第三节　组织发生期

一、神经干细胞发育与神经元移行

神经网络的建立首先要产生新的神经细胞。成人的大脑皮层有6层结构，每一层由特定的神经细胞构成，每层神经细胞的形态与神经联系都有各自的特点。这些神经结构的建立大体要经历3个主要阶段：细胞增殖，细胞迁移和细胞分化。

（一）神经细胞的增殖

人体的整个神经系统是由胚胎早期的外胚层神经板结构发育而来的。神经板最初由单层柱状上皮细胞构成。神经板闭合成神经管后，管壁变为假复层柱状上皮，有内外两层界膜：内层界膜称为室管膜层或脑室层，外层界膜称为缘层。神经管壁的柱状上皮细胞具有高度有丝分裂能力，用放射性同位素氚标记的胸腺嘧啶脱氧核苷标记技术观察到不同时期的细胞，它们的细胞核处于神经上皮不同的位置：在DNA合成期，细胞核由内层界膜向外层界膜移动。合成完成后，含有两份DNA的细胞核重新回到内层界膜，此时细胞收回伸向内外界膜的突起，完成细胞的有丝分裂。母代细胞的分裂方式不同决定了其子代细胞的不同命运，若室管膜层的母代细胞是垂直分裂，那么它产生的两个子代细胞仍然位于室管膜层，重复母代细胞的分裂方式，这种分裂形式是早期细胞增殖的主要方式；而细胞增殖后期，室管膜层的母代细胞主要采取的是水平分裂方式，它产生的两个子代细胞中，远离室管膜层的细胞移动至缘层，不再继续分裂。而靠近室管膜层的细胞则继续以母代细胞的方式进行有丝分裂，直至增殖产生所有的皮层神经元（图1-9）。

我们的细胞都具有继承自母代的完全相同的DNA，细胞分裂后产生的子代也具有完全相同的DNA，以水平或垂直的不同分裂方式产生的子代神经细胞存在差异时因为特异性的基因产生特异性的信使RNA，指导合成特异性的蛋白质。因此，细胞的差异是由特异性的基因表达来调控，而细胞中的转录因子调控基因的表达。由于转录因子在细胞中分布不均匀，母代细胞采取垂直或水平的分裂方式时产生的子代细胞中含有不同成分的转录因子，调控不同的基因表达。例如细胞中的转录因子notch-1和numb分别位于母代细胞的两极，当母代细胞垂直分离时，这两种转录因子被平均分配到两个子代细胞中；当母代细胞水平分裂时，notch-1进入远离室管膜的子代细胞，而numb则进入留在室管膜层的子代细胞。notch-1与numb的功能相互拮抗，当子代细胞中只有notch-1蛋白时，它将激活特异性的基因表达，使细胞停止分裂并向皮层移动（图1-10）。

成熟的皮层细胞包括神经元和神经胶质细胞。神经元还可以按照所处皮层位置的不同，树突形态的不同和释放的神经递质的不同等进一步分类。这些不同的神经细胞可由同一个前体细胞分裂而来，这些前体神经细胞由于具有分裂成为不同类型神经细胞的能力，被称为神经干细胞（neural stem cells，NSCs）。多种因素决定了神经干细胞分裂产生的子代细胞的类别，这些因素包括细胞的年龄和分裂时所处的环境。第一批由室管膜层迁移出的细胞停留在副板层（subplate），此层结构在进一步发育的过程中消失。第二批增殖出的细胞形成皮层第Ⅵ层细胞，以此类推分别增殖产生皮层的Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ和Ⅱ层神经细胞。

人体新皮层的全部神经元都是在受孕后第5周至20周增殖产生，在高峰期增殖的速度非常惊人，能够达到每分钟产生250 000个新的神经元。尽管神经元的增殖过程早在出生前即已完成，研究显示，成人的室管膜层细胞仍然保留一定的增殖能力，但其产生的子代细胞一旦开始行使其功能后将不能进一步分裂。

（二）神经细胞的迁移

分裂产生的子代神经细胞是沿着由室管膜向软脑膜辐射发出的细长纤维迁移的。这些纤维是从一种特殊的放射状胶质细胞（radial glial cells）发出的，为脑皮层的构建提供骨架结构。未成熟的神经元，即成神经细胞沿着这些纤维结构从室管膜向脑的表面移动，一旦皮层的构建完成，放射状胶质细胞即停止发出纤维结构。并非所有的成神经细胞都沿着放射状胶质细胞的纤维迁移，大约有1/3的成神经细胞在向皮层迁移时会有水平方向的移动（图1-11）。

第一批分裂产生的成神经细胞从室管膜层迁徙至副板层。接下来产生的成神经细胞穿越副板层，形成一个新的皮质板层（cortical plate），这便是新皮层的原基，这些细胞最终将发育为成人的脑皮层。首先到穿越副板层，形成新的皮层板的细胞构成了皮层第Ⅵ层，以此类推分别增殖产生皮层的Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ和Ⅱ层神经细胞。由此可见，脑皮层的构建是一个有内至外的过程。

在人类，胚胎新皮质的发育过程可分为5个时期：第1期约相当于胚胎第7至第10周，在此期皮质板开始形成；第2期约相当于10～11周，皮质板厚度增加，细胞密度亦增加，与中间层分界明显。此时皮质板细胞为未成熟细胞；第3期约相当于11～13周，此时皮质板分为明显的内、外两层；第4期约相当于胚胎第13～15周，皮质板进一步增厚，细胞体积增大；第5期自16周至出生前，在第5个月末至第6个月皮质板中部细胞较疏松因而出现内、中、外三层，中、内两层为后来的第Ⅴ、Ⅵ层原基，至第7个月皮质板的外层进一步分化成两层，至此，包括原已存在的缘层，新皮质的6层结构模式便已完备（图1-12）。概括说来，皮质各层细胞的发育遵循着一个由内向外的规律，即最早迁移并成熟的神经元构成深层（即第Ⅴ、Ⅵ层），后来迁移成熟的细胞穿过已形成的层次再形成较浅的层次，第Ⅱ层形成最晚。

（三）神经细胞的分化

成神经细胞发育为成熟的神经元的过程称为细胞的分化，是细胞内特异性基因表达的结果。在母代神经细胞刚刚分裂为成神经细胞时，由于每个成神经细胞内携带的母代细胞成分不同，细胞分化的进程就已经开始。进一步的细胞分化发生在成神经细胞到达它们的目标皮层板，如皮层Ⅵ和Ⅴ的成神经细胞早在皮层Ⅱ层成神经细胞到达其目标皮层板之前，就已经分化为可识别的锥体神经元。

细胞的分化首先是成神经细胞从两端伸出突起，这些突起最初是相同的，然后进一步发育成神经元的轴突和树突（图1-13）。这一分化的过程即使在成神经细胞从脑组织中分离，在体外培养时也能观察到。例如一个将分化为新皮层锥体神经元的成神经细胞在体外培养也能观察到锥体神经元的树突结构，这说明细胞分化的编码早在成神经细胞移动到目标位置前即已完成。但神经元复杂的突起结构并非完全由基因编码控制，神经元树突和轴突的最终结构的形成还依赖于其所处的环境。

二、神经细胞突触形成与神经回路建立

随着神经细胞的分化，它们的轴突必须找到其正确的靶位建立神经联系。在中枢神经系统，这种神经联系的建立或神经环路的形成要经历三个阶段：神经通路的选择，靶点的选择和神经连接的位置的选择。以视网膜到皮层背外侧膝状体（lateral geniculate nucleus，LGN）区的视觉通路的建立为例，一个位于视网膜神经的神经元轴突要与LGN建立正确的神经联系，首先它必须沿视柄向脑移动，当其到达脑底部的视交叉（optic chiasm）时，轴突将面临三个选择：它可以通过视交叉进入同侧的视觉通路，也可以通过视交叉进入对侧的视觉通路，或者汇入其他的视觉神经。神经细胞的类型及其在视网膜的位置决定了它的通路选择。如果是来自内侧视网膜的神经元轴突将通过视交叉进入对侧视觉通路，而来自外侧视网膜的神经元轴突将通过视交叉进入同侧视觉通路。这一过程即为神经元轴突的通路选择（pathway selection）。

视网膜神经元的轴突到达下丘脑后，选择最终到达背外侧膝状体，这一过程成为靶点选择（target selection）。神经元的轴突选择了目标脑区后还要进一步选择要到达脑区的那一层结构，称为位置选择（address selection）。神经通路建立的三个阶段都有赖于神经细胞间的密切联系，细胞间可以直接联系，也可以通过释放化学物质与另一个细胞联系，还可以通过释放可扩散的化合物来远程联系另一个细胞，随着神经通路的建立，神经元间开始通过动作电位和突触传递进行联系。

（一）神经元轴突的形成

一旦成神经细胞迁移到目标脑区，其分化的进程就已经开始，成神经细胞首先伸出最终发育为轴突与树突的突起，在这一阶段，突起没有进一步分化，统称为神经元突起（neurites）。突起的顶端有生长锥（图1-14），是决定神经突起向正确的方向延伸生长的结构。生长锥是活跃的运动体，其上有节律的波动、呈掌形的片膜称为片状伪足（lamellipodia），片状伪足上又伸出许多刺状突起，称为丝状伪足（filophodia），丝状伪足在片状伪足上反复伸缩，探索周围的环境。对培养神经细胞所观察到的情况是：丝状假足长10～20微米、直径约0.3微米，从一个生长锥上能长出1～30根突起，以每分钟6～10微米的速度不断地反复进行伸长与收缩，并具有与其他不同种组织接触而附着的性质。在生长锥的细微结构中包括有滑面内质网、液胞、神经细丝、微小管以及在周缘部位由直径约5微米的微纤丝构成的特殊网状构造。这种网状构造一起伸入到伪足中，并认为这是伪足运动的原动力。

神经突起的生长开始于丝状伪足抓住神经突起的生长底物，并引导整个生长锥向前延伸时，所以这些分布于细胞间隙的纤维蛋白底物对神经突起的生长至关重要，它们被称为细胞外基质（extracellular matrix）。只有细胞外基质中含有必需的蛋白质时，神经突起的生长才能完成。例如，细胞基质中的层粘连蛋白（glycoprotein laminin）能够与神经突起表面的整合素（integrins）结合，引导神经突起的延伸生长。这种边缘分布排除型底物的吸引型底物能为神经突起的生长构建特殊的通道，引导其向正确方向延伸。在这样的通道延伸生长同时需要束生机制（fasciculation）的帮助，束生即是一起生长的轴突能够黏附在一起。轴突表面的细胞黏附因子使相邻的轴突黏附在一起，共同生长（图1-15）。

片状伪足和线状伪足的伸缩，及生长锥锥体的前进，由以下两个过程介导：①肌动蛋白丝的多聚化和解体；②由肌球蛋白介导的肌动蛋白丝从生长锥前端移开。这两个过程都可利用ATP水解的能量来产生动力，通过肌动蛋白的结合蛋白来调节。

（二）轴突引导机制

当我们以成人的神经系统来考虑，建立整个神经网络似乎是一项巨大的工程，很多的轴突在成熟的神经系统能到达很惊人的长度。但是发育的早期，整个神经系统只有几厘米长。通常的发育模式是先导轴突（pioneer axons）建立最初的神经网络，随后这些轴突随着整个神经系统扩张，并引导其周围的新生轴突沿它们的路径到达相同的目标。

轴突生长的路径是一段一段的，每一端仅有几个微米长，轴突的生长锥到达一段的终点后，轴突与终点处的分子相互作用使其继续向下一个目标前进。所以，轴突的生长像把一个又一个点连接在一起。

神经元中主要的信息传出结构是轴突，在胚胎发育过程中，神经元长出轴突。轴突顶端有生长锥。生长锥的生长有较为精确的导向性，机体通过至少四种（接触吸引、化学吸引、接触排斥和化学排斥）导向机制的相互作用，调节生长锥的靶向性生长。netrins属于网蛋白家族，具有吸引某些轴突而排斥另一些轴突的双向调节作用。Semaphorins家族即导向蛋白家族，是一个细胞表面蛋白和分泌蛋白的大家族。主要有化学排斥或抑制的作用。已发现神经导向因子（slit）对某些神经元迁移及轴突延伸起化学排斥作用。此外，slit能刺激感觉神经元轴突分支。

（三）突触的形成与重排

突触是实现神经元之间或神经元与效应器之间信息传递的功能性接触的一种特殊结构。神经系统发育时，所生成的神经元要比以后存活下来的神经元多得多。轴突到达靶点后，它们相互间竞争与靶细胞形成突触，称突触发生（synaptogenesis）。没有形成突触的神经元将会凋亡。

当神经突起的生长锥到达了靶点，突触形成开始。以神经肌肉接头为例：轴突生长锥与靶点接触的位置通过各自分泌的蛋白因子相互作用，生长出一簇突触后受体。凝集素（agrin）就是一种分布于细胞外的蛋白因子，凝集素在基膜与肌肉特异性激酶受体结合，肌肉特异性激酶受体与另一个分子-突触后膜受体缔合蛋白（rapsyn）相互作用，使突触后膜的ACH受体聚集。

生长锥与靶点处的相互作用是相互的，基膜能够刺激细胞外钙离子进入生长锥，使得生长锥释放神经递质。尽管突触的形成期可能长达数周，未成熟的突触传递早在接触建立时即已经发生。

钙离子除了能够释放神经递质，还能够改变轴突内的骨架结构使其与突触后的靶点紧密联系。

化学突触的形成分为以下基本过程：①生长锥与适宜靶细胞接触；②神经递质释放增加；③突触前膜与靶细胞黏附增强；④其他竞争突触被异突触压抑；⑤受体在突触后膜堆积；⑥新的受体在突触后膜合成；⑦突触接头处受体消除。

值得注意的是，突触突然出现，并迅速增多，在此过程中形成过量的突触，最后无用的突起再迅速消退。

突触形成后，已形成的突触即开始重排，这一过程相当漫长。突触重排的发生是神经活动及突触传递的结果。神经活动是驱动皮质内神经环路发育的重要因素，同时也是突触联系建立的基础。

三、神经胶质细胞发育与髓鞘化

1.神经胶质细胞

又称胶质细胞（glial cell），是神经组织中除神经细胞以外的另一大类细胞，其数量为神经细胞的10～50倍，而总体积与神经细胞的总体积相差无几（神经细胞约占45%，神经胶质细胞约占50%）。在常规的神经组织切片中，通常神经胶质细胞的体积比神经细胞小，直径为8～10毫米，和最小的神经细胞的直径相似。

胶质细胞与神经细胞都起源于胚盘外胚层神经上皮组织（小胶质细胞可能起源于中胚层），其中的胶质母细胞发育成大胶质细胞和脉络丛上皮细胞，围绕神经管腔表面的部分神经上皮细胞分化成室管膜和脉络丛上皮细胞，神经母细胞发育成为神经细胞；神经嵴则分化为外周神经系统的胶质细胞。

2.髓鞘

是指包围有鞘神经纤维轴中间那层黄色的就是髓鞘索的管状外膜，由髓磷脂构成，故又称髓磷脂鞘。髓鞘的功能包括：一是使轴突与周围组织绝缘，避免干扰，以利于神经冲动的快速传导；二是通过一种称为“跳跃式传导”的机制来加快动作电位的传递；三是在一些轴突受损的情况下引导轴突的再生。髓鞘化（myelination）是指髓鞘发展的过程，它使神经兴奋在沿神经纤维传导时速度加快，并保证其定向传导。是新生儿的神经系统发展必不可少的过程。

（郝悦）

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