成体动物大脑的神经发生及调控

王俊娟 张立群

（四川大学 华西基础医学与法医学院，成都 610041）

1 简介

在成体的神经系统中是否存在干细胞一直是一个颇具争议的话题。一直以来人们普遍认为，一旦胚胎和新生儿时期中枢神经系统神经环路形成，任何新生神经元的出现可能会扰乱脑的信息传递，抑制脑的正常功能［1］。然后自上世纪60 和70 年代Joseph Altman 和Michael Kaplan 利用H－胸腺嘧啶标记的方法在光镜和电镜下发现成年大鼠和猫的嗅球、海马和新皮质存在新生神经元以来，成年哺乳动物的中枢神经系统的神经发生引起了神经科学家的极大的兴趣。后来，人们又通过溴化脱氧尿嘧啶核苷（bromodeoxyuridine，BrdU）标记技术了证实成年哺乳动物（如啮齿类动物、猫、树鼩、猴、人类）的侧脑室室下带（subventricular zone，SVZ）和海马齿状回的颗粒下带（subgranular zone，SGZ）存在着神经干细胞和生理性神经发生，以维持嗅球和海马的神经元的更新。近年来，细胞谱系追踪、免疫荧光技术和转基因技术的广泛应用，使得神经发生的得到了更深入了解。

2 成年神经干细胞的分布

目前人们最为公认及研究最多的是SVZ 和SGZ两个神经发生区。此外，纹状体、膈区、新皮质新生神经元的发现也引起了研究者较多的关注。

2.1 室下带

SVZ是指沿着整个侧脑室外侧壁分布的区域。主要有A、B、C和E 细胞。E 细胞，即室管膜细胞，一种高度分化的单层上皮细胞，具有绒毛结构，无分裂能力。A、B、C细胞借着E细胞与和侧脑室隔开。B型Nestin和GFAP阳性星形胶质细胞［2］，即SVZ神经干细胞可以分裂增殖形成C 型细胞（未成熟的过渡扩增细胞），C 型细胞快速分裂形成PSANCAM，Tuji阳性的A 型细胞，A 型细胞即成神经细胞，在嗅球处存活、分化、成熟。

从SVZ产生的祖细胞沿着吻侧迁移流（rostral migratory stream，RMS）切线迁移，不需要放射状胶质细胞支持。RMS主要由两种类型细胞组成，即成神经细胞和星型胶质细胞。成神经细胞存在于RMS全长并保持分裂特性，到达嗅脑的中央区后分别朝周边的颗粒细胞层和球周细胞层迁移，最终分化为球周细胞和颗粒细胞，形成新的神经元并整合入原来的神经环路［3］。祖细胞的迁移路线高度局限化，从SVZ区到嗅球约需要2～6天时间，在啮齿类动物细胞迁移距离可达5mm。

2.2 颗粒下带

SGZ的细胞分为两类重要的细胞：一种是巢蛋白、GFAP，Sry相关HMG 框基因转录因子Sox2阳性的B型细胞［4］。这些B 型细胞虽然呈现GFAP阳性，但功能和形态与成熟星形胶质细胞并不相同。第二种细胞为B细胞分裂产生的D 型细胞，与B细胞不同的是，D 型细胞不表达GFAP，开始表达某些神经元的特异性标记，但依然具有分裂能力的细胞。D 细胞继续分化，形成新生的神经元。然后SGZ新生神经元区别与SVZ区的的新生神经元，他们仅在齿状回的颗粒细胞层内迁移、存活、成熟和整合［5］，并不经历长途迁移的过程。

2.3 新皮质

目前认为纹状体、新皮质存在新生神经元［6］，但具体的细胞形态以及新生神经元的来源尚存争议。上世纪80 年代，Nottebohm 及其同事发现处于求偶期的成年鸟类的鸣叫系统相关的新纹状体（一个紧邻新皮质的神经核团）有着大量的侧脑室周围来源的新生神经元，这些新生神经元能够整合到原有的神经环路中，在这些鸟类的歌唱学习过程中起着重要的作用［7］。Gould及其同事1999 年发现灵长类动物的新皮质存在新生神经元，并且指出新生神经元与新皮质的认知功能密切相关［8］。体外实验发现成年哺乳动物新皮质的许多区域能分离出神经干细胞［9］，同时损伤可以导致新皮质出现增殖分裂的细胞和新生神经元。如中风之后SVZ 区域的神经发生增强，新生成的成神经细胞通过皮质侧向迁移流的方式定向迁移至纹状体和一些较深位置的皮质损伤区的边缘［10］。另外，外源性植入的胚胎神经元或神经祖细胞可以定向迁移至受损新皮质区域［11］。但是在生理情况下是否存在神经发生以及病理生理情况下神经发生的过程具体如何，目前尚无定论。

3 神经发生的调控

许多新生的神经元会在数周内死去，他们的存活受到多种机制的调控。神经发生的调控包括干细胞和祖细胞的增殖、分化、存活、成熟、迁移并整合入原有的神经环路这些过程的各个层面。但各个层面的调控最终都会在分子调控上发生作用。

3.1 信号通路

Notch是在动物中广泛存在且高度保守的一条信号传导途径。该通路由各种因子激活、对多种不成熟细胞分化的起信号抑制作用。Breunig等通过基因敲除的方式阻断Notch通路，缺少Notch信号的小鼠在SGZ出现急剧增多的新生神经元和和少量的GFAP阳性的细胞，提示在成体动物神经发生过程中Notch的通路阻断可以促进神经祖细胞分化。通过逆转录病毒激活Notch可以使迁移至OB途中的前体细胞停止迁移、分化［12］。正常情况下，Notch被激活后可以抑制下游的MASH1 和NeuroD1两个转录因子转录，因此当Notch被抑制时，MASH1和NeuroD1两个转录因子转录，而Mash1的激活可以促进SGZ 的干细胞往神经胶质细胞发育［13］，NeuroD1则可以促进SGZ 和嗅球的细胞分化［14］。上述实验均证实了再成年动物神经发生的过程中，Notch在维持细胞的“干”性中具有重要作用，Notch通路如一个重要的开关，决定着神经祖细胞的分化与否。虽然Notch 在神经发生的过程中重要性已被研究者普遍认同，因涉及的分子繁多，目前Notch的激活机制尚不十分明了。

3.2 神经递质

GABA 是成人大脑的主要抑制性神经递质，能导致成熟的神经元的超极化。然而在胚胎的中枢神经系统，以及成人大脑中的神经发生前期GABA 却起着去极化的作用［15］。GABA 作用由兴奋到抑制作用的转化，在未成熟神经细胞增殖、分化、迁移、成熟的各个环节都起着关键性作用。GABA 通过引起细胞的去极化，导致电压门控钙通道的打开，升高细胞内Ca2＋浓度。Ca2＋通过影响细胞骨架的动力学而影响神经祖细胞的迁移，GABA 也被认为通过调节Ca2＋和NeuroD 控制细胞周期而使细胞增殖抑制，促进细胞分化［16］。最重要的是，Ge等［17］发现，GABA 介导的兴奋性作用直接影响着未成熟细胞的树突棘形成。通过基因手段或者使用GABA拮抗剂减弱GABA 的作用，发现在SVZ和SGZ区的成熟神经元的数量，SVZ－RMS 的未成熟的神经细胞迁移明显加快［15］，以及新生神经元树突发育严重障碍［17］。因此，GABA 在神经发生的过程中被认为起着抑制干细胞增殖，促进细胞分化，控制细胞迁移速度的重要作用。在新生神经元出生后2 到4周，新生细胞对GABA 的反应由去极化变成超极化，并且树突棘的密度逐渐增加，同时发育出NMDA 受体，成为成熟的神经元。兴奋性氨基酸可以通过激活NMDA 受体促进海马的神经发生，NMDA 受体拮抗剂处理的大鼠海马颗粒层细胞增多，s期细胞也明显增加［18］。

3.3 神经因子

某些神经因子如BDNF、FGF、IGF 与神经元的存活和分化、迁移，特别是功能性突触形成和突触可塑性有关。已有研究表明BDNF［19］、FGF［20］在注入脑内后明显增加成年老鼠大脑是新生神经元数目，影响小鼠神经系统发育过程中神经元的迁移.目前已有学者证实BDNF／TrkB 信号通路是Numb 蛋白介导对于神经元迁移的重要影响因素［21］。

3.4 其他因素

影响神经发生的因素极为复杂，行为、疾病、环境、神经电活动等都可以通过不同分子机制影响神经发生。Adlard通过四周的轮转练习特异性的强化小鼠的行为，发现增加2月龄、4月龄、15月龄小鼠的BDNF，海马不同部位的神经元数量的显示出较大的差异。异常电活动如G 癫痫的发作可以增加的无功能性神经元的生成。而年龄、压力、应激等则可以明显减少新生神经元的数量。

4 神经发生研究的意义

目前认为大脑的神经发生是大脑的自我更新、生理性稳态的维持和高级神经功能的执行的结构基础。例如SGZ的神经发生对于海马依赖的学习能力记忆情绪活动起着重要的作用［22］。神经发生的研究有助于我们了解成年哺乳动物大脑的稳定性和认知与行为功能的细胞和分子机制，同时有助于了解外伤性脑损伤、脑缺血或中风、精神应激、衰老、神经退行性疾病的发病机制，它的研究对于这些疾病的诊断、治疗和预防有着重大意义。

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