中枢神经系统发育及其可塑性解读
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Neuronal progenitor Glial progenitor
ectoderm
Neural progenitor
Inducting factors
mesoderm
原肠胚期早期的两栖类动物胚胎
Leabharlann Baidu
背唇可以诱导两栖类动物胚胎形成第二条神经轴：（A）斯佩曼和曼葛得的组 织块移植实验。将供体原肠胚早期的背唇移植到宿主胚胎的腹侧以后，宿主 会在应该形成腹部表皮的位置，产生包括神经板在内的第二个体轴。(B) 神 经诱导的分子模型。背唇中胚层细胞分泌的Noggin、Chordin和Follistatin 能阻止外胚层中的BMP家族蛋白与其受体结合，从而抑制BMP诱导表皮的产生， 使背侧外胚层形成神经板。
The dorsal NT the epidermal ectoderm
• The neural tube formation
Cranial neuropore
anlage brain anlage spinal cord
CNS
Caudal neuropore
A sample in human embryo-developing in fourth to fifth week. Showing neural fold，cranial neuropore，somite， caudal neuropore, etc.
中胚层细胞能决定神经系统的前后轴
（A）原肠胚期晚期的两栖类动物胚胎的组织结构（前后轴中线水平的切面）； （B）用于解释神经板如何沿着前后轴分化的“双信号”假说。
Where are neuron and glial cell from?
Neural tube-MSC Neural-epithelia
• This mode of cell division predominates early in development expand the population of neuronal precursor • The both cells cleaved horizontally from the precursor, one migrates away to take up its position in the cortex, where it will never divide again. The other daughter remains in the ventricular zone to undergo more division. • This mode predominates later in development neuronal precursor
- Neuronal structure develops in three major stages:
1. Cell proliferation 2. Cell migration 3. Cell differentiation
1. cell proliferation - Induction during neuronal genesis
–遗传因素：包括单基因遗传性疾患，多基因遗传性疾患及染 色体病；
–环境因素：包括药物和环境化学物质、微生物感染、电离辐 射、母体疾病等因素。此外，营养因素如已知某些维生素缺 乏，特别是叶酸缺乏可影响神经管的正常封闭。
The genesis of neurons
- The first step in wiring the nervous system together is the generation of neurons.
颈段以下的脊神经根便斜向尾
侧，至腰、骶、尾段的脊神经 根则在椎管内垂直下行，与终 丝共同组成马尾。
Normal
Anencephaly
spinal bifida
• 中枢神经系统发育异常并不少见
–发育异常是指由于各种因素导致的先天畸形。狭义的概念 仅指出生时解剖结构畸形。广义的包括出生时各种解剖结 构畸形、功能缺陷及代谢、遗传行为的发育异常。 –据WHO(1966) 调查了包括16个国家的25个医学中心的 421 781次妊娠，发现严重畸形占0.46%，轻度畸形占1.27%， 总发生率为1.73%。 –我国1986-1987年作为国家攻关课题进行了大规模的出生缺 陷调查，对全国29个省市自治区的945所医院124万多围产 儿进行了监测，发现出生缺陷的总发生率平均为 1.301%
–一些流行病学调查结果显示某些出生类型的缺陷，发生率 与地理条件有密切关系。山西省出生缺陷总发生率最高， 湖北省最低
• 导致发育畸形的因素远未完全清楚
–中枢神经系统畸形绝大部分是由于神经管发育缺陷或神经管 前后孔未闭引起,占总先天畸形发病率的17％.主要是无脑畸 形、隐性脊柱裂、脊髓脊膜膨出，脑积水等。此外，脑过小 畸形、胼胝体不发育、苯丙酮尿症、精神发育迟滞等均属神 经系统的发育异常，但较少见。
• 三个原始脑泡是脑的原基
左、右大脑半球
端脑 前脑泡 两个侧脑室 间脑 第三脑室 背：四叠体
前N孔闭合
脑 泡
Brain vesicle
中脑泡
中脑
腹：大脑脚 中：中脑导水管
后脑 菱脑泡 末脑 （后） 脑泡腔
脑桥、小脑 延髓 第四脑室
• 神经管的尾侧段分化、发育为脊髓
基 本 保 持 三 层 结 构
• Notch-1 “unopposed” by numb, activates the gene expression that the cell to cease division and migrate away from the ventricular zone.
In human, most neocortical neurons are born between the fifth week and fifth month of gestation (pregnancy), peaking at the astonishing rate of 250,000 new neurons per minute.
边缘层—白质
套层—脊髓灰质
管腔—中央管
两侧壁套层神经母细胞和成胶质细胞的迅速增生而增厚
顶板 神经管顶壁和底壁薄而窄 底板
腹侧—两基板 背侧—两翼板
• 胚胎第三个月之前，脊髓与脊 柱等长，其下端达脊柱的尾骨； • 胚三个月后，因脊柱增长快于 脊髓，脊柱便渐超越脊髓向尾 端延伸，脊髓位置相对上移； • 出生前，脊髓下端与第三腰椎 平齐，仅以终丝与尾骨相连； • 节段分布的脊神经均在胚胎早 期形成，从相应节段的椎间孔 穿出，脊髓位置上移后，脊髓
Neuroblast glioblast
1. cell proliferation
- To grow or multiply by rapidly producing new cells
Marginal zone Ventricular zone
Neuroblast
neural tube neural tube
From neural tube to the initial brain and spinal cord
• The entire nervous system arises from the ectoderm
• The induction and patterning of the nervous system
Ventricular zone precursor cells repeated this pattern until all of the neurons of the cortex have been generated. The cleavage have been basically finished on pregnant fifth month in human.
(A) 神经板期 (B) 神经褶期
(C) 神经管期
neural plate
• The neural tube (NT) formation
neural groove
- The neural plate is induced by signals from
adjacent mesoderm
neural fold
1. cell proliferation - The fate of the newly formed daughter cells
• Both daughter cells cleaved vertically from the precursor remain in the ventricular zone to divide again and again.
脊椎动物神经管的形成:神经管有两个主要的轴线：背腹轴和前后（头尾）轴。 前后轴将神经系统分成前脑、中脑、后脑和脊髓，还将这些区域细分为更加特 殊的神经结构。在背腹轴上，不同的区域也有不同的神经细胞种类。在有些部 位，还有左右轴，即左右两侧分布不同的神经细胞。外周神经系统来源于与神 经板相邻的神经脊，后者是外胚层中一群特殊的细胞，从发源地迁移到胚胎多 个部位，形成包括外周神经系统在内的多种组织。即脊髓平面的神经系统及其 周围组织，背侧在上，腹侧在下。
1. cell proliferation
- How does the cleavage plane during cell division determine the cell’s fate?
- The distribution of cell constituents in precursor cells:
细胞调亡 - 突触重排及消退等
Outline
Ectoderm - neural tube - brain and spinal cord (review)
The genesis of neurons
The genesis of connections (synapse formation) The elimination of cells and synapses Activity-dependent synaptic rearrangement The Elementary Mechanisms of Cortical Synaptic Plasticity Importance of the critical period Concluding Remarks
Research suggest: • the gene expression of the precursor is regulated by its transcription factors( the proteins/upstream molecules ). See left figure.
- The neural plate is patterned along its dorso-
ventral axis by signals from adjacent nonneural tube
neural cells The ventral NT the notochord
neural tube
中枢神经系统发育及其可塑性
Development of Central Nervous System and Its Plasticity
Introduction
• 诱导(induction) ：指胚胎发育过程中两种细胞群落通过分 子间的相互作用使其中一个群落或两个群落发生定向分化 的过程。提供或传递诱导分子的细胞是诱导者( inductor)， 接受这种分子的细胞或结构称反应者( reactor)。 • 结构发育：神经上皮－脑和脊髓构筑 • 神经环路发育或构筑：神经元发生－突触形成 • 可塑性(plasticity)：即神经系统发育过程中神经元对神经活 动及环境改变所作出的结构和功能上的应答反应。
1. cell proliferation
- a characteristic of the choreography of cell proliferation
合成DNA时(S期)，其核位于靠近外侧膜处，然后核又回到靠官腔的位置进 行有丝分裂(M期)，有丝分裂产生的子细胞又移行至外界膜，再合成DNA 并重复其增殖周期。分裂后子细胞(daughter cell) 命运(fate)如何决定于很多 因素，其中非常重要的因素是基因表达(gene expression)的差异性,而基因表
ectoderm
Neural progenitor
Inducting factors
mesoderm
原肠胚期早期的两栖类动物胚胎
Leabharlann Baidu
背唇可以诱导两栖类动物胚胎形成第二条神经轴：（A）斯佩曼和曼葛得的组 织块移植实验。将供体原肠胚早期的背唇移植到宿主胚胎的腹侧以后，宿主 会在应该形成腹部表皮的位置，产生包括神经板在内的第二个体轴。(B) 神 经诱导的分子模型。背唇中胚层细胞分泌的Noggin、Chordin和Follistatin 能阻止外胚层中的BMP家族蛋白与其受体结合，从而抑制BMP诱导表皮的产生， 使背侧外胚层形成神经板。
The dorsal NT the epidermal ectoderm
• The neural tube formation
Cranial neuropore
anlage brain anlage spinal cord
CNS
Caudal neuropore
A sample in human embryo-developing in fourth to fifth week. Showing neural fold，cranial neuropore，somite， caudal neuropore, etc.
中胚层细胞能决定神经系统的前后轴
（A）原肠胚期晚期的两栖类动物胚胎的组织结构（前后轴中线水平的切面）； （B）用于解释神经板如何沿着前后轴分化的“双信号”假说。
Where are neuron and glial cell from?
Neural tube-MSC Neural-epithelia
• This mode of cell division predominates early in development expand the population of neuronal precursor • The both cells cleaved horizontally from the precursor, one migrates away to take up its position in the cortex, where it will never divide again. The other daughter remains in the ventricular zone to undergo more division. • This mode predominates later in development neuronal precursor
- Neuronal structure develops in three major stages:
1. Cell proliferation 2. Cell migration 3. Cell differentiation
1. cell proliferation - Induction during neuronal genesis
–遗传因素：包括单基因遗传性疾患，多基因遗传性疾患及染 色体病；
–环境因素：包括药物和环境化学物质、微生物感染、电离辐 射、母体疾病等因素。此外，营养因素如已知某些维生素缺 乏，特别是叶酸缺乏可影响神经管的正常封闭。
The genesis of neurons
- The first step in wiring the nervous system together is the generation of neurons.
颈段以下的脊神经根便斜向尾
侧，至腰、骶、尾段的脊神经 根则在椎管内垂直下行，与终 丝共同组成马尾。
Normal
Anencephaly
spinal bifida
• 中枢神经系统发育异常并不少见
–发育异常是指由于各种因素导致的先天畸形。狭义的概念 仅指出生时解剖结构畸形。广义的包括出生时各种解剖结 构畸形、功能缺陷及代谢、遗传行为的发育异常。 –据WHO(1966) 调查了包括16个国家的25个医学中心的 421 781次妊娠，发现严重畸形占0.46%，轻度畸形占1.27%， 总发生率为1.73%。 –我国1986-1987年作为国家攻关课题进行了大规模的出生缺 陷调查，对全国29个省市自治区的945所医院124万多围产 儿进行了监测，发现出生缺陷的总发生率平均为 1.301%
–一些流行病学调查结果显示某些出生类型的缺陷，发生率 与地理条件有密切关系。山西省出生缺陷总发生率最高， 湖北省最低
• 导致发育畸形的因素远未完全清楚
–中枢神经系统畸形绝大部分是由于神经管发育缺陷或神经管 前后孔未闭引起,占总先天畸形发病率的17％.主要是无脑畸 形、隐性脊柱裂、脊髓脊膜膨出，脑积水等。此外，脑过小 畸形、胼胝体不发育、苯丙酮尿症、精神发育迟滞等均属神 经系统的发育异常，但较少见。
• 三个原始脑泡是脑的原基
左、右大脑半球
端脑 前脑泡 两个侧脑室 间脑 第三脑室 背：四叠体
前N孔闭合
脑 泡
Brain vesicle
中脑泡
中脑
腹：大脑脚 中：中脑导水管
后脑 菱脑泡 末脑 （后） 脑泡腔
脑桥、小脑 延髓 第四脑室
• 神经管的尾侧段分化、发育为脊髓
基 本 保 持 三 层 结 构
• Notch-1 “unopposed” by numb, activates the gene expression that the cell to cease division and migrate away from the ventricular zone.
In human, most neocortical neurons are born between the fifth week and fifth month of gestation (pregnancy), peaking at the astonishing rate of 250,000 new neurons per minute.
边缘层—白质
套层—脊髓灰质
管腔—中央管
两侧壁套层神经母细胞和成胶质细胞的迅速增生而增厚
顶板 神经管顶壁和底壁薄而窄 底板
腹侧—两基板 背侧—两翼板
• 胚胎第三个月之前，脊髓与脊 柱等长，其下端达脊柱的尾骨； • 胚三个月后，因脊柱增长快于 脊髓，脊柱便渐超越脊髓向尾 端延伸，脊髓位置相对上移； • 出生前，脊髓下端与第三腰椎 平齐，仅以终丝与尾骨相连； • 节段分布的脊神经均在胚胎早 期形成，从相应节段的椎间孔 穿出，脊髓位置上移后，脊髓
Neuroblast glioblast
1. cell proliferation
- To grow or multiply by rapidly producing new cells
Marginal zone Ventricular zone
Neuroblast
neural tube neural tube
From neural tube to the initial brain and spinal cord
• The entire nervous system arises from the ectoderm
• The induction and patterning of the nervous system
Ventricular zone precursor cells repeated this pattern until all of the neurons of the cortex have been generated. The cleavage have been basically finished on pregnant fifth month in human.
(A) 神经板期 (B) 神经褶期
(C) 神经管期
neural plate
• The neural tube (NT) formation
neural groove
- The neural plate is induced by signals from
adjacent mesoderm
neural fold
1. cell proliferation - The fate of the newly formed daughter cells
• Both daughter cells cleaved vertically from the precursor remain in the ventricular zone to divide again and again.
脊椎动物神经管的形成:神经管有两个主要的轴线：背腹轴和前后（头尾）轴。 前后轴将神经系统分成前脑、中脑、后脑和脊髓，还将这些区域细分为更加特 殊的神经结构。在背腹轴上，不同的区域也有不同的神经细胞种类。在有些部 位，还有左右轴，即左右两侧分布不同的神经细胞。外周神经系统来源于与神 经板相邻的神经脊，后者是外胚层中一群特殊的细胞，从发源地迁移到胚胎多 个部位，形成包括外周神经系统在内的多种组织。即脊髓平面的神经系统及其 周围组织，背侧在上，腹侧在下。
1. cell proliferation
- How does the cleavage plane during cell division determine the cell’s fate?
- The distribution of cell constituents in precursor cells:
细胞调亡 - 突触重排及消退等
Outline
Ectoderm - neural tube - brain and spinal cord (review)
The genesis of neurons
The genesis of connections (synapse formation) The elimination of cells and synapses Activity-dependent synaptic rearrangement The Elementary Mechanisms of Cortical Synaptic Plasticity Importance of the critical period Concluding Remarks
Research suggest: • the gene expression of the precursor is regulated by its transcription factors( the proteins/upstream molecules ). See left figure.
- The neural plate is patterned along its dorso-
ventral axis by signals from adjacent nonneural tube
neural cells The ventral NT the notochord
neural tube
中枢神经系统发育及其可塑性
Development of Central Nervous System and Its Plasticity
Introduction
• 诱导(induction) ：指胚胎发育过程中两种细胞群落通过分 子间的相互作用使其中一个群落或两个群落发生定向分化 的过程。提供或传递诱导分子的细胞是诱导者( inductor)， 接受这种分子的细胞或结构称反应者( reactor)。 • 结构发育：神经上皮－脑和脊髓构筑 • 神经环路发育或构筑：神经元发生－突触形成 • 可塑性(plasticity)：即神经系统发育过程中神经元对神经活 动及环境改变所作出的结构和功能上的应答反应。
1. cell proliferation
- a characteristic of the choreography of cell proliferation
合成DNA时(S期)，其核位于靠近外侧膜处，然后核又回到靠官腔的位置进 行有丝分裂(M期)，有丝分裂产生的子细胞又移行至外界膜，再合成DNA 并重复其增殖周期。分裂后子细胞(daughter cell) 命运(fate)如何决定于很多 因素，其中非常重要的因素是基因表达(gene expression)的差异性,而基因表