后脑泡曲折处峡部

6、所释放的Wnt 1和FGF 8诱导决定后脑由Hox同源盒基因簇 Homeoboxgen 基因序列号从头到尾排为1到13 和视黄酸浓度 前高后低 决定背腹轴生成原因 腹部神经元由神经管下方脊索释放信号分子Shh Sonichedgehog 诱导 背部神经细胞由BMP4 BMP7 dorsalin和activin所决定 6 神经嵴及其衍生物 神经管形成后 神经嵴位于管背部两侧 神经嵴是一种短暂的结构 在神经管愈合后 神经嵴细胞是具有可塑性的细胞群感觉 交感和副交感的神经元和胶质细胞 肾上腺的髓质细胞 表皮中的黑色素细胞 头部和颈的骨骼和结缔组织 影响神经嵴细胞多能性的因素 在胚胎的位置 颈部神经嵴

7、细胞副交感神经元胸部交感神经元 交换位置后则反之 生长因子细胞外基质激素 7 外胚层板 ectodermalplacode 当神经管开始愈合时 在胚胎头部神经管下方特定区域外胚层增厚形成的 主要产生感觉上皮和脑神经节细胞如三叉神经节 舌咽神经节 迷走神经节 较重要的外胚层板是嗅基板 olfactory 和听基板 auditory 8 细胞凋亡是神经系统调整细胞数量的一种机制 一种线虫发育过程 1090个家系细胞131个细胞凋亡959个胚胎细胞 影响因素 靶器官 切除鸡胚附肢 脊髓运动神经元数目极度减少神经生长因子和神经营养因子 NGF NT 3 BDNF GDNF CNTF 传入神经的调节 传

8、入神经消失时 其投射的神经细胞发生死亡功能活动的影响 神经 肌肉传递被箭毒长时间阻断后 神经细胞的凋亡被推迟 二 神经回路的形成 1 神经回路的建立 通过轴突和它们生长过程中接触的细胞及细胞外基质成分间的相互作用逐渐建立起来 生长锥 growthcone 神经元轴突和树突生长的末端 先驱神经纤维 pioneerfiber 指在发育期间形成较早 最早到达靶组织的轴突 它们是其他轴突发育为神经束的引路向导 2 轴突生长的引导影响因素 触向性 指轴突沿着一定的表面生长 是机械性影响 蝾螈脊髓室管膜细胞间有通道 小鼠视网膜神经节细胞有到视柄的通道基质的粘连性 轴突一般沿着可粘连的物质生长 向电性 轴突

9、的生长可能受电场的影响 一般向阴极生长向化性 轴突的生长是根据化学线索进行 生长路线的标记大多数轴突最初的生长是高度定向和高度特异的 即使离靶区相对很远也是如此 由此提出轴突是沿着在其生长路线上存在的化学标记物运动的假说 1 轴突沿着具有特殊化学标记物的路线生长 2 不同的神经元有不同的标记物 3 在位置上具有的生物化学特性的不同将标记不同的路线 3 轴突的过度增生和撤消 一些轴突的投射在起初比成熟的时期较少具有特异性 存在过度增生 1 轴突的早期过度增生 2 许多在成体中明显是单侧的通道 在发育的早期是双侧的如视网膜的发育 成熟时一般是交叉投射 3 成年动物中 只有少数皮层区产生皮层脊髓投射

10、 而在年幼的动物中 在一些广泛的区域产生投射 随着动物的成熟而撤消 4 树突的发育和分化 出生后开始分化 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 树突的分化 传入神经对树突分化的作用 感觉神经的丧失也能影响树突的形成 5 局部地域有序投射形成的特异性当生长的轴突到达其靶组织后 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 topographicallyorderedprojection 如视网膜顶盖投射图 机制 化学亲和性假说 选择性连接的建立是因为突触前和突触后两部分具有相互识别和粘连的互补分子标记 体积不同的实验 切除部分顶盖 完整的视网膜

11、再生到剩余的部分顶盖中 破坏一部分视网膜 剩余的视网膜神经节细胞再生的轴突投射到完整的顶盖中 6 神经发育的可塑性神经系统具有变化和调整的能力 称为 可塑性的表现形式 突触的消失和稳定回路的重排突触竞争环境对突触连接的影响 7 突触连接的构筑 突触构筑的基本条件 1 神经元必须在特定时间内离开细胞周期2 它必须迁移到适当的区域3 它可能产生一种与相临细胞间的空间特征4 树突必须以特征性的形状和方向形成5 轴突必须离开细胞体沿正确方向朝着终止区域生长6 轴突能引导分支到达适合的的一个或几个脑区7 在脑区的轴突必须恰当的亚区或细胞层再分支8 轴突的末梢区与其起源和终止区的细胞体形成特定的分域性关系

12、突触连接的构筑要求 分子组成成分能被分别到突触位点 突触的膜成分必须插入到突触前和突触后的膜中 而且突触的细胞质成分要以某种方式定位于合适的位置 突触形成的3个阶段 发育中的轴突有选择地与靶细胞形成联系轴突的生长锥分化成神经末梢靶细胞将必要的构件安排到突触后膜上 神经系统发育机制的许多问题还未清楚 但根据已有的知识 发育过程可归纳为三个基本原则 第一 中枢神经系统不论从种系发生及个体发生都源自紧密排列 细胞间质很少的上皮组织 第二 在发育过程中 由于细胞互相作用导致细胞及其凸起的再分布 第三 每一发育过程精密的时间空间整合程序 反映了基因及基因外因素的相互作用 中枢神经系统发育异常 神经管异常

13、 无脑畸形 神经管前端愈合失败隐性脊柱裂 腰骶部神经弓发育异常脊髓脊膜膨出 脊髓暴露出皮肤外脑脊髓膜膨出 很少有症状其他脑脊髓 脑积水 大量脑脊液潴留于脑室中 三 神经的损伤与再生 1 神经损伤实质 神经元胞体的损伤和神经突起的损伤2 损伤后的退化现象轴突切断 axotomy 胞体萎缩 atrophy 逆向性变性 retrogradedegeneration 跨神经元的变性 跨突触效应 正向跨神经元变性 逆向跨神经元变性 3 轴突和突触损伤后的反应性增长轴突的再生 axonalregeneration 完全再生 能与其正常的靶组织重新连接 再生的出芽生长 出现受损轴突的短距离再生 但不能与正常

14、的靶组织重新形成连接 轴突再生一般只发生于周围神经系统 但鱼类和两栖类中枢神经系统也出现轴突再生 如它们的视神经即具有完全再生能力 近年来发现 高等脊髓动物胚胎和幼体的中枢神经系统具有再生的能力 限制中枢神经纤维再生的主要因素 神经胶质瘢痕的形成细胞微环境 中枢神经髓鞘由少突神经胶质细胞形成 而外周为施万细胞 靶组织的作用 靶组织能引导神经纤维的再生 但靶标并不是固定不变的 异位突触的形成 出芽生长的再生神经元本身的因素 ACh NE 5 HT细胞再生能力强 其他细胞则差些 4 影响神经再生的其他因素 神经生长因子细胞表面粘连分子细胞外基质成分 成熟的少突胶质细胞和中枢神经髓鞘 影响再生 5 神经移植周围神经移植段促进再生 周围神经系统的环境 特别是施万细胞形成的周围神经的髓鞘可促进轴突的再生 用胚胎神经组织代替受损的神经组织 神经干细胞用成体神经组织代替受损伤的神经组织 老年性痴呆 一种精神状况的病态改变 包括人格的变化 智力消失 记忆和推理变异 病因 缺乏维生素长期低血糖 低甲状腺素和慢性肝病癫痫脑占位性病变颅脑外伤梅毒早脑性痴呆血管性病变