關于中樞神經系統發育及其可塑性第1頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二誘導(induction)：指胚胎發育過程中兩種細胞群落通過分子間的相互作用使其中一個群落或兩個群落發生定向分化的過程。提供或傳遞誘導分子的細胞是誘導者(inductor)，接受這種分子的細胞或結構稱反應者(reactor)。結構發育：神經上皮－腦和脊髓構筑神經環路發育或構筑：神經元發生－突觸形成可塑性(plasticity)：即神經系統發育過程中神經元對神經活動及環境改變所作出的結構和功能上的應答反應。

細胞調亡-突觸重排及消退等Introduction第2頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二Outline

Ectoderm

-neuraltube-brainandspinalcord(review)

Thegenesisofneurons

Thegenesisofconnections(synapseformation)

Theeliminationofcellsandsynapses

Activity-dependentsynapticrearrangement

TheElementaryMechanismsofCorticalSynapticPlasticityImportanceofthecriticalperiodConcludingRemarks第3頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二第4頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二第5頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二FromneuraltubetotheinitialbrainandspinalcordTheentirenervoussystemarisesfromtheectodermTheinductionandpatterningofthenervoussystem第6頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二神經板期神經褶期(C)神經管期脊椎動物神經管的形成:神經管有兩個主要的軸線：背腹軸和頭尾軸。前后軸將神經系統分成前腦、中腦、后腦和脊髓，還將這些區域細分為更加特殊的神經結構。在背腹軸上，不同的區域也有不同的神經細胞種類。在有些部位，還有左右軸，即左右兩側分布不同的神經細胞。外周神經系統來源于與神經板相鄰的神經脊，后者是外胚層中一群特殊的細胞，從發源地遷移到胚胎多個部位，形成包括外周神經系統在內的多種組織。即脊髓平面的神經系統及其周圍組織，背側在上，腹側在下。第7頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二TheneuralplateisinducedbysignalsfromadjacentmesodermTheneuralplateispatternedalongitsdorso-ventralaxisbysignalsfromadjacentnon-neuralcells

TheventralNTthenotochordThedorsalNTtheepidermalectoderm

Theneuraltube(NT)formationneuralplateneuralgrooveneuralfoldneuraltubeneuraltube第8頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二Cranialneuropore

anlagebrainanlagespinalcordCaudalneuroporeCNSTheneuraltubeformation第9頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二Asampleinhumanembryo-developinginfourthtofifthweek.Showingneuralfold，cranialneuropore，somite，caudalneuropore,etc.第10頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二

三個原始腦泡是腦的原基前腦泡中腦泡菱腦泡（后）前N孔閉合腦泡Brainvesicle端腦

間腦后腦末腦第三腦室左、右大腦半球兩個側腦室背：四疊體腹：大腦腳

中腦腦橋、小腦延髓腦泡腔第四腦室中：中腦導水管第11頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二第12頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二基本保持三層結構邊緣層—白質套層—脊髓灰質管腔—中央管兩側壁套層神經母細胞和成膠質細胞的迅速增生而增厚神經管頂壁和底壁薄而窄

神經管的尾側段分化、發育為脊髓腹側—兩基板背側—兩翼板頂板底板第13頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二

胚胎第三個月之前，脊髓與脊柱等長，其下端達脊柱的尾骨；胚三個月后，因脊柱增長快于脊髓，脊柱便漸超越脊髓向尾端延伸，脊髓位置相對上移；出生前，脊髓下端與第三腰椎平齊，僅以終絲與尾骨相連；節段分布的脊神經均在胚胎早期形成，從相應節段的椎間孔穿出，脊髓位置上移后，脊髓頸段以下的脊神經根便斜向尾側，至腰、骶、尾段的脊神經根則在椎管內垂直下行，與終絲共同組成馬尾。第14頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二NormalAnencephalyspinalbifida第15頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二發育異常是指由于各種因素導致的先天畸形。狹義的概念僅指出生時解剖結構畸形。廣義的包括出生時各種解剖結構畸形、功能缺陷及代謝、遺傳行為的發育異常。據WHO(1966)調查了包括16個國家的25個醫學中心的421

781次妊娠，發現嚴重畸形占0.46%，輕度畸形占1.27%，總發生率為1.73%。我國1986-1987年作為國家攻關課題進行了大規模的出生缺陷調查，對全國29個省市自治區的945所醫院124萬多圍產兒進行了監測，發現出生缺陷的總發生率平均為1.301%一些流行病學調查結果顯示某些出生類型的缺陷，發生率與地理條件有密切關系。山西省出生缺陷總發生率最高，湖北省最低

中樞神經系統發育異常并不少見第16頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二中樞神經系統畸形絕大部分是由于神經管發育缺陷或神經管前后孔未閉引起,占總先天畸形發病率的17％.主要是無腦畸形、隱性脊柱裂、脊髓脊膜膨出，腦積水等。此外，腦過小畸形、胼胝體不發育、苯丙酮尿癥、精神發育遲滯等均屬神經系統的發育異常，但較少見。遺傳因素：包括單基因遺傳性疾患，多基因遺傳性疾患及染色體病；環境因素：包括藥物和環境化學物質、微生物感染、電離輻射、母體疾病等因素。此外，營養因素如已知某些維生素缺乏，特別是葉酸缺乏可影響神經管的正常封閉。

導致發育畸形的因素遠未完全清楚第17頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二Thefirststepinwiringthenervoussystemtogetheristhegenerationofneurons.

Neuronalstructuredevelopsinthreemajorstages:

1.Cellproliferation 2.Cellmigration 3.Celldifferentiation

Thegenesisofneurons第18頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二InductingfactorsmesodermNeuronalprogenitorGlialprogenitorNeuralprogenitorectodermcell

proliferation -

Inductionduringneuronalgenesis第19頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二背唇可以誘導兩棲類動物胚胎形成第二條神經軸：（A）斯佩曼和曼葛得的組織塊移植實驗。將供體原腸胚早期的背唇移植到宿主胚胎的腹側以后，宿主會在應該形成腹部表皮的位置，產生包括神經板在內的第二個體軸。(B)神經誘導的分子模型。背唇中胚層細胞分泌的Noggin、Chordin和Follistatin能阻止外胚層中的BMP家族蛋白與其受體結合，從而抑制BMP誘導表皮的產生，使背側外胚層形成神經板。原腸胚期早期的兩棲類動物胚胎第20頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二中胚層細胞能決定神經系統的前后軸（A）原腸胚期晚期的兩棲類動物胚胎的組織結構（前后軸中線水平的切面）；（B）用于解釋神經板如何沿著前后軸分化的“雙信號”假說。第21頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二Whereareneuronandglialcellfrom?glioblastNeuraltube-MSCNeural-epitheliaNeuroblast第22頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二cell

proliferation

-TogrowormultiplybyrapidlyproducingnewcellsneuraltubeVentricularzoneMarginalzoneNeuroblastneuraltube第23頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二cell

proliferation

-acharacteristicofthechoreographyofcellproliferation合成DNA時(S期)，其核位于靠近外側膜處，然后核又回到靠官腔的位置進行有絲分裂(M期)，有絲分裂產生的子細胞又移行至外界膜，再合成DNA并重復其增殖周期。分裂后子細胞(daughtercell)命運(fate)如何決定于很多因素，其中非常重要的因素是基因表達(geneexpression)的差異性,而基因表達的調控取決于transcriptionfactors的類型。第24頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二Bothdaughtercellscleavedverticallyfromtheprecursorremainintheventricularzonetodivideagainandagain.ThismodeofcelldivisionpredominatesearlyindevelopmentexpandthepopulationofneuronalprecursorThebothcellscleavedhorizontallyfromtheprecursor,onemigratesawaytotakeupitspositioninthecortex,whereitwillneverdivideagain.Theotherdaughterremainsintheventricularzonetoundergomoredivision.Thismodepredominateslaterindevelopment

neuronalprecursorcell

proliferation-ThefateofthenewlyformeddaughtercellsVentricularzoneprecursorcellsrepeatedthispatternuntilalloftheneuronsofthecortexhavebeengenerated.Thecleavagehavebeenbasically

finishedonpregnantfifthmonthinhuman.第25頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二Inhuman,mostneocorticalneuronsarebornbetweenthefifthweekandfifthmonthofgestation(pregnancy),peakingattheastonishingrateof250,000newneuronsperminute.Researchsuggest:thegeneexpressionoftheprecursorisregulatedbyitstranscriptionfactors(theproteins/upstreammolecules).Seeleftfigure.Notch-1“unopposed”bynumb,activatesthegeneexpressionthatthecelltoceasedivisionandmigrateawayfromtheventricularzone.cell

proliferation -Howdoesthecleavageplaneduringcelldivisiondeterminethecell’sfate?-Thedistributionofcellconstituentsinprecursorcells:第26頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二Notch介導的信號傳導通路－細胞之間可以通過對話來選擇不同的命運（A）在果蠅的正常發育過程中，一個形成中的神經前體細胞（深綠色）能阻止鄰近的神經外胚層細胞（淺綠色）也選擇這一命運，使后者變成表皮細胞（白色）（B）形成中的神經前體細胞通過Delta來激活鄰近的細胞中的Notch信號傳導通路，從而抑制AS-C和Delta等基因的表達，使鄰近的細胞不能成為神經前體細胞（C）Notch活性的改變能影響果蠅神經前體細胞的數量第27頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二不對稱細胞分裂可以造成細胞的多樣性

（A）Numb蛋白的不對稱分布可以使兩個子細胞選擇不同命運。集中在細胞一側的Numb蛋白（綠色）是否只分配給一個子細胞，還取決于紡錘體（粉紅色）的位置，即細胞分裂的平面（橙色）（B）果蠅的SOP細胞通過三輪不對稱的分裂產生組成感受機械或化學信息的外感覺（

ES）器官的四個細胞。Numb缺失或對稱分布都會影響ES器官的形成（C）Notch活性的改變也會影響ES器官的形成。H:剛毛細胞；N：感覺神經元；S:毛孔細胞；Sh，鞘細胞。第28頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二轉錄因子的按順序表達使神經母細胞每次分裂后產生不同的神經元（A）在最早幾次分裂時，果蠅所有的神經母細胞都會按順序表達四個轉錄因子（B）Hb和Kr缺失或持續表達能影響神經母細胞產生不同GMC的能力。虛線顯示GMC或者死亡，或者變成二生（Hb缺失）或頭生（Kr缺失）GMC（C）７－１、７－３和７－４這三個神經母細胞每次分裂后產生的GMC各不相同，但用同樣的轉錄因子來決定它們的命運。７－１和７－４前兩次分裂時都表達Hb。７－３只分裂三次。運動：運動神經元；中間：中間神經元；膠質：膠質細胞（D）神經母細胞和GMC分裂時也將Numb蛋白不對稱地分配給兩個子細胞。GMC只分裂一次，產生兩個不同的神經細胞，并通過Numb的不對稱分布使它們選擇不同的命運第29頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二NeurogenesisintheadultneocortexRecentfindingshow:Althoughmostofthedivisionactionisoverwellbeforebirth,theadultSGZandSVZretainssomecapacitytogeneratenewneuron.Behavior/functionalactivityandenvironment…NeurogenesisintheadultbrainisfartoolimitedtorepairCNSdamage.第30頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二2.CellmigrationThedaughtercellsfromtheprecursorsthatimmatureneuronarecalledNeuroblast.Ascaffoldforthemigrationprovidedbytheradialglialcells.

thefirstmigrationneuroblastsawayfromtheventricularformthe

corticalplate.Thisshowsneuroblastscrawlingalongthethinprocessesoftheradialgliaroutetothecorticalplate,whichformsjustunderthemarginalzone第31頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二Amigratingcellrecordedintissueculture第32頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二A:神經細胞遷移過程中,有領先突起。領先突起有分枝,動態競爭,其中一枝成為主干,帶領細胞體的移動,其后,又不斷重復分枝競爭,決定細胞移動方向。B:遷移的神經細胞也可以原來領先突起的生長錐消失,在細胞體完全相反的一邊長處出新的突起,導致細胞180度轉向。遷移的神經細胞:

AB鼠腦SVZ細胞：肌動蛋白絲染綠色微管紅色第33頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二-

Inside-outdevelopmentofthecortex-thefirstcellstomigratetocorticalplatefromVZthatformsubplate-Asthesedifferentiateintoneurons–becomelayerVIinthecorticalplate.-thisprocessrepeatsagainandagainuntilalllayersofthecortex–thesublateneuronsdisappear

較早分化的較大神經元先遷移并形成最內層，依次順序向外；而較晚分化的較小神經元則通過已形成的層次遷移并形成其外側新的層次；故不論皮質的什么區域，其最內層總是最早分化，而最外層則最后分化。第34頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二哺乳動物大腦新皮層功能區域的形成（A）在正常發育過程中，胚胎前腦背部中線和頭端的成型中心分泌BMP、Wnt和FGF8等因子，使這些蛋白分別沿背腹軸和前后軸形成濃度梯度，進而影響多種轉錄因子在神經前期細胞中的表達量，最終把大腦新皮層分化成不同的功能區域。（B）受在胚胎前腦后端異位表達的FGF8影響，大腦新皮層能在后端形成第二個運動和軀體感覺皮層。第35頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二3.Celldifferentiation

Theprocessinwhichacelltakeontheappearanceandcharacteristicsofaneuronisknownascelldifferentiation.Differentiationistheconsequenceofaspecificspatiotemporalpatternofgeneexpression.Differentiationoftheneuroblastintoaneuronbeginswiththeappearanceofneuritessproutingoffthebody(allsame–axonanddendriteatfirst).Thedifferentiationisprogrammedwellbeforetheneuroblastarrivesatitsfinalrestingplace.Thecomplexityofdendritictreeisnotentirelypreprogrammed.Thefinestructureofaxonsanddendritesalsodependson“environmental”factorsinthecortex.第36頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二3.1DifferentiationofcorticalareasNiss-stainedpositionofthemajorvibrissaeonthefacevibrissaeregionofS1BarrelsinS1-Asomatotopicmapofthefacialvibrissaeonmousecerebralcortex第37頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二在決定神經細胞命運的過程中，細胞之間的相互作用起重要作用。這些相互作用既可以發生于神經細胞與非神經細胞之間，也可以發生于神經細胞之間；這些相互作用既可以通過彌散在環境中的誘導因子，也能通過細胞之間的直接對話。細胞外的因子最終會在細胞內激活一個特異的分裂和分化程序，使神經前體細胞可以在很大程度上不受環境的影響，產生不同的神經細胞。通過對這些機理的進一步的研究，發育神經生物學的最終目標是能夠精確地描述：在發育過程中，不同的神經元和膠質細胞如何按準確的數量、在特定的時期、在不同的神經系統部位產生。

第38頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二

Genesisofconnection/synapseformationLM:Model(chemicalsynapse)Review：definition,classify,structure第39頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二EM:第40頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二Genesisofconnection:forexample1.ThethreephasesofpathwayformationPathwayselection–pathtargetselection–structureaddressselection–cellThethreephasesdependson:Directcell-to-cellcontractcontractbetweencellsandextracellularsecretionsofothercellcommunicationviaactionpotentialsandsynaptictransmissionAbout100billionneuronsinbrain-remarkablypreciseinterconnectionamongthem-toperformthefunctionsofthebrain.第41頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二1.ThegrowingaxonThegrowingtipofaneuriteiscalledagrowthcone,whichisspecializedtoidentifyanappropriatepathforneuriteelongation.Structureandfeatureofgrowthcone:-probetheenvironment,movinginandoutofthelamellipodia-takesholdofthesubstrateandpulltheadvancingGCforwardGrowthconeinculture第42頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二FasciculationCelladhesionmolecules(CAMs)“highway”第43頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二2.AxonguidanceandguidancecuesTargetcellExtracecularmolecularsSpecialbindingSecondemessengerFunctionchangesofmicrobubulesandactin—withingrowthconeControllinggrowthconeextendingGuidancecues:chemoattractionandactinsconcentrateinforepartofaGCchemorepulsionandactinsdisappearinforepartofaGCMembranereceptors第44頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二Chemoattractionand

chemorepulsionNetrinspurstheaxongrowthtowardthemidlineThereceptorsof

NetrinandSlit

areberegulatedinvaryingfromonesideofthemidlineto

otherPushpullSlitchasetheaxonawaythemidline第45頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二神經管沿背腹軸的分化（A）Shh和BMP家族蛋白分別在脊髓腹側與背側形成濃度梯度，從而使神經前期細胞在背腹軸不同的位置選擇不同的命運。Shh由脊索和底板分泌，而BMP則由表皮（神經管形成之前）或頂板（神經管形成之后）分泌。（B）神經管沿背腹軸分化的分子模型。Shh抑制I型HD蛋白的表達，但激活II型HD蛋白的表達。I型和II型HD蛋白能抑制彼此的表達，但它們在腹側的不同位置有不同的表達范圍，形成HD蛋白編碼，從而共同分化神經前期細胞，使后者只能產生某一種神經元。第46頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二3.Synapseformation-Whenthegrowthconecomesincontactwithitstarget,asynapseisformed.-ThedetailsofmechanismsofsynapseformationintheCNSarestillsketchy,-Mostofthedatacomesfromstudiesoftheneuromuscularjunction.Exp.StepsintheformationofaNMJ:1.TheGMNterminalsecretesagrin,(Ca+

entryintotheGCtriggersneuro-transmitterreleaseandchangesinthecytoskeletonadheretoitspost-synapsepartner)2.AgrininteractswithMuSKinthemuscularcellmembrane.3.TheclusteringofAchreceptorsinthepostsynapticmembraneviatheactionofrapsyn(likeashepherdtogatherthereceptorsatthesynapse)Ca+第47頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二Nervegrowthfactor(NGF),apeptidewasthefirsttrophicfactortobeidentifiedin1940sbyItalianbiologistRitaLevi-Montalcini.IfinjectingantibodiesofNGFintopostsynaptictissueoraxoplasmictransportisdisruptedtheneuronsdie.(theworkearnedlevi-montalciniandCohenthe1986NobelPrize)FamilymembersofNeurotrophicFactorsinclude:NGF,NT-3,NT-4andBDNF(brainderivedneurotrophicfactor).PCDisactuallyaconsequenceofgeneticinstructionstoself-destructbyaprocesscalledapoptosis.第48頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二Whydon’taxonregenerateinourCNS?ThecriticaldifferenceseemstobethedifferentenvironmentsoftheCNSandPNS.Intheearly1980s,AlbertAguayaetal.atMontrealGeneralHospitaltestedthisideainveryimportantexperimentshowedasFigA.MartinSchwabetal.inZurichuniversitydemonstratedthatCNSneuronsgrownintissuecultureextendaxonsalongsubstratespreparedfromSchwanncellsbutnotfromoligodendroglia.ThisfindingledtothesearchforglialfactorsthatinhibitaxongrowthintheCN,andamoleculecallednogowasfinallyidentifiedearlyin2000.Anti-nogoantibodycalleIN-1hasbeenraised,theminjectedtheaitibodyintoadultratsafterspinalcordinjury.Thistreatmentenabledabout5%oftheseveredaxonstoregenerate…FigA第49頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二TheeliminationofcellsandsynapseCelldeath

Entirepopulationsofneuronsareelimitedduringpathwayformation,aprocessknownas

Programmedcelldeath

(PCD).Matchinginputswithtargetsbyselectivecelldeath.Theinputneuronswillcompetewithoneanotherforlimitedquantitiesoftrophicfactorsproducedbythetargetneurons.第50頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二AcelltransfigurationawayfromadhesionsurfaceNucleusruptureNucleusconcretionanddwindleinsizeNucleuscrumbleCellmembraneentad-sunkenFormingapoptosisbodyForminghalf-moonChromatinconcentrateedgeofnucleusmembranephagocytosisbyphagocyteormacrophageBiologicalfeatureforapoptosisorPCDM123456EMApoptosisorPCD第51頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二2.ChangesinsynapticcapacityEachneuroncanreceiveonitsdendritesandsomaafinitenumberofsynapsescalledsynapticcapacitypeaksearlyindevelopmentandthendeclines.Especiallyinadolescentofmacaquemonkeyinvisualcorticaldeclinedbymostly50%,5000persecond.Ausefulmodelsystemforthestudyofsynapticelimination:effectofpostsynapticAChR,basalmembraneofmuscularfibrilonneuromuscularsynapticelimination.第52頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二Activity-dependentsynapticrearrangement第53頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二1.Synapticsegregation(分離)Thetwoinputneuronsinoneeye(top)fireatthesametimethisissufficienttocausethetopLGNtargetneurontofirebutnotthebottomone.Thisisthesamesituationasinparta,exceptthatnowthetwoinputneuronsintheothereye(bottom)areactivesimultaneously,causingthebottomtargetneurontofire.Overtime,neuronsthatfiretogetherwiretogether.Noticealsothatinputcellsthatfireoutofsyncwiththetargetlosetheirlink.第54頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二視頂蓋對應投射機理：頂蓋有內高外低的Wnt3梯度，其排斥性受體Ryk在視神經呈腹側高背側低的梯度，其吸引性受體Fzl均勻分布于視神經腹背軸線。

（A）鼻顳視軸突依賴EphA介導的ephrinA排斥信號，EphA以鼻側高顳側低的梯度存在于視網膜，而其配體ephrinA以梯度形式存在于頂蓋（B）背腹視軸突投射依賴兩套信號：ephrinB和EphB，Wnt和Ryk，Fzl。

ephrinB1在頂蓋內呈內高外低的梯度，EphB2和B3在視神經呈腹側高背側低梯度第55頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二SegregationofoculardominancecolumnsincatstriatecontexInitiallytheinputsfromtheLGNservingtheeyes(differentcolour)areintermingledinlayerIV.Overthecourseoffetalandearlypostnataldevelopment,theinputsfromtheeyessegregateintooculardominancecolumnsinlayerIV.第56頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二Modificationofoculardominancestripesaftermonocular