主讲教师: 崔彩莲北京大学 神经科学研究所Neuroscience Research Institute, Peking University Email: clcuibjmu.edu.cnclcuibjmu.edu.cn Website: nri.bjmu.edu.cnnri.bjmu.edu.cn中枢神经系统发育及其可塑性中枢神经系统发育及其可塑性 Development of Central Nervous System and Its Plasticity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。细胞调亡 - 突触重排及消退等IntroductionIntroductionOutline 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 RemarksFrom 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 (A)神经板期(B)神经褶期 (C) 神经管期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。- The neural plate is induced by signals from adjacent mesoderm- The neural plate is patterned along its dorso-ventral axis by signals from adjacent non-neural cellsThe ventral NT the notochordThe dorsal NT the epidermal ectoderm The neural tube (NT) formationneural plateneural grooveneural foldneural tubeneural tubeCranial neuropore anlage brainanlage spinal cordCaudal neuroporeCNS The neural tube formationA sample in human embryo-developing in fourth to fifth week. Showing A sample in human embryo-developing in fourth to fifth week. Showing neural foldneural fold，cranial cranial neuroporeneuropore，somitesomite， caudal caudal neuroporeneuropore, etc. , etc. 三个原始脑泡是脑的原基 前脑泡中脑泡菱脑泡（后 ）前N孔闭合脑 泡Brain vesicle端脑间脑后脑末脑第三脑室左、右大脑半球两个侧脑室背：四叠体腹：大脑脚 中脑脑桥、小脑延髓脑泡腔第四脑室中：中脑导水管基 本 保 持 三 层 结 构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神经管顶壁和底壁薄而窄 神经管的尾侧段分化、发育为脊髓腹侧两基板背侧两翼板顶 板底 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 中枢神经系统发育异常并不少见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。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。 导致发育畸形的因素远未完全清楚- The first step in wiring the nervous system together is the generation of neurons. - Neuronal structure develops in three major stages: 1. Cell proliferation2. Cell migration 3. Cell differentiation The genesis of neuronsInducting factorsmesodermNeuronal progenitorGlial progenitorNeural progenitorectoderm1. cell proliferation - Induction during neuronal genesis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。原肠胚期早期的两栖类动物胚胎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?glioblastNeural tube-MSC Neural-epitheliaNeuroblast 1. cell proliferation - To grow or multiply by rapidly producing new cellsneural tubeVentricular zoneMarginal zoneNeuroblastneural tube1. cell proliferation - a characteristic of the choreography of cell proliferation合成合成DNADNA时时(S(S期期) )，其核位于靠近外侧膜处，然后核又回到靠官腔的位置进，其核位于靠近外侧膜处，然后核又回到靠官腔的位置进 行有丝分裂行有丝分裂(M(M期期) )，有丝分裂产生的子细胞又移行至外界膜，再合成，有丝分裂产生的子细胞又移行至外界膜，再合成DNADNA 并重复其增殖周期。分裂后子细胞并重复其增殖周期。分裂后子细胞(daughter cell)(daughter cell) 命运命运(fate)(fate)如何决定于很多如何决定于很多 因素，其中非常重要的因素是基因表达因素，其中非常重要的因素是基因表达(gene expression)(gene expression)的差异性的差异性, ,而基因表而基因表 达的调控取决于达的调控取决于transcription factorstranscription factors的类型。的类型。 Both daughter cells cleaved vertically from the precursor remain in the ventricular zone to divide again and again. 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 precursor1. cell proliferation - The fate of the newly formed daughter cellsVentricular zone precursor cells repeated this pattern unti