发育神经生物学

基底面(外界膜)
S带 I带 M带
(内界膜)
神经管上皮细胞的细胞周期示意图 M期细胞集中于内界膜面； S期细胞集中于外界膜面；G2期细胞迅速下降至主腔面
4）大鼠及人脑的细胞周期 应用流式细胞计测定大鼠和人脑的细胞周期： ① 大鼠：大、小脑G2/M期（含即将与正在分 裂期的细胞）的细胞峰值在胚18d占测定脑 细胞总数的54.3%，以后逐渐降低。出生后 G2/M期细胞急剧降低。新生鼠与成年鼠 G2/M期细胞数无明显差异。进化过程中出现 较晚的大、小脑细胞的G2/M期细胞数明显高 于中脑、脑桥、延髓和脊髓。成年大鼠G2/M 期细胞数为1.99%。
5. 最近，基于组化研究提出中枢神经系统发 生的基质细胞理论：该理论认为，中枢神经 系统的发生经过3个时期，在第一期中，神 经管仅由一种多能干细胞（又称基质细胞） 组成。第二期中，经过几次分裂后，基质细 胞开始分化为神经元。第二期后，中枢神经 系统中的任何类型的神经元均不再有DNA 复制。神经元产生结束后，进入第三期。在 第三期中，基质细胞分化成为胶质细胞，以 后再顺序生成星形胶质细胞、少突胶质细胞、 和小胶质细胞。小胶质细胞是中枢神经系统 受损后最先起反应的细胞，它在组织剧烈受 损时可以逆分化成为胶质细胞。
发育神经生物学 Developmental Neurobiology
课程的性质 发育神经生物学(Developmental Neurobiology)是神经科学 中一个重要的分支学科。它的研究包括神经细胞谱系的追踪， 神经元和神经胶质细胞的发生、诱导、迁移、分化，轴突与树 突的发育，突触的发生和神经网络的形成，各脑区的组织发 生，发生后的发育、成熟、老化、退变，神经系统的可塑性、 伤后的再生和修复，以及神经系统退行性疾病的发病机理和脑 内移植的应用等方面，其范围极其广泛。近年来，随着分子生 物学的深入研究，使神经系统发育中基因调控的研究有了较为 迅速的发展。特别是关于与神经系统发育密切相关的同源盒基 因(homeoboxgene)的研究发现，使这一领域受到更多的关注。 从某种意义上说，现代发育神经生物学的研究，实质上是神经 系统的发育再生及其基因调控的研究，因而是一个极其复杂的 生物学过程。 发育神经生物学是《神经生物学》硕士研究生的学位课， 54学时，主要讲授神经系统的发育、再生与细胞编程性死亡， 神经系统的可塑性等。通过这门课程的学习，使学生初步掌握 神经系统从发育至老化中的有关问题及调控与研究方法。
4. Levitt（1981）应用神经胶质原纤维酸性蛋 白（glia fibrillary acid protein, GFAP）的免 疫组化染色显示猴从受精后38d至出生两个 月，其神经管各个部分的上皮可分为两类， 即GFAP 阳性和GFAP阴性细胞，而神经元 和神经胶质细胞则由这两种不同的前体细胞 分化而来。早期神经胶质细胞为放射状胶质 细胞（radial glia cell），在猴受精后40d时 已经可见到。它的突起很长，如纤维状，贯 穿整个神经管壁，一端附着在室区与室下区， 另一端呈扇形，扩展分布在软脑膜的下方。
二、中枢神经系统神经元与神经胶质细胞的起 源与分化 （一）神经元和神经胶质细胞的起源是神经系 统发育中一个有争议的问题 1. 19世纪末，His（1889）研究人胚脑的神经 上皮细胞的分化，提出早期神经管的分裂区 存在两种不同的细胞，分别称为生发细胞 （germinal matrix cell）和成神经胶质细胞 (spongioblast)。生发细胞是具有高度有丝分 裂能力的神经上皮细胞，单个存在，体积较 小，以后增殖分化成神经元；成神经胶质细 胞常多个聚集在一起列成网状，以后分化形 成神经胶质细胞。
5. 各组神经元发生的时间各不相同。常在一个相当 短的时间完成最后的细胞周期并成为永久的有丝 分裂后细胞。神经胶质细胞则相反，与同一脑区 的神经元比，它们通过分裂周期的时间要长得多， 或者停留在G1期等待适当刺激。 6. 在发生的顺序上，一般是大神经元、中等大小神 经元，然后是小神经元。如颗粒细胞。在小脑皮 质，浦氏细胞最先发生，然后是GolgiⅡ细胞、蓝 细胞、星型细胞，最后是颗粒细胞。在大脑皮质， 锥体细胞最先发生，然后是颗粒细胞。在脊髓， 大神经元发生的峰值在小神经元以前。该发生规 律几乎适用于所有哺乳类动物及亚哺乳类脊椎动 物。
基底面(外界膜)
S带 I带 M带
(内界膜)
神经管上皮细胞的细胞周期示意图 M期细胞集中于内界膜面； S期细胞集中于外界膜面；G2期细胞迅速下降至主腔面
1）细胞周期中的神经上皮细胞特点 神经管的神经上皮细胞均处于细胞周期的不同时期；核的 位置随细胞周期的不同而在内、外界膜之间往返移动。 S期： DNA合成期，细胞集中于外界膜面，细胞开始缩短变 圆，向内界膜移动，细胞核也随之移向内界膜。S期细 胞靠近外界膜聚集成S带。 G2期：时间较短，与邻近细胞的连接消失，细胞迅速下降至 主腔面，细胞核变圆，进入M期。M带与S带之间为中 间带（intermediate zone, I带） M期：分裂期，细胞集中于内界膜面。M期细胞靠近内界膜聚 集成M带。在分裂期，神经上皮细胞不断增殖过程中，细 胞开始进行迁移和分化。M带有丝分裂中期细胞的纺锤体 如与表面垂直，分裂后的一个子细胞即向神经上皮的外周 迁移，并分化为神经母细胞（neuroblast），它们不具备 摄取3H-胸腺嘧啶的能力，也不再分裂，为幼稚的神经元 G1期：分裂完成后，细胞间重建连接结构，细胞核再度变长， 移向外界膜，进入S期。M带与S带之间为中间带。
第一章 神经细胞的发育分化与神经系统 发育中的基因调控
神经元与神经胶质细胞的发育和分化是
发育生物学研究的热点之一。
细胞克隆（cell clone）：由一个细胞通过有丝 分裂产生的具有同一遗传特征的一群细胞 细胞族(cell lineage)：一个细胞经过分裂、分化 后产生的子细胞及母细胞群体，它们之间的 遗传特性、形态特征不尽相同，也称为细胞 世系、细胞谱系。
（三）神经元的起源与分化 1. 神经元的起源 神经系统起源于神经外胚层神经管和神 经嵴的分化。 在人胚第3周末，胚胎背面正中部外胚层 在脊索的诱导下形成神经板，以后发育为神经 管。神经板由单层柱状上皮构成，称为神经上 皮。当神经管形成后，管壁变为假复层柱状上 皮，上皮的基膜较厚称为外界膜（external limiting membrane），靠神经管腔的内表 面的一层膜，叫内界膜（internal limiting membrane）。
细胞周期的模式图 1.连续增殖细胞；2.暂时性不增殖细胞；3.无增殖细胞
2、细胞周期中的神经上皮细胞 神经上皮（neuroe来自百度文库ithelium）：神经管上皮， 是假复层上皮。 腔面：内界膜 基底面：外界膜 细胞形态：柱状、锥形或梭形。神经上皮细 胞具有明显的浆膜，是分离的，不形成合体 细胞。 细胞核：位于不同平面；在腔面细胞间彼此 以闭锁堤连接
2. Schaper（1897）提出早期神经管的上皮细 胞由单一的细胞类型组成，它们占有整个管 壁区域。在细胞间期DNA合成时，细胞呈楔 形，其含核部分较宽，位于管壁的表面部分， 余下的细胞质部分较细，伸向腔面。待DNA 合成后，细胞核逐渐向管腔方向移动。在分 裂中期，细胞变成圆形，核大而圆，为未分 化型细胞。经过细胞的不断分裂，它即能分 化成神经元，又能分化成神经胶质细胞。
3. 神经元与神经胶质细胞来自共同的干细胞 的实验依据最早发现于视网膜神经元和苗勒 氏细胞（神经胶质细胞）的分化。视网膜干 细胞在完成多次有丝分裂后，仍具有向神经 元和神经胶质细胞分化的能力。 4. 脊椎动物的干细胞并非很早就决定了向不 同类型神经细胞与神经胶质细胞分化的能力， 它具有可塑性，在分裂增殖过程中可受环境 因素影响而改变其分化方向。
②人：大脑皮质脑细胞G2/M期峰值在胚4月， 但G2/M期细胞明显低于大鼠，仅为6.2%， 且随发育进程G2/M期细胞数逐渐降低，到 成年仍保持在1.0%。 a.高度进化的人类脑细胞分裂稍低于啮齿类动 物。 b.G2/M期细胞中神经胶质细胞是主要的。 c.成年动物神经元有无G2/M期分裂相细胞？成 年动物脑内神经元，除颗粒细胞外，极少有 分裂能力。 d.神经元的新生因部位而异，并受遗传、营养、 激素以及环境因素的影响。
b、分裂后DNA合成即开始，并开始向外界膜移动， 抵外界膜进入S期；S期较长，历时6~8h，在一个快 速分裂的细胞，S期占细胞周期的1/2。 c、核向管腔内界膜移动时，DNA继续复制，神经上 皮内1/3细胞核内含有DNA 的4倍量，为G2期，DNA 合成后期；G2期历时1~4h，细胞可永久停留在G2期， 并保持4n的DNA含量。 d、当核移到管腔内界膜处，进入M期。在M期，细胞 分裂为两个子细胞，每个含有2n的DNA。神经上皮 细胞的M期通常非常短，一般历时40~70min，随着 发育的进程，M期逐渐延长。发育中神经管切片上， 核分裂数一般不超过2%~5%。
一、细胞周期中的神经上皮细胞 1. 细胞周期（cell cycle）：细胞生活周期(cell life cycle)，细胞增殖周期（cell generation cycle） 细胞周期： M期（分裂期mitotic phase, ）： S期（DNA合成期）：细胞急剧合成DNA聚合酶 及4中脱氧核苷酸。 G1期（gap 1 phase）：M期之后与S期之前的 时期。DNA合成前期，合成细胞所需要的结构 蛋白和酶蛋白，为DNA复制准备必要的条件。 G2期（gap 2 phase）：S期之后，又称合成后 期或分裂前期。为细胞分裂准备条件，细胞进 行活跃的RNA和蛋白质合成，并可合成一些 “有丝分裂”因子。
（二）神经元与神经胶质细胞的起源 1. 神经元与神经胶质细胞来自共同的干细胞。 干细胞来自胚胎早期的室管膜上皮产生的具 有多分化潜能的多潜能干细胞（multipotent stem cell MSC）。将MSC体外培养表明， 它可以发生神经元、放射状胶质细胞和星型 胶质细胞，也可以是一个星型胶质细胞的祖 先细胞产生一群子代星型胶质细胞。 2. 干细胞不仅存在胚胎早期，在出生后室管膜 下层可长期存在。干细胞在生后存在的功能 可能是补充皮质中死亡或损伤的神经细胞。
3）神经上皮细胞核往返移动的机制 细胞的往返移动表示神经上皮细胞所特 有的，也见于各种假复层柱状上皮的胚胎组 织。 ① 与微管的活动有关 a.应用细胞分裂抑素（cytochalasin B）可以完 全阻止鸡胚胎神经管核间期细胞的迁移； b.作用于神经上皮细胞顶端，可破坏细胞内微丝及 神经管腔处细胞间的贴附； c.应用秋水仙素可抑制细胞的分裂，从而终止细胞 核的移动。
② 与DNA的含量及核大小有关 核的体积在向外运动中增加一倍，向内运动时再 增加一倍； 核的DNA含量和核的体积是相对应的。 a、早期神经管中，贴近管腔的小核含有多于DNA双 倍体的量，所有神经上皮细胞都进入细胞周期； G1 期很短，也随着发育的进程逐渐延长，但不同动物 G1期的时间差异很大，自数分钟、数小时至数天。 在分裂期后，其子细胞可仍停留在G1期，其中一个 或两个子细胞也可立即开始DNA合成进入S期，即在 外移过程中开始DNA复制。多数神经元永久停留在 G1期，神经胶质细胞暂时分布于G1期等待特殊的信 号使它们进入新一轮的DNA转录。
3. Fujita等（1963）用H-TdR放射自显影术研 究鸡胚神经管的发育时，见到早期神经管上 皮只由一种类型的细胞组成。这种细胞不断 分裂，先分化为成神经细胞，然后在中间区 形成神经元。待神经元分化过程结束后，神 经上皮再分裂分化形成神经胶质细胞，再经 过迁移过程，在中间去形成神经胶质细胞。 实验说明，神经元与神经胶质细胞均由神经 上皮的同一种细胞分化形成，只是它们分化 的时间不同。先分化的形成神经元，后分化 的是神经胶质细胞。
2）细胞周期中的神经上皮细胞三个去向： ① 继续进入有丝分裂周期。在神经板和早期 神经管中的子细胞可再进入有丝分裂周期， 失去与管腔基底连接。 ② 不能进入分裂周期的子细胞则迁移进入套 层。各种类型的神经元和神经胶质细胞在套 层发生分化。 a、一些神经元和神经胶质细胞在受适当刺激 情况下仍可进入有丝分裂周期； b、另一些神经胶质细胞则暂时离开细胞分裂 周期或永久离开细胞分裂周期；神经元是永 远离开细胞分裂周期。