神经生物学：脑发育与神经细胞发生

The origin of microglia
胎儿卵黄囊
Immunity 44, March 15, 2016
Nat Rev Immunol. 2011;11(11):775-87.
- 细胞分化：细胞表现出神经元特征的过程。
- 神经前体细胞（neuroblast）首先发出突起（ neurites），在 它到达最终固定位置时已经分化完成。 树突数目在后期具有 可变性，这有赖于环境的变化。
（二）妊娠期胎儿大脑的发育
胎儿神经细胞发育的第一个高峰：怀孕10-18周 胎儿神经细胞发育的第二个高峰：第30周起为大脑细胞
增殖的第二个高峰，也是神经系统和人体生物电系统功能 的发育完善阶段。
一旦婴儿降临人间，大脑神经细胞数目已接近成人水平， 大脑神经细胞140亿个，且具备了一生的大脑神经细胞。
大脑发育还有一个特点，就是一次性定型， 一旦错过了高峰期以后就再也无法弥补了。
巨脑回畸形
脑小畸形
无脑畸形
胎儿神经管缺陷（neural tube defects，NTDs）
叶酸缺乏 同型半胱氨酸代谢紊乱
神经管缺陷 AFP大量进入羊水 母体血液中AFP浓度增加 测定母体AFP水平可检出 约90%的开放性神经管缺陷
（一）妊娠期胎儿的发育特征
（二）妊娠期胎儿大脑的发育
妊娠20天左右，胚胎的大脑原基存在，神经管成为大脑雏形。 2个月时，下方延髓逐渐形成。 3个月（10周-18周）时，神经细胞发育进入第一个高 峰期，一周平均生产五、六千万个神经细胞。 4-5个月时，脑细胞仍处于高峰期，记忆装置开始形成并发生功 能，胎儿可听到母亲的声音，每次听到母亲声音就会感到安心。
(Fletcher et al., J. Neurosci., 1994)
Synapse Formation – Characterization and Assessment
B. cell adhesion molecules (e.g. N-CAM, SynCAM) stabilize contact sites
C. differentiation into pre and postsynaptic elements promoted by signaling of neurolignin and Wnt-7 via neurixin and frizzled. Active zone elements (vesicles, receptors) accumulate.
生长锥的形成是由骨架网 格所含肌动蛋白（actin） 和 肌球蛋白（myosin）介 导
(Sanes, Reh, and Harris, 2006)
调节突起生长的外界因子
Permissive
ECM-associated
laminin fibronectin heparin sulfates
CAMs
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 的一边长出新的突起,导致细胞180度转向。
神经管内迁移的两种类型： (1) 放射状迁移 (2) 水平迁移
1. 增殖（Proliferation）
在室管带（ ventricular zone）发生 增殖速率： 250000个/分钟
2. 迁移（Migration）
当细胞在室管带增殖后， 迁移就开始了； 迁移的细胞是不成熟的， 没有轴突和树突之分； 迁移的同时出现细胞分化。
迁移的神经细胞
A
B
鼠脑室管膜下带细胞： 肌动蛋白丝染绿色 微管红色
Cortical progenitor cells follow an intrinsic developmental sequence both in vivo and in vitro.
A, astrocyte; N, neuron; O, oligodendrocyte; P, progenitor cell
迁移的两种方法： (1)胞体迁移（Somal migration） (2)胶质细胞介导的迁移（Glial-mediated migration）
Migration----放射胶质细胞（Radial Glia）
Dynamic Interaction of Microglial Processes with the Tripartite Synapse
PS: 软膜表面; MZ: 边缘带; CP: 皮质板; SP: 底板; IZ: 中间带; SVZ: 亚室 管膜层; VZ: 室管膜层; RG: 辐射状神经胶质细胞
皮层神经细胞迁移模式（Inside-out原则）
以小鼠为例。 皮层发育时先形成内层, 后形成靠近边缘的外层
3. 分化（Differentiation）
Part II 胚胎和胎儿阶段脑内神经发生 Neural Development in Embryo and Fetus
神经发生的八个阶段
1. 增殖（Proliferation） 2. 迁移（Migration） 3. 分化（Differentiation） 4. 聚集（Aggregation） 5. 突触形成（Synaptogenesis） 6. 神经元死亡（Neuron Death） 7. 突触重排（Synapse Rearrangement） 8. 髓鞘化（Myelination）
前脑泡
中脑泡 菱脑泡
头端：向两侧膨大，形成左右两个端脑 尾端：形成间脑 中脑 头段：形成后脑，演化为脑桥和小脑 末段：形成末脑，演化为延髓
脑发育动态过程
注意 沟 (sulcus)、 回(gyrus)的出现时间 6月时出现沟回
二、脑发育畸形（brain malformation）
脑穿通畸形 无脑回畸形
Brain Development & neurogenesis
脑发育与神经细胞发生
Part I 脑发育 Brain Development
一、外胚层（ectoderm） — 神经管（neural tube）
(a) 在受精后第18天， 胚胎植入子宫壁， 这时胚胎由外胚 层、中胚层和内 胚层组成。外胚 层增厚形成神经 盘
神经元命运的确定－lateral inhibition 跨膜蛋白Delta和Notch的相互作用在神经元命运确定中起关键作用。二者相互 作用后，Notch通过一系列反应抑制Neuro D和Neurogenin的表达。Neurogenin 是激活Delta表达所必需的。
诱导细胞 分化的因素
4. 聚集（Aggregation）
(Yoshimura, T. et al. J. Neurosci. 2006;26:10626-10630)
Factors regulating synapse formation
A. during neurite outgrowth genes encoding pre and postsynaptic proteins expressed, priming factors released by neurons and glia (e.g. FGF, Wnts, NTs, cholesterol)
Like neurons move together and form layers
5. 突触形成（Synaptogenesis）
1 neuron makes up to 1000 synapses with other neurons
Synapse Formation
Synapse – junction between axon and another neuron (where neurotransmission takes place) composed of presynaptic terminal, synaptic gap and postsynaptic site
（二）妊娠期胎儿大脑的发育
8个月时，大脑皮层更为发达，表面主要沟回已经完全 形成。因声波引起脑波变化，胎儿可感受到母亲的喜怒 哀乐，并产生不同的反应，可感受到甜与苦以及声音高 低的异常，也就是说，胎儿已开始形成“心理” 9-10个月胎儿，神经细胞数目与成人相同，约140亿 个，细胞会相互结合而发达，脑部沟回更加增多，皮肤 刺激可促使脑与内脏功能活跃。
synapse formation in cat visual cortex
(Sanes, Reh, and Harris, 2006)
Number of Synapses/Cell
100 80 60 40 20 0 01234567
Days in Culture
synapse formation in primary hippocampal cells
Neuron.2013
Dynamic Interaction of Microglial Processes with the Tripartite Synapse
Neuron.2013
Radial Glial Cells: Are They Really Glia?
细胞迁移与大脑皮层的形成（inside-outside）
（二）妊娠期胎儿大脑的发育
6个月时，大脑表面出现沟回，大脑皮层的层次结构也基本定 形，脑细胞数量增多，体积增大。还能迅速处理各种反应。脑 部分为男性脑和女性脑，男性会分泌男性荷尔蒙，女性会分泌 女性荷尔蒙来影响头部。
（二）妊娠期胎儿大脑的发育
7个月时，知觉和运动能力比较发达，且具有思维和记 忆能力，脑重量增加约300克，是出生时重3/4，出生时 约400克。7个月左右决定脑部性别，4-7月之间，母亲 受到强烈精神压力时，会使男性胎儿的男性荷尔蒙分泌 不良，而受到母亲女性荷尔蒙的影响，甚至可能变成女 性脑。所以怀孕期间应保持精神安定。
生长锥（Growth Cones）
Growth cones crawl forward as they elaborate the axons training behind them. Their extension is controlled by cues in their outside environment that ultimately direct them toward their appropriate targets
D. synaptic vesicles docked and receptors embedded in PSD scaffold.
microglia
(Goda and Davis, 2003)
Synaptogenesis – the formation of synapses
The number of synapses reaches a maximum at about 2 years of age; After this, pruning begins; By 16, only half of the original synapses remain.
(Prokop et al., 1996)
神经突起 (rite)
1. 伪足形成（Lamellipodia） 2. 短小突起形成 3. 轴突（ axon）形成 4. 树突（ dendrites）形成 5. 突触形成
Yoshimura, T. et al. J. Neurosci. 2006;26:10626-10630
形成末脑演化为延髓间脑中脑后脑注意沟sulcus回gyrus的出现时间脑发育动态过程二脑发育畸形brainmalformation脑小畸形无脑畸形无脑回畸形脑穿通畸形巨脑回畸形胎儿神经管缺陷neuraltubedefectsntds叶酸缺乏同型半胱氨酸代谢紊乱神经管缺陷afp大量进入羊水母体血液中afp浓度增加测定母体afp水平可检出约90的开放性神经管缺陷一妊娠期胎儿的发育特征妊娠20天左右胚胎的大脑原基存在神经管成为大脑雏形
Neurotrophic factors
N-cadherin NGF
NCAM
BDNF
L1
GDNF
NT-3,4
BMP
Inhibitory
CSPGs NG2 MAG Nogo
Guiding
semaphorins ephrins netrins slits
细胞外基质 (ECMs)调节突起生长的细胞内分子机制
(b) 在第 20 天神经 槽形成
(c) 在第 22 天神经槽闭合 形成神经管
(d) 在第 24 天形成： 端脑（ telencephalon）、 间脑（diencephalon）、 中脑（mesencephalon）、 菱脑（rhombencephalon）
③
④
⑤
② ①
第6周
①端脑 ②间脑 ③中脑 ④后脑 ⑤末脑