成體動(dòng)物大腦的神經(jīng)發(fā)生及調(diào)控

王俊娟 張立群

（四川大學(xué) 華西基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與法醫(yī)學(xué)院，成都 610041）

1 簡介

在成體的神經(jīng)系統(tǒng)中是否存在干細(xì)胞一直是一個(gè)頗具爭議的話題。一直以來人們普遍認(rèn)為，一旦胚胎和新生兒時(shí)期中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)環(huán)路形成，任何新生神經(jīng)元的出現(xiàn)可能會(huì)擾亂腦的信息傳遞，抑制腦的正常功能［1］。然后自上世紀(jì)60 和70 年代Joseph Altman 和Michael Kaplan 利用H－胸腺嘧啶標(biāo)記的方法在光鏡和電鏡下發(fā)現(xiàn)成年大鼠和貓的嗅球、海馬和新皮質(zhì)存在新生神經(jīng)元以來，成年哺乳動(dòng)物的中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)發(fā)生引起了神經(jīng)科學(xué)家的極大的興趣。后來，人們又通過溴化脫氧尿嘧啶核苷（bromodeoxyuridine，BrdU）標(biāo)記技術(shù)了證實(shí)成年哺乳動(dòng)物（如嚙齒類動(dòng)物、貓、樹鼩、猴、人類）的側(cè)腦室室下帶（subventricular zone，SVZ）和海馬齒狀回的顆粒下帶（subgranular zone，SGZ）存在著神經(jīng)干細(xì)胞和生理性神經(jīng)發(fā)生，以維持嗅球和海馬的神經(jīng)元的更新。近年來，細(xì)胞譜系追蹤、免疫熒光技術(shù)和轉(zhuǎn)基因技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得神經(jīng)發(fā)生的得到了更深入了解。

2 成年神經(jīng)干細(xì)胞的分布

目前人們最為公認(rèn)及研究最多的是SVZ 和SGZ兩個(gè)神經(jīng)發(fā)生區(qū)。此外，紋狀體、膈區(qū)、新皮質(zhì)新生神經(jīng)元的發(fā)現(xiàn)也引起了研究者較多的關(guān)注。

2.1 室下帶

SVZ是指沿著整個(gè)側(cè)腦室外側(cè)壁分布的區(qū)域。主要有A、B、C和E 細(xì)胞。E 細(xì)胞，即室管膜細(xì)胞，一種高度分化的單層上皮細(xì)胞，具有絨毛結(jié)構(gòu)，無分裂能力。A、B、C細(xì)胞借著E細(xì)胞與和側(cè)腦室隔開。B型Nestin和GFAP陽性星形膠質(zhì)細(xì)胞［2］，即SVZ神經(jīng)干細(xì)胞可以分裂增殖形成C 型細(xì)胞（未成熟的過渡擴(kuò)增細(xì)胞），C 型細(xì)胞快速分裂形成PSANCAM，Tuji陽性的A 型細(xì)胞，A 型細(xì)胞即成神經(jīng)細(xì)胞，在嗅球處存活、分化、成熟。

從SVZ產(chǎn)生的祖細(xì)胞沿著吻側(cè)遷移流（rostral migratory stream，RMS）切線遷移，不需要放射狀膠質(zhì)細(xì)胞支持。RMS主要由兩種類型細(xì)胞組成，即成神經(jīng)細(xì)胞和星型膠質(zhì)細(xì)胞。成神經(jīng)細(xì)胞存在于RMS全長并保持分裂特性，到達(dá)嗅腦的中央?yún)^(qū)后分別朝周邊的顆粒細(xì)胞層和球周細(xì)胞層遷移，最終分化為球周細(xì)胞和顆粒細(xì)胞，形成新的神經(jīng)元并整合入原來的神經(jīng)環(huán)路［3］。祖細(xì)胞的遷移路線高度局限化，從SVZ區(qū)到嗅球約需要2～6天時(shí)間，在嚙齒類動(dòng)物細(xì)胞遷移距離可達(dá)5mm。

2.2 顆粒下帶

SGZ的細(xì)胞分為兩類重要的細(xì)胞：一種是巢蛋白、GFAP，Sry相關(guān)HMG 框基因轉(zhuǎn)錄因子Sox2陽性的B型細(xì)胞［4］。這些B 型細(xì)胞雖然呈現(xiàn)GFAP陽性，但功能和形態(tài)與成熟星形膠質(zhì)細(xì)胞并不相同。第二種細(xì)胞為B細(xì)胞分裂產(chǎn)生的D 型細(xì)胞，與B細(xì)胞不同的是，D 型細(xì)胞不表達(dá)GFAP，開始表達(dá)某些神經(jīng)元的特異性標(biāo)記，但依然具有分裂能力的細(xì)胞。D 細(xì)胞繼續(xù)分化，形成新生的神經(jīng)元。然后SGZ新生神經(jīng)元區(qū)別與SVZ區(qū)的的新生神經(jīng)元，他們僅在齒狀回的顆粒細(xì)胞層內(nèi)遷移、存活、成熟和整合［5］，并不經(jīng)歷長途遷移的過程。

2.3 新皮質(zhì)

目前認(rèn)為紋狀體、新皮質(zhì)存在新生神經(jīng)元［6］，但具體的細(xì)胞形態(tài)以及新生神經(jīng)元的來源尚存爭議。上世紀(jì)80 年代，Nottebohm 及其同事發(fā)現(xiàn)處于求偶期的成年鳥類的鳴叫系統(tǒng)相關(guān)的新紋狀體（一個(gè)緊鄰新皮質(zhì)的神經(jīng)核團(tuán)）有著大量的側(cè)腦室周圍來源的新生神經(jīng)元，這些新生神經(jīng)元能夠整合到原有的神經(jīng)環(huán)路中，在這些鳥類的歌唱學(xué)習(xí)過程中起著重要的作用［7］。Gould及其同事1999 年發(fā)現(xiàn)靈長類動(dòng)物的新皮質(zhì)存在新生神經(jīng)元，并且指出新生神經(jīng)元與新皮質(zhì)的認(rèn)知功能密切相關(guān)［8］。體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)成年哺乳動(dòng)物新皮質(zhì)的許多區(qū)域能分離出神經(jīng)干細(xì)胞［9］，同時(shí)損傷可以導(dǎo)致新皮質(zhì)出現(xiàn)增殖分裂的細(xì)胞和新生神經(jīng)元。如中風(fēng)之后SVZ 區(qū)域的神經(jīng)發(fā)生增強(qiáng)，新生成的成神經(jīng)細(xì)胞通過皮質(zhì)側(cè)向遷移流的方式定向遷移至紋狀體和一些較深位置的皮質(zhì)損傷區(qū)的邊緣［10］。另外，外源性植入的胚胎神經(jīng)元或神經(jīng)祖細(xì)胞可以定向遷移至受損新皮質(zhì)區(qū)域［11］。但是在生理情況下是否存在神經(jīng)發(fā)生以及病理生理情況下神經(jīng)發(fā)生的過程具體如何，目前尚無定論。

3 神經(jīng)發(fā)生的調(diào)控

許多新生的神經(jīng)元會(huì)在數(shù)周內(nèi)死去，他們的存活受到多種機(jī)制的調(diào)控。神經(jīng)發(fā)生的調(diào)控包括干細(xì)胞和祖細(xì)胞的增殖、分化、存活、成熟、遷移并整合入原有的神經(jīng)環(huán)路這些過程的各個(gè)層面。但各個(gè)層面的調(diào)控最終都會(huì)在分子調(diào)控上發(fā)生作用。

3.1 信號通路

Notch是在動(dòng)物中廣泛存在且高度保守的一條信號傳導(dǎo)途徑。該通路由各種因子激活、對多種不成熟細(xì)胞分化的起信號抑制作用。Breunig等通過基因敲除的方式阻斷Notch通路，缺少Notch信號的小鼠在SGZ出現(xiàn)急劇增多的新生神經(jīng)元和和少量的GFAP陽性的細(xì)胞，提示在成體動(dòng)物神經(jīng)發(fā)生過程中Notch的通路阻斷可以促進(jìn)神經(jīng)祖細(xì)胞分化。通過逆轉(zhuǎn)錄病毒激活Notch可以使遷移至OB途中的前體細(xì)胞停止遷移、分化［12］。正常情況下，Notch被激活后可以抑制下游的MASH1 和NeuroD1兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄，因此當(dāng)Notch被抑制時(shí)，MASH1和NeuroD1兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄，而Mash1的激活可以促進(jìn)SGZ 的干細(xì)胞往神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)育［13］，NeuroD1則可以促進(jìn)SGZ 和嗅球的細(xì)胞分化［14］。上述實(shí)驗(yàn)均證實(shí)了再成年動(dòng)物神經(jīng)發(fā)生的過程中，Notch在維持細(xì)胞的“干”性中具有重要作用，Notch通路如一個(gè)重要的開關(guān)，決定著神經(jīng)祖細(xì)胞的分化與否。雖然Notch 在神經(jīng)發(fā)生的過程中重要性已被研究者普遍認(rèn)同，因涉及的分子繁多，目前Notch的激活機(jī)制尚不十分明了。

3.2 神經(jīng)遞質(zhì)

GABA 是成人大腦的主要抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，能導(dǎo)致成熟的神經(jīng)元的超極化。然而在胚胎的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，以及成人大腦中的神經(jīng)發(fā)生前期GABA 卻起著去極化的作用［15］。GABA 作用由興奮到抑制作用的轉(zhuǎn)化，在未成熟神經(jīng)細(xì)胞增殖、分化、遷移、成熟的各個(gè)環(huán)節(jié)都起著關(guān)鍵性作用。GABA 通過引起細(xì)胞的去極化，導(dǎo)致電壓門控鈣通道的打開，升高細(xì)胞內(nèi)Ca2＋濃度。Ca2＋通過影響細(xì)胞骨架的動(dòng)力學(xué)而影響神經(jīng)祖細(xì)胞的遷移，GABA 也被認(rèn)為通過調(diào)節(jié)Ca2＋和NeuroD 控制細(xì)胞周期而使細(xì)胞增殖抑制，促進(jìn)細(xì)胞分化［16］。最重要的是，Ge等［17］發(fā)現(xiàn)，GABA 介導(dǎo)的興奮性作用直接影響著未成熟細(xì)胞的樹突棘形成。通過基因手段或者使用GABA拮抗劑減弱GABA 的作用，發(fā)現(xiàn)在SVZ和SGZ區(qū)的成熟神經(jīng)元的數(shù)量，SVZ－RMS 的未成熟的神經(jīng)細(xì)胞遷移明顯加快［15］，以及新生神經(jīng)元樹突發(fā)育嚴(yán)重障礙［17］。因此，GABA 在神經(jīng)發(fā)生的過程中被認(rèn)為起著抑制干細(xì)胞增殖，促進(jìn)細(xì)胞分化，控制細(xì)胞遷移速度的重要作用。在新生神經(jīng)元出生后2 到4周，新生細(xì)胞對GABA 的反應(yīng)由去極化變成超極化，并且樹突棘的密度逐漸增加，同時(shí)發(fā)育出NMDA 受體，成為成熟的神經(jīng)元。興奮性氨基酸可以通過激活NMDA 受體促進(jìn)海馬的神經(jīng)發(fā)生，NMDA 受體拮抗劑處理的大鼠海馬顆粒層細(xì)胞增多，s期細(xì)胞也明顯增加［18］。

3.3 神經(jīng)因子

某些神經(jīng)因子如BDNF、FGF、IGF 與神經(jīng)元的存活和分化、遷移，特別是功能性突觸形成和突觸可塑性有關(guān)。已有研究表明BDNF［19］、FGF［20］在注入腦內(nèi)后明顯增加成年老鼠大腦是新生神經(jīng)元數(shù)目，影響小鼠神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中神經(jīng)元的遷移.目前已有學(xué)者證實(shí)BDNF／TrkB 信號通路是Numb 蛋白介導(dǎo)對于神經(jīng)元遷移的重要影響因素［21］。

3.4 其他因素

影響神經(jīng)發(fā)生的因素極為復(fù)雜，行為、疾病、環(huán)境、神經(jīng)電活動(dòng)等都可以通過不同分子機(jī)制影響神經(jīng)發(fā)生。Adlard通過四周的輪轉(zhuǎn)練習(xí)特異性的強(qiáng)化小鼠的行為，發(fā)現(xiàn)增加2月齡、4月齡、15月齡小鼠的BDNF，海馬不同部位的神經(jīng)元數(shù)量的顯示出較大的差異。異常電活動(dòng)如G 癲癇的發(fā)作可以增加的無功能性神經(jīng)元的生成。而年齡、壓力、應(yīng)激等則可以明顯減少新生神經(jīng)元的數(shù)量。

4 神經(jīng)發(fā)生研究的意義

目前認(rèn)為大腦的神經(jīng)發(fā)生是大腦的自我更新、生理性穩(wěn)態(tài)的維持和高級神經(jīng)功能的執(zhí)行的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。例如SGZ的神經(jīng)發(fā)生對于海馬依賴的學(xué)習(xí)能力記憶情緒活動(dòng)起著重要的作用［22］。神經(jīng)發(fā)生的研究有助于我們了解成年哺乳動(dòng)物大腦的穩(wěn)定性和認(rèn)知與行為功能的細(xì)胞和分子機(jī)制，同時(shí)有助于了解外傷性腦損傷、腦缺血或中風(fēng)、精神應(yīng)激、衰老、神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機(jī)制，它的研究對于這些疾病的診斷、治療和預(yù)防有著重大意義。

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