1、第九章 神經回路的形成 第一節 神經突起的發育 第二節 軸突生長的引導 第三節 軸突的過度增生和撤消 第四節 樹突的發育和分化 第五節 局部地域有序投射形成的特異性 第六節 發育期間突觸連接的重排 神經發育的可塑性 第七節 突觸連接的構筑結束放映第一節 神經突起的發育一. 軸突和樹突的形成二. 神經突起的伸長三. 生長錐四. 先驅神經纖維一.軸突和樹突的形成神經突起：指神經元的軸突和樹突。神經突起從神經元的何處形成和產生突起的數目是由神經細胞本身固有的因子決定的。 例如：大腦皮層中的錐形細胞排成一排，其樹突起源于頂端，指向皮層表面；而軸突由胞體基部生出，指向里面白質。有時由于細胞完成遷移后不能

2、進行完全180的旋轉，處于與正常相反的位置,其軸突由基部產生, 起初向皮層表面生長，而樹突向白質生長(見圖)。二.神經突起的伸長神經突起的伸長需要產生新的細胞膜和細胞質，也需要新的細胞骨架成分。實驗證明：新生的膜附加到突起的頂端而細胞質和骨架成分則附加到突起的基部。軸突的生長是頂端生長的結果(見圖)。三.生長錐生長錐：神經元軸突和樹突生長的末端。結構：一種高度能動的細胞結構特化形式，呈薄的扁平膜狀，生出一些絲狀偽足作為延伸部分(見圖)。發育誘導：生長錐離開細胞體后，幾乎完全由與環境的相互作用引導。微棘：生長錐薄膜和絲狀偽足下面主要由肌動蛋白組成的棘（見圖）。四.先驅神經纖維先驅神經纖維:指在發

3、育期間形成較早(在神經束中軸突生長期間)最早到達靶組織的軸突(見圖號所示)。功能:是其它軸突發育為神經束的引路向導.第二節 軸突生長的引導一.觸向性 二.基質的粘連性三.向電性 四.向化性 五.生長路線的標記六.多重引導的線索一.觸向性觸向性:一種機械性影響軸突生長的因子,指軸突傾向于沿著一定的表面生長。研究發現(在早期體外培養):生長的軸突傾向于沿著劃痕或伸展的細胞質凝塊邊緣生長. 二.基質的粘連性軸突與某些物質的粘連性比另一些強，它傾向于沿粘連性物質生長。例如: 在蠓翅中神經纖維沿細胞外基質中的纖維生長(見圖) 在體外培養時生長的軸突沿粘連物質(如多聚賴氨酸、層粘連蛋白等)涂抹的方格或條紋

4、生長(見圖)。細胞外基質中的另一類分子，如氨基葡聚糖在體外阻礙軸突的生長。三.向電性(galvanotropism)向電性:指軸突的生長可能受電場的影響，電場是由局部發電的細胞膜泵產生的(有人測到高達100mV的電場)。研究發現(體外培養)：生長的軸突向附加電場的陰極生長。四.向化性(chemotropism)向化性假說:軸突的生長是根據化學的線索進行的。例證(來自神經生長因子)： 它是一種可溶性蛋白質，在交感神經軸突的靶組織產生，可極大提高神經軸突的生長； 神經生長因子的梯度能影響生長軸突所采取的路線，體外培養的神經軸突有選擇地向插入培養基中含有神經生長因子溶液的毛細管口處生長(見圖)。例：

5、在胚胎小鼠感覺神經元與其正常靶組織須墊建立連接前，切下三叉神經節的感覺神經元將其置于靠近須墊不同部位組織，發現神經纖維只向須墊生長，不向肢芽生長（上排)；只向須墊上皮生長，不向間質(中排)；其它神經元不生長.AB向化性(chemotropism)五.生長路線的標記 生長路線的標記假說：軸突是沿著在其生長路線上存 在的化學標記物運動的。生長路線的標記假說解釋： 軸突能沿著具有特殊化學標記物的路線生長； 不同的神經元具有不同的標記物； 在位置上具有的生物化學特性的不同將標記不 同的路線。運動和感覺神經元沿著非常固定的路線生長到附肢中。例如：蝗蟲每個體節有61個成神經細胞, 它們分布在每側30個和中

6、間1個。它們中間的7-4成神經細胞是一個干細胞,它產生6個神經元:C,G,Q1,Q2,Q5和Q6。這些神經元的軸突沿著其它較早期形成的神經元組成的特定路線到達它們的靶區(見圖)。G神經元軸突沿P細胞生長,如果切除P細胞,G神經元生長出現異常;破壞其它100個G神經元經過的細胞,并不影響其生長。六.多重引導的線索許多因子綜合的相互作用引導生長軸突到達靶區。神經元軸突有時沿錯誤路線生長，但最后仍能到達特定靶區。從幾個體節產生的運動神經元從脊髓生出時混合在一起，形成脊神經，在到達一個叢后它們沿不同路線分道揚鑣，到達單個肌肉上。例如：在雞胚后肢區運動神經元軸突的生長路線(見圖)。 在雞胚中軸突起始位置

7、小錯位的補償（見圖）。第三節 軸突的過度增生和撤消軸突投射在起初比成熟時較少特異性，在某些系統中早期明顯地過度增生，產生一些“異位”投射，它們在此后發育中被撤消。例如：哺乳動物視神經在成體是單側通道，但在發育早期是雙側的. 早期神經軸突數比成體的多(猴, 見圖)。過度增生軸突的撤消可能包括伸出不合適投射的神經元的死亡。 在大鼠進行的實驗發現(見圖)，將活性染料固藍注射到剛出生大鼠的上丘腦,就逆行標記同側和對側的視網膜神經節細胞(中排左)；出生后12天同側標記細胞消失(中排中);摘除對側眼的對照中,同側標記細胞仍多(中排右).在大腦皮層進行的實驗發現, 投射的撤消只是軸突的縮回, 并不伴隨神經細

8、胞的死亡。在大鼠進行的實驗發現，將活性染料固藍注射到剛出生大鼠的上丘腦,就逆行標記同側和對側的視網膜神經節細胞(中排左)；出生后12天同側標記細胞消失(中排中);摘除對側眼的對照中,同側標記細胞仍多(中排右).在大腦皮層進行的實驗發現, 投射的撤消只是軸突的縮回, 并不伴隨神經細胞的死亡第四節 樹突的發育和分化樹突的發育樹突的分化樹突的發育樹突起初的向外生長是由神經元固有的因子決定的，在離開細胞體后樹突較少受環境的影響(在發育的時間上樹突往往與傳入神經的生長和突觸連接的形成平行發育)。研究發現腦區某些神經元在傳入神經到達之前精制樹突分支。 例如：在大鼠的齒狀回中，顆粒細胞的樹突大約在出生時開始

9、分化，大約到出生30天基本完成(見圖)。例如：鳥類層狀核中神經元具有雙極樹突,它們接受兩側耳蝸核來的傳入。其雙極樹突的長度系統地變化,接受高頻輸入的神經元具有最短的樹突，接受低頻的具有最長的樹突，但在發育初期所有神經元具有廣泛樹突分支(見圖)。樹突的分化樹突一般形態的發育是由其本身固有的因素決 定的，然而樹突較精細的結構的建立依賴于與傳入神經持續的相互作用及其功能活動的存在. 例如：在小鼠出生日摘除單眼后，由于視神經的喪失明顯導致視皮層中星形神經細胞樹突的重新分配。通常星形神經細胞樹突在皮層第層廣泛分布，丘腦的傳入也在此層終止；在摘除單眼后星形神經細胞的樹突明顯支配到臨近的層中，明顯避開第層。

10、第五節 局部地域有序投射形成的特異性化學親合性假說“壓縮”和“擴展”投射的實驗 17 12 11 16 7 20 15 10 6 319 9 14 52 13 8 4 14 14 20 3 19 13 232 7 n 12 17 221 6 11 21 5 16 15910 8 21 22 2316 17 18 19 2010 11 12 13 14 155 6 7 8 9 1 2 3 4 20 19 1817 16 15 14 1312 11 10 9 87 6 5 43 2 1圖：成熟爪蟾(Xenopus)中正常的視網膜頂蓋投射化學親合性假說化學親合性假說(chemoaffinity hy

11、pothesis)：關于局部地域投射形成的最有影響的假說(Sperry 1963)是在有關低等脊椎動物視網膜-頂蓋系統的研究中得出的(見圖）Sperry發現，在損傷視神經后，視網膜再生的模式有一種選擇性。當視神經被切斷，而視網膜保持完整時，再生的視神經能在頂蓋中重建正常的局部地域投射。然而，當視神經被切斷，而破壞部分視網膜時，存活部分視網膜的神經纖維有選擇地再生到這些纖維正常應當分布的頂蓋區域(見圖)。因此認為選擇性連接的建立是由于突觸前和突觸后兩部分具有相互識別的化學互補分子標記。“壓縮”和“擴展”投射的實驗“壓縮”和“擴展”的實驗包括兩大類： 切除部分頂蓋，完整的視網膜再生到剩余的部分頂蓋

12、中（見圖）； 破壞一部分視網膜，剩余的視網膜神經節細胞再生的軸突投射到完整的頂蓋中（見圖）.根據化學親合性假說，前者正常投射到切除頂蓋部分的視網膜神經節細胞將不能形成連接；后者與切除視網膜部分對應的頂蓋區將沒有神經節細胞軸突投射到那里。實驗證明：前者視網膜的整個投射被“壓縮”到存活的頂蓋部分，后者剩余部分的視網膜神經節細胞“擴散”地投射到整個頂蓋中。第六節 發育期間突觸連接的重排神經發育的可塑性突觸的消失和穩定回路的重排突觸競爭環境對突觸連接的影響神經發育的可塑性:神經系統具有變化和調整的能力。突觸的消失和穩定在成熟哺乳動物中，單個的肌肉纖維通常只與一個運動神經的突觸終末連接。但在發育早期該肌

13、肉纖維可能同時接受幾個軸突的神經支配。在成體大鼠肌肉纖維中可記錄到一個均勻振幅的突觸后電位(PSP)，而在發育大鼠中同樣刺激將得到多重振幅的PSP(見圖)。結果表明具有不同臨界值的幾個運動神經軸突同時支配同一個肌肉纖維。因此肌肉纖維在發育早期是被多重傳入神經支配的,隨發育最后只保留一個，其余的都消失了(見圖)。回路的重排回路的重排：在高等動物的視皮層中，從膝狀核伸出的投射通常分開進入眼優勢柱，即從接受同側或對側眼輸入的膝狀核發出的投射幾乎遍及整個視皮層中。當將一電極插入視皮層第層中，它將遇到對一只眼或另一只眼起反應的細胞柱。用膝狀皮層投射模式說明柱形成的原因:向一只眼內注射標記的蛋白質前體，并

14、允許這些前體被跨突觸膜的運輸到與注射眼相對應的膝狀皮層中進行研究。結果發現,從每只眼投射到膝狀皮層的纖維終末區呈交替的條紋狀排列（見圖）。然而在正發育的動物中，從一只眼投射到膝狀皮層的纖維終末區是均勻的，不呈條紋狀排列。因此相對于兩眼的投射必定是重疊的。這表明皮層中個別的神經元可能接受來源于兩眼的膝狀核纖維的輸入,這已被電生理的研究證實。突觸競爭突觸后細胞在選擇過程中的重要作用：在發育過程中起初重疊的投射逐漸變得分離，重疊投射的消失意味著在兩套非常相似的軸突間競爭對每一套都可能潛在的神經支配的突觸后細胞群，還可能包括一類突觸的穩定和另一類的消失.突觸競爭可能依賴突觸群的不同活動；突觸競爭可能發

15、生在突觸后細胞的特定區域. 在一個肌肉群中，當運動單位體積減少時，僅保留一個軸突；當除去所有其余的軸突，這時由存活的軸突支配的運動單位體積并不減少。 如果損傷一只眼或其正常的活動被破壞，膝狀核皮層中分離投射的發育被破壞，正常被破壞的眼與皮層神經元的穩定連接比正常眼效力小；形成眼優勢柱的寬度前者比后者窄得多。綜上所述： 在建立一個樹突接受一個神經纖維支配的模式中，突觸前纖維可能“撲獲”一個樹突，而其余的輸入消失； 突觸后細胞的形狀(初級樹突數目)是與它最后接受的突觸前傳入的數目相關的。例如：神經肌肉連接發育中那些激活肌肉有效的纖維是穩定的，效力小的將消失。環境對突觸連接的影響神經發育的可塑性還表

16、現在哺乳動物的視覺系統中。如驗證實驗(Hubel和Wiesel，20世紀60-80年代): 發育早期縫合單眼對每只眼支配的皮層神經元分布的影響(見圖)； 在關鍵期室皮層中的側膝狀核軸突的終末分支能迅速變化以對單眼廢置起反應(見圖)。例如：新生貓的視網膜及外側膝狀核細胞對刺激的反應基本與成體相似，但在側膝狀核纖維終止的層中眼優勢柱尚未完全形成，其中的細胞均被雙眼支配。出生 6周才形成單眼支配的模式。）第七節 突觸連接的構筑（1）神經節細胞被不同神經支配的機制必定發生在突觸形成的時候，選擇突觸形成是根據突觸前和突觸后具有不同成分的化學親合性。研究證明:突觸前和突觸后神經元之間選擇的親合性并非嚴格控制的，一些特定神經元之間形成突觸連接優先，但并不排除與全體神經元形成突觸連接。當軸突生長到正確的靶區之后，它必須進一步決定在周圍各種潛在的突觸伙伴中選擇在那些細胞上神經支配。例如：在上頸神經節中，由最高胸水平(T1)起源的神經元神經支配到神經節細胞，后者又投射到眼的靶區，而稍低水平(T4)來源的神經元神