大脑皮层和神经干细胞的发育

时间:2017-05-16 生命毕业论文 我要投稿

  位于神经上皮的神经干细胞直接或间接地产生哺乳动物中枢神经系统的所有神经元,下面是小编搜集的一篇关于大脑皮层和神经干细胞的发育探讨的论文范文,欢迎阅读参考。

  前言

  哺乳动物的大脑皮层,特别是人脑,是神经系统中最复杂的结构,负责执行如认知、感知等最为复杂的神经活动,具有空间推理、抽象思维的能力,是意识活动的基础。由于神经干细胞可分化为神经元,因此给颅脑创伤、脑出血和帕金森综合征等神经系统疾病的组织修复带来了希望。了解脑发育的过程和机制,对认识神经系统如何行使正常功能,以及神经系统疾病的发生发展和治疗具有重要意义。

  成年哺乳动物的大脑皮层包括大量的投射神经元、中间神经元和神经胶质细胞。投射神经元是主要的功能单位,通过神经递质传递神经冲动,长轴投射到皮层的腹侧或对侧大脑皮层。大部分中间神经元是抑制性神经元,与投射神经元形成局部环路从而调节神经活动。神经胶质细胞是非神经元细胞,可以维持内稳态并形成髓磷脂,为神经元提供支持和保护作用。在胚胎发育和婴儿出生后发育的过程中,这些神经细胞的产生与神经前体细胞的增殖、分化和迁移密切相关。

  位于神经上皮的神经干细胞直接或间接地产生哺乳动物中枢神经系统的所有神经元,除此之外,它们还产生其他必需的神经细胞,即中枢神经系统的大胶质细胞:星形胶质细胞和少突胶质细胞。本文主要介绍发育时期大脑皮层中神经发生的过程。

  本文中的神经干细胞是指出现在不同神经发育阶段且满足以下特点的前体细胞:首先,具有自我更新能力,能够进行有限或无限的细胞分裂;其次,具有多能性,能够直接或间接产生不同类型的分化细胞,例如不同类型的神经元和神经胶质细胞。

  1、大脑皮层发育

  脊椎动物神经系统的所有细胞都衍生自外胚层,一部分外胚层分化成神经外胚层,然后变厚构成所谓的神经板,在此神经上皮细胞开始进行神经分化。神经板经历折叠的过程称为神经胚形成,响应来自脊索的细胞外信号,沿着胚胎的前后轴形成神经管。完整的中枢神经系统产生于神经管。

  在神经胚形成期间,神经板变窄并折叠自身,形成纵向向内的凹槽,其边缘称为神经褶,神经褶逐渐增高并分别从左、右侧向中轴上方接近,随着神经褶的闭合,神经板呈管状闭合形成神经管。神经嵴细胞是一个独立的祖细胞群体,源自神经褶,散布在周围组织中,是周围神经系统的祖细胞。神经管的尾部区域产生脊髓和大脑的延髓区域。沿着这条轴线的增殖速率不同,使得某些区域有差异地横向扩张。在发育早期,神经管的吻端形成3个脑泡:后脑、中脑和前脑。大脑的复杂性随着发育进程逐渐增加,后脑分化形成脑桥、小脑及末脑(myelencephalon),中脑分化形成顶盖(tectum)和大脑脚(cerebralpeduncles),前脑分化成间脑和端脑,间脑分化成丘脑、下丘脑和视网膜,端脑则分化出基底神经节、海马、杏仁核、嗅球和大脑皮层。

  对于构成成熟大脑皮层的分化细胞来说,其产生遵循特殊的顺序:首先形成神经元,然后是胶质细胞。在大脑皮层中,神经元分为6层,它们的产生遵循先内层后外层的顺序。最先形成的神经元组成前板(preplate),前板位于软脑膜和脑室面的中间,其中包含最早生成的神经元,这些神经元主要是Cajal-Retzius细胞。接着是皮层板(corticalplate)神经元,在皮层板出现以后,前板就分成了2个部分---边缘区(marginalzone)和底板(subplate)。Cajal-Retzius细胞进入边缘区,位于皮层板的上方;底板移向皮层的最底部。皮层板在这2层中间生成,皮层板神经元的形成遵循层特异(layer-specific)的时间顺序,初生的神经元形成深层,而后期出生的神经元穿过深层神经元迁移出去形成浅层。不同层的投射神经元产生的时间会出现重叠。神经元的产生和分层受到严格调控,皮层的内层Ⅵ、Ⅴ层先形成,然后外层Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ层依次形成[1].神经胶质细胞在神经元之后产生,皮层中间神经元在端脑腹侧形成并切向迁移到皮层。

  神经发生开始之前,神经上皮由单层神经上皮细胞组成。早期神经上皮的膨胀主要是横向的,由神经上皮细胞的对称增殖分裂造成,由于是单层神经上皮细胞组成,早期非神经源性神经上皮被称为被假复层。当神经管闭合神经发生开始时,分层才真正开始,其他区域的组织开始径向膨胀。

  在此过程中,神经上皮膨胀形成发育中的皮层壁。

  神经上皮细胞的细胞体构成面对脑室面的层,被称为脑室区(VZ)。由脑室区衍生出的区域是脑室下区(SVZ)。脑室下区主要是由分层的基底神经前体细胞(BP)分裂和积累所形成。在拥有更长的神经发生时期和发育出脑容量更大的生物,如灵长类动物中,早期SVZ可细分为一个内SVZ(ISVZ)和外SVZ(OSVZ)。基底神经前体细胞和基底放射状胶质细胞积聚在这些子区域,并且被认为对增加神经元和新皮层的膨胀做出了巨大贡献。神经元从这些祖细胞诞生,聚集在组织的基底侧,形成大脑皮层含神经元的层。在发育结束时,哺乳动物的大脑中形成了包含着不同类型神经元的6层皮层。

  2、神经干细胞

  2.1神经干细胞的来源

  神经干细胞的来源主要有胚胎干细胞和成体干细胞2个途径。前者包括早期胚胎细胞和胚胎神经组织细胞,后者包括存在于成体神经组织中的干细胞和从其他组织中分化得到的干细胞。

  2.2神经干细胞的分布

  最初的神经干细胞在胚胎发育中出现得非常早,组成神经上皮和神经板。

  随着发育的进行,神经干细胞的分化潜能逐渐变窄,这受限于它们所能分化形成的细胞种类。神经上皮细胞产生不同类型的神经祖细胞,再由神经祖细胞产生组成成体大脑皮层的所有分化细胞。

  大部分的神经发育发生在胚胎发育过程中,仅有小部分神经干细胞在成体特殊位置仍有保留。神经管形成后,神经干细胞位于神经管的脑室壁周边。关于成脑神经干细胞的分布,在成年嗅球、皮层、室管膜层或者室管膜下层、纹状体、海马的齿状回颗粒下层等脑组织中都分布着神经干细胞。

  2.3细胞分裂模式

  细胞分裂模式,是让神经干细胞选择自己发展道路的基本机制之一。对称细胞分裂产生的2个子细胞具有相同的命运,对称细胞分裂分为对称增殖性分裂和对称神经源性分裂,对称增殖性分裂产生2个子代神经干细胞,对称神经源性分裂产生的2个子代细胞则都是神经元。在后一种情况下,亲代祖细胞不能再被划分为干细胞,因为它不再具备自我更新的能力,一般称其为终端或非干细胞样祖细胞。

  不对称自我更新分裂产生的2个子细胞中,一个子代细胞具有类似其亲代细胞的干细胞命运,另一个子代细胞则与其有着不同的命运,这个非干细胞命运的子代细胞可以是一种非干细胞样祖细胞,也可以是神经元。在神经发生期间,细胞分裂也可以是不对称的神经源性分裂,一个子代细胞成为神经源性非干细胞样祖细胞,而另一个成为神经元,这种分裂也没有发生自我更新。

  2.4常见的神经干细胞

  2.4.1神经上皮细胞(neuroepithelialcells,NE细胞)

  在神经发生前,神经板或神经管由形成神经上皮的单层神经上皮细胞组成。由于NE细胞的细胞核在细胞周期中沿顶端-基底轴(apical-basalaxis)上、下迁移,所以神经上皮看上去是多层的[3].神经上皮细胞具有上皮细胞的典型特征,而且沿着顶端-基底轴线上高度极性化。当其细胞核迁移到室管膜区(ventricularzone,VZ)的顶面时,细胞进行有丝分裂;当细胞核迁移到基面时,细胞进入S期[4](图2a)。

  2.4.2放射状胶质细胞(radialglialcell,RG细胞)

  放射状胶质细胞(radialglialcell,RG细胞),又称尖端神经前体细胞。在小鼠胚胎期第10天(E10)左右,神经上皮细胞开始具有胶质细胞的特性,并开始转化成放射状胶质细胞。放射状胶质细胞具有顶面-基面轴线的极性,放射状胶质细胞的胞体位于室管膜区,与神经上皮细胞的细胞核在整个胞质中上、下迁移不同,放射状胶质细胞细胞核的上、下迁移只在室管膜区进行,有丝分裂发生在脑室面[5](图2b)。从胞体伸出细长的突起,分别接触脑室面和软脑膜面,作为神经元迁移的支架,脑室面的突起间形成粘附连接(adherensjunction)的结构[6].新生投射神经元以放射状胶质细胞的突起为“脚手架”向外迁移,形成时间较早的神经元定位于深层皮层,而形成时间较晚的神经元则穿过早期形成的神经元定位于浅层皮层。

  实时影像研究显示,在神经系统发育的开始阶段,放射状胶质细胞主要通过对称分裂扩展自身的数量,而在神经发生的高峰期,大部分放射状胶质细胞进行不对称分裂维持自我更新,同时产生放射状胶质细胞和中间前体细胞/基底神经前体细胞(IP/BP细胞)[7](图1)。

  2.4.3短神经前体细胞(shortneuralprecursors,SNP)

  短神经前体细胞与放射状胶质细胞类似,同样位于室管膜区,并且在室管膜区表面进行细胞分裂。尽管短神经前体细胞的顶端纤维接触到了室管膜区表面,但它们较短的基底纤维被限制在室下区(subventricularzone,SVZ)[8].目前没有明确的证据表明SNP究竟属于神经前体细胞,还是没有失去室管膜区表面接触的早期中间前体细胞(IP)。

  2.4.4Outerradialgliacells(oRG细胞)

  近期研究表明,在灵长类和啮齿类中存在一类新的神经前体细胞---oRG细胞。oRG细胞源于放射状胶质细胞,定位于室下区的外侧(outersubventricularzone,oSVZ)[9].与放射状胶质细胞具有双向极性不同,oRG细胞具有单向极性,有基底纤维向软脑膜面延伸,但没有顶端纤维向室管膜区延伸。培养胚胎皮层切片的实时影像显示,在细胞分裂期,oRG细胞会沿着基底纤维快速移动,此过程叫做有丝分裂的神经元体细胞易位。然而除了细胞核定位的不同,oRG细胞与放射状胶质细胞的表型非常相似,在神经发生的高峰期也进行不对称分裂,产生中间前体细胞/基底神经前体细胞(IP/BP细胞)或神经元。

  2.4.5基底神经前体细胞(basalprogenitorcells,IP/BP细胞)

  IP/BP细胞是一类非极性的神经前体细胞,存在于室下区,放射状胶质细胞的软膜面一侧,由放射状胶质细胞和oRG细胞分化而来[10].它们在小鼠体内一般只进行1次对称分裂,产生2个相同的分化细胞,在人体内进行多次对称分裂,产生大量IP/BP细胞,然后进行对称分裂产生大量神经元[11].BP细胞和oRG细胞在灵长类动物中的数量要远远大于在啮齿类动物中的数量。

  可以判断这种数量差异是生物钟对皮层容积和表面积的需求不同导致的,因为物种间神经生理性活动的复杂程度存在巨大差异[12](图2c)。

  3、结语

  了解大脑皮层的发育过程及参与神经发生的各类神经前体细胞,对于认识大脑的发育过程和神经系统如何发挥正常功能具有重要意义。但在临床应用中,尚面临许多亟待解决的问题:首先,神经干细胞的诱导、分化及迁移等调控机制还有待进一步研究,这对于神经干细胞是否致瘤问题的解决具有重要作用;其次,在神经组织的修复过程中,究竟是干细胞分化的神经元起作用,还是干细胞分泌的神经营养因子在起作用,目前还存在争议。随着对神经医学研究的不断深入,神经干细胞在临床应用中将有更广阔的前景。

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