神经解剖学研究方法与神经发育.ppt
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1、NEUROANATOMY 神经解剖学,周丽华,教授, Ph.D M.D 中山大学中山医学院人体解剖教研室,一、神经系统发生,神经系统的种系发生,网状神经系统 水螅 链状神经系统 扁形动物、环节动物 管状神经系统 脊索动物、脊椎动物,种系发生管状神经系统,脊椎动物的中枢神经系统是由外胚层内陷形成的神经管发展而成的。,基质诱导,细胞外基质:胶原,糖胺多糖和蛋白多糖 诱导组织释放:actin, noggin, follistain 等 细胞粘着分子 :N-CAMs, L-CAM 生长因子: BPM,正确的时间正确的位置,1. 神经管的组织分化,神经上皮是假复层柱状,细胞处于细胞周期的不同时期,核的位
2、置在内外界膜间往返移动;分裂后的子细胞在进入有丝分裂周期,而失去与管腔基底的连接;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。,神经管的组织发生,假复层柱状上皮 三层细胞 室管膜层,脑室下层,中间层(套层),缘层 ,神经元的突起,年幼神经元,胶质细胞突起,其他部位的轴突末梢,室管膜上皮,神经元,胶质细胞,神经上皮 神经上皮是假复层柱状,细胞处于细胞周期的不同时期,核的位置在内外界膜间往返移动;分裂后的子细胞在进入有丝分裂周期,而失去与管腔基底的连接;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。 神经元与神经胶质
3、细胞的起源 胚胎早期的室管膜上皮多潜能干细胞。神经元发生的时空循序受神经元类型、脑区、神经上皮生发区增殖的空间和时间梯度以及形成突触时间的影响。,分裂间期的核迁移,从脑室的转位发生在G1和S期之间,向脑室的转位发生在M期和G1期之间。 干细胞分化产生的子代细胞无法继续黏附在基底膜,而迅速迁移到皮层的表层。迁移过程中祖细胞开始表达分化标志而与干细胞相分别。 神经元的产生呈现内-外层次结构:最内层的最早、最外层的最后分化,假复层柱状上皮,室管膜层,缘层,中间层,脑室下层,神经元的迁移生长锥与放射状胶质细胞,放射状胶质细胞做引导 神经元伸出生长锥 神经元的产生呈现内-外层次结构:最内层的最早分化,最
4、外层的最后分化,Zhao, S. et al. Development 2004;131:5117-5125,Co-cultivation of reeler (rl-/-) dentate gyrus with wild type rescues radial fiber orientation and neuronal lamination,生长锥的分子组成与运动,神经突起内有微管、微管相关蛋白、神经细丝等。 肌动蛋白与肌球蛋白等组成细胞骨架。 神经突起上的膜受体及其细胞内信使。 丝足运动 生长锥与环境因子相互作用 丝足变形 神经递质与调质作用于生长锥的膜受体 与其他神经突起相互作用 生长
5、锥内细胞器执行细胞的基本功能:生长相关蛋白,神经元的分化 无极成神经细胞 双极成神经细胞 单极成神经细胞 多极成神经细胞,神经细胞的分化规律 无极成神经细胞双极成神经细胞单极成神经细胞多极成神经细胞多极神经元,大细胞比小细胞发育早 运动神经元比感觉神经元分化早 中间神经元分化较迟 胶质细胞在神经元之后分化,Neural cells are not directly derived from ES cells. Mature cells of the nervous system come from a variety of cells lineages and progenitors that
6、 differentiate into specific cell types. Different lineages are also known to support the differentiation of other cell lineages.,神经细胞谱系 lineages形成,神经干细胞(NSCs),具有分化为神经元、星型胶质细胞和少突胶质细胞的能力,能自我更新、并足以提供大量脑组织细胞的细胞群。 神经干细胞的主要标志物包括:巢蛋白nestin, 波形蛋白vimentin, CD133+/CD45-、CD9、CD15、CD81、CD95,其中CD133+十神经干细胞特异的表面
7、抗原。,体外研究: 动物脑组织(含分裂的脑组织)增殖诱导分化鉴定 体内研究:体外扩增的NSC移植脑内生物学行为改变,研究方法,神经组织的来源与分布,神经干细胞与神经组织发育,神经组织的早期发育 神经干细胞在神经系统正常发育中的作用 神经干细胞中是否存在分子限制性,神经干细胞及其在神经系统正常发育中的作用,神经系统是否起源于一种神经干细胞:目前尚未发现可以产生所有神经组织的神经干细胞,干细胞的分化潜能受时间和空间的限制。 早期脑发育中干细胞的潜能和神经系统的局部环境:不同类型的干细胞根据自己携带的位置信息产生限制性的子代细胞,进而产生神经细胞,最终与干细胞产物混杂一起。神经上皮是受位置信息影响的
8、具有特定角色和局限发育可塑性的细胞。 在发育和成体神经系统中干细胞的自我更新或自我维持:增殖/休眠对维持干细胞状态的重要性:从胚胎到成体正常神经系统的发育中,不同时期不同区域神经干细胞的增殖速率都是不同的。,神经干细胞在神经系统正常发育中的作用,分裂对称和不对称分裂在正常神经系统发育中的作用:不对称分裂是干细胞的特性,它是自我更新和产生不同分化方向子代细胞的一种方式。 干细胞的微生态环境: 比如骨髓微环境是由基质成分构成的复杂的生态境包括黏蛋白、生长因子等。神经干细胞所处的微环境内也发现黏蛋白和生长因子,并且有区域特异性。成年神经系统内不同微环境中的关键性环境分子能够调节干细胞向神经元或神经胶
9、质细胞分化。,调控神经干细胞增殖、分化的微环境,表皮生长因子EGF和碱性成纤维细胞生长因子bFGF的单独或相互作用可维持神经干细胞在未分化状态下保持自我更新能力。 GDNF可刺激外周神经干细胞分化成施万细胞。 IGF-I,BMP可刺激神经元的发生 BDNF刺激神经前体细胞分裂。 CNTF刺激神经干细胞向星型胶质细胞分化 PDGF减少人胚胎神经干细胞分化为神经元 NGF不影响神经元和神经胶质的形成 甲状腺素导致少突胶质细胞的发生,参与神经干细胞增殖及诱导分化的分子机制,bHLH转录调控因子家族 决定因子 分化因子 BMP家族 Notch家族 Wnt家族 Pax家族 调控干细胞增值、分化的微环境,
10、bHLH转录调控因子家族,bHLH是神经干细胞分化过程中的重要的转录因子。不同的转录调控因子调控不同的靶基因,机制尚未明了 决定因子:Ngn1,Nng2,Mash1等在中枢和外周神经系统细胞谱系的决定中起作用。促进干细胞向神经元分化同时抑制其向神经胶质分化。 分化因子: NeuroD决定神经前体细胞的早熟分化。,BMP家族,是TGF-超家族和生长因子家族中最大、最重要的成员。BMP配体和受体亚单位在整个神经发育过程中都有表达,不同浓度的BMP和其他细胞因子共同促进在神经管期不同类型神经细胞的分化。 发育晚期BMP作用于腹侧区的神经前体细胞,抑制这些细胞分化为神经元及少突胶质细胞促进其分化为星型
11、胶质细胞。同时作用与非腹侧区的神经前体细胞促进其存活和分化。 在外周神经系统,BMP诱导神经嵴干细胞和外周神经干细胞向神经元分化并参与决定神经元亚型,BMP家族,Notch家族、Wnt家族、Pax家族,Notch家族促进神经干细胞向神经胶质分化同时抑制其向神经元分化。 Wnt家族参与控制神经干细胞及神经嵴干细胞的增殖和决定其最终的命运。 Pax家族在神经干细胞分化和迁移中发挥重要的作用。,Notch receptor signaling,In mammals, members of the Delta-like (DLL1, DLL3, DLL4) and the Jagged (JAG1,
12、JAG2) families function as ligands that activate Notch signaling receptors.,神经管的头-尾极性和背腹极性,PAX配对同源盒基因,发育早期在神经管背部表达,随后在神经嵴、脊髓背部 在大脑的空间限制性表达强烈,提示他们可能参与大脑区域的格局化,尤其是特化纵向和横向的限制性结构域。对于维持神经系统的位置特征是必需的。,PAX配对同源盒基因,缺失后导致:色素沉着异常、背根神经节减少或缺乏、施万细胞减少;脑膜或脊膜突出、脊柱裂或颅裂,Hox同源基因盒,是与神经系统的格局化密切相关的一类重要的转录调节因子。仅有少部分在后脑表达,其
13、余大部分在脊髓表达。与神经元的成熟步骤一致。 运动神经元-连合神经元-背部感觉神经元 在建立并保持不同神经节的位置特征及其内发育的不同类型神经元的位置特征方面起决定性作用。,LIM同源盒基因,绝大多数在特定的神经元亚群表达,提示LIM家族可能参与有关神经元细胞的生命过程,POU同源盒基因,转录调节因子Oct-1,2,4不仅激活转录,而且刺激DNA复制 在发育和成熟脑的特定神经元表达 涉及神经元的增殖和细胞的命运,成熟中枢神经系统神经元生成,成体中枢神经系统内源性神经干细胞神经发生的观察方法 3H胸腺嘧啶放射自显影: 能整合S期的细胞内。 5-嗅脱氧尿嘧啶BrdU核苷标记方法:能整合S期的细胞内
14、 利用逆转录病毒对处于分裂状态的细胞进行标记原理:逆转录病毒的整合与转基因的持续表达需要细胞的分裂 内源性成年神经干细胞功能性神经发生的机制调节 增殖的调控:老化、应急、生理活动、神经递质 命运特化的调节:局部环境 新生神经元的迁移 新生神经元的成熟与整合,神经嵴的衍化,沿背外侧迁移的神经嵴细胞皮肤的色素细胞 沿腹侧路经迁移的躯干部神经嵴细胞 周围神经的神经节 神经胶质细胞 肾上腺髓质的嗜铬细胞、滤泡旁细胞以及颈动脉体I型细胞,神经胶质的发生,外胚层的神经管星形胶质细胞 外胚层的神经嵴少突胶质细胞 中胚层或者外胚层的神经嵴小胶质细胞 室管膜的发育 分化为柱状的单层上皮 脑膜的发育 来源于间充质
15、,内层含有神经嵴的神经细胞分化为软膜和蛛网膜,外层发育为硬膜,影响神经元数目和大小的因素,基因调控 不直接控制神经细胞的最终数量,控制细胞向上皮细胞还是向神经母细胞的分化 激素、生长因子、营养和环境因素 人脑生后神经细胞的数目是相对恒定,生后脑体积和重量增加 神经胶质细胞的分裂增殖 神经细胞体积增大 髓鞘形成 脑区某些区域细胞的分裂繁殖,2、管状神经系统脑化,在发育的早期,神经管的前端膨大形成三个原始脑泡,管状神经系统皮质化,前脑-嗅觉器官 间脑-视觉器官 菱脑-前庭蜗器,管状神经系统皮质化,In mammals several major developments occur. The do
16、rsal grey matter areas of the cerebral hemispheres expand and move away from the central cavity, to form a superficial, three-layered cortex. The olfactory area is now termed the paleocortex, and the emotional area, the archicortex.,管状神经系统皮质化,The paleocortex becomes associated with archicortex, whic
17、h receives the processed olfactory information, and produces approach/ avoidance responses: revulsion/fear or attraction/like. This area also is linked to learning and memory based upon these “emotional“ responses. In mammals a new, 6-cell-layered, processing area develops, between the archi- and pa
18、leo-cortices. This neocortex attracts sensory input from all sensory systems (visual, auditory, somatic sensory).,人类CNS早期发育时间表,二、神经解剖学的研究方法,1. 神经结构的经典研究方法,大体解剖的研究方法 脑和脊髓外部形态,脑膜和脑血管标本的制作,脑血管的显示,脑的解剖剥离标本 脑厚片染色标本(大体) 浸染灰质:苯胺黑、洋红、柏林蓝,等 浸染白质:油溶红、立素尔大红 组织培养和脑切片染色标本 (组织水平) 细胞培养与染色(细胞水平),脑和脊髓外部形态,脑和脊髓厚片,纵切面
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