成体大脑神经发生特点及其影响因素研究进展

孙艺学，王爱兵，李子义，张学明

(吉林大学动物医学学院 动物胚胎工程吉林省重点实验室，吉林 长春 130062)

张学明(Tel:0431-87836162,E-mail: zhxueming@yahoo.com)

成体大脑神经发生特点及其影响因素研究进展

Progressresearchonfeaturesandaffectingfactorsinadultbrainneurogenesis

孙艺学，王爱兵，李子义，张学明

(吉林大学动物医学学院 动物胚胎工程吉林省重点实验室，吉林 长春 130062)

成体大脑中的神经发生主要存在于脑室下区(SVZ)和海马齿状回颗粒下区(SGZ)。SVZ和SGZ中神经干细胞(NSCs)的增殖、分化、迁移贯穿个体的生命，因此成体大脑神经发生研究对临床退行性神经疾病的治疗、脑损伤的修复等均具有重要意义。目前该领域研究备受关注。本文作者对成体大脑中的干细胞/祖细胞、神经发生与迁移的具体过程、形成特点及其相关调节进行评述，以期为本领域或相关研究提供借鉴。

神经干细胞；神经发生；大脑

成年哺乳类动物大脑中的神经发生主要存在于2个区域：脑室下区(subventricular zone,SVZ)和海马齿状回颗粒下区(subgranular zone,SGZ)[1]。该区域中的神经干细胞(neural stem cells,NSCs)均具有自我更新和多向分化潜能，可在体外被分离和克隆，对疾病和损伤具有反应能力。但其最大区别在于海马NSCs不能长距离迁移，而位于SVZ的 NSCs通过分裂、增殖后产生的祖细胞可以完成长距离迁移，这使得SVZ中的NSCs成为研究神经细胞增殖、迁移和分化的最佳模型[2-3]。SVZ是脑室周围的数层细胞，由NSCs、过渡性增殖细胞及神经母细胞组成。NSCs产生许多快速分化的过渡性祖细胞，后者再经有丝分裂产生迁移的神经母细胞，神经母细胞再沿着吻侧迁移流(rostral migratory stream,RMS)迁移至溴球(olfactory bulb,OB)，并在那里汇集成功能性中间神经元，整合入神经网络发挥作用。本文作者结合该领域最新研究进展，对成体大脑神经发生区域的干细胞、神经发生的过程、基本特点及其影响因素评述如下。

1 成体大脑中的NSCs和祖细胞

NSCs具有自我更新能力和分化潜能，可分化为神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞[4]。星形胶质细胞和少突胶质细胞均属于神经胶质细胞，是维持神经系统固有功能的必要成分。成体NSCs的干细胞性质已通过体外神经球和单层黏附培养证实，但在体内实验中至今尚未得到有力验证，因此常选用神经祖细胞来描述所有具有分化能力的分裂细胞。

根据细胞形态和特殊分子标记，在SGZ中已鉴别出2种神经祖细胞：Ⅰ型海马祖细胞主要呈放射状穿过整个颗粒细胞层并在内分子层形成分支，该种细胞主要表达nestin、GFAP和Sox2[5]，虽然也表达星形胶质细胞标记分子GFAP，但与成熟星形胶质细胞的形态和功能大不相同；Ⅱ型海马祖细胞的迁移过程简短，且不表达GFAP。据报道：Ⅱ型细胞可能是由Ⅰ型细胞产生的。研究[6]表明：Ⅱ型Sox2+细胞能自我更新，且单个Sox2+细胞可产生神经元和星形胶质细胞；这是海马神经祖细胞的干细胞特性首次在体内得到验证，说明Ⅰ型与Ⅱ型细胞具有相反的功能。

SVZ紧靠室管膜，是侧脑室壁的一层较薄的细胞层。研究[7]显示：SVZ中主要存在3种前体细胞，即B型GFAP+祖细胞、C型过渡性增殖祖细胞以及A型迁移的神经母细胞。B型祖细胞对有丝分裂不敏感，长期处于静止状态。形态学分析发现：A型和C型细胞可用BrdU和3H-thymidine以及特异性分子(如Dlx2、DCX和PSA-NCAM 等)标记鉴定[8]。前体细胞是SVZ细胞中最具特色的细胞群，具有以下特点：①自产生起即具有发育为神经元的潜能，是目前体内发现的位置最明确、成分最简单的神经元祖细胞群；②迁移路径固定，高度局限化，迁移目标明确，在迁移过程中始终维持神经元分化潜能但不进一步分化；③迁移方式主要为切线迁移，无需放射状胶质细胞的引导[9-11]。

2 成体大脑中的神经发生与迁移

哺乳类动物大脑中仅有2个区域存在持续的成体神经发生，一个是SVZ-RMS-OB系统[12]，另一个是海马齿状回(DG)，这2个区域对学习、记忆及情绪的调节均起着重要作用。嗅球中的干细胞产生于SVZ，该区中缓慢分化的干细胞分裂产生许多快速分化的过渡细胞，后者经有丝分裂产生神经母细胞[13]。据统计，每天都有成千上万个未成熟的神经元沿着RMS迁移到OB[12-14]。小鼠SVZ神经母细胞经过RMS向前迁移5～8 mm，是发育阶段和成体大脑中最长的迁移路径。细胞从SVZ中经过2～6 d迁移到OB，此时未成熟的神经元呈放射状迁移到颗粒层(GCL)和球旁层，并分化成颗粒细胞和球旁细胞[15]。约有95%的新生神经元分化成颗粒细胞，仅有少数分化成球旁细胞[16]。DG中的干细胞位于SGZ，此区域产生的新生细胞部分迁移到颗粒细胞层，分化为颗粒细胞，产生树突、轴突，形成突触联系，整合到海马功能性神经通路中，参与海马学习、记忆等功能活动。

神经母细胞主要存在2种迁移途径：①切线迁移。与经典的辐射状迁移路径在某些方面相反，通过穿越放射状胶质完成，迁移距离较长，对有丝分裂后的神经元无限制性[10,18]。②辐射状迁移。该迁移以放射状胶质细胞为向导，指导兴奋性神经元由脑室迁移到脑皮质上层。近期研究[18]发现：小鼠出生早期还存在着另一条迁移途径，即氨基丁酸(GABA)能细胞从SVZ迁移到前脑其他区域，包括大脑皮层、纹状体和伏隔核。

SVZ神经母细胞迁移的方向不同，但进入RMS后80%的细胞形成链状结构，沿着RMS到达OB。成体中，神经母细胞与星形胶质细胞紧密相连，以彼此为基板正切向前延伸。所有细胞同时迁移说明其相互之间不存在其他作用力。事实上，链中的神经母细胞常处于静止状态，为邻近细胞提供了黏着基板[19]。到达OB后，神经母细胞离开细胞链，放射状迁移到GCL和球旁层，颗粒细胞顶树突不断延长，进入丛外分子层，受到突触刺激，形成致密的顶端突触，分化成颗粒细胞和球旁细胞。研究还发现：RMS中的细胞有静止或逆向迁移的现象，并非都沿着吻侧迁移。RMS中细胞的迁移速度为70～80 mm·h-1，具有可变性。与胚胎发育阶段的细胞迁移不同，RMS中的神经母细胞无论是切线迁移还是辐射状迁移均不需要放射状胶质细胞的调节。

3 成体大脑中神经发生的特点

3.1 链状迁移 James等[20]研究发现：迁移时细胞与迁移队列紧密结合，形成链状细胞流。离体研究证明：迁移时细胞沿着链不断向前迁移，一直保持着稳定的链状结构，由于纹状体和胼胝体中某些神经元和少突胶质细胞受到抑制，保证了细胞不会从SVZ/RMS通路误入周围其他组织。

SVZ中大多数细胞都以吻侧迁移为主，如SVZ背侧细胞，成像研究发现迁移时神经母细胞与神经元形成连续的细胞队列，在背侧胼胝体下首尾紧密相连，在亚区形成纵向“迁移链”进入RMS。目前还不清楚吻侧迁移是通过何种机制发生，但推测可能是OB分泌的可扩散性趋化因子或是尾侧隔膜中参与结合的化学排斥物作用的结果。然而Szele实验室研究[20]发现：在成像前切除OB，RMS中神经母细胞的迁移和能动性并不发生任何变化。

早期研究发现：SVZ其他区域可能存在着不同的迁移方向。SVZ腹侧部Dcx+队列在早期纹状体中呈背腹侧或腹侧迁移。背腹侧迁移发生在整个纹状体侧SVZ部分，而不是仅限于前部亚区。SVZ腹侧迁移则是通过散入前脑腹侧区域的放射性胶质细胞表现出一定的特性。新生和少数成年鼠的Dcx+细胞则向背腹侧迁移到前脑腹侧部，并在嗅结节、卡耶哈氏岛和伏核中产生神经元[21]。SVZ背侧和腹侧细胞迁移的区别还不清楚，其迁移机制仍有待进一步揭示。

3.2 迁移速度 细胞迁移的基本特征之一是细胞移动的平均速度，细胞在整个RMS中移动的速度必须受到良好调节，才能使SVZ产生新细胞与OB中整合新神经无协同进行。迁移速度发生任何变化都会剧烈影响迁移效果。当从神经细胞黏附分子NCAM 去除PSA时，迁移速度降低，导致RMS中的细胞不断堆积，OB体积减小。Luskin等通过小鼠逆转录病毒追踪以及原始细胞原点与终点距离测量，得到神经母细胞的迁移速度，其平均速度约为20～30 μm·h-1。但这种以匀速直线迁移的测量方法并不准确。测量SVZ体外培养移植物显示：神经母细胞的迁移速度较高，约为122 μm·h-1。这可能是由于缺乏复杂的细胞结构而细胞只能原位迁移，而且没有神经胶质细胞形态的管状通道。这也说明星形胶质细胞具有降低迁移速度的作用。平均速度测量发现：Gad65-GFP+细胞的迁移速度(71 μm·h-1)比Nestin-eGFP+细胞 (52 μm·h-1)快，以此可将Gad65+细胞与 Nestin+细胞区分开。同时也可以将较老的神经母细胞与较年轻的神经母细胞区分开[22]。

3.3 复杂的运动模式 SVZ及RMS内细胞的复杂运动模式可用迁移指数简单衡量。迁移指数是独立于速度并能表现出运动复杂程度的单一指数。根据该指标发现RMS中至少包含3种不同的细胞亚群：迁移型、试探型以及中间型[19]。迁移型细胞呈偏差较小的直线迁移，试探型细胞则以局部试探样迁移为主。

试探样迁移行为可能是体外分子梯度受到破坏而引起的一种附带现象。但James等[20]认为：试探样迁移是在所有组织切片及不同转基因株系中观察得到的，因此排除了异常因素，而且其与胚胎多极神经元迁移很相似。在体内，试探样迁移行为在脑皮质受损后相应增强，表明其可能是受伤时SVZ/RMS迁移到周围组织的预兆[23]。但要想了解迁移型和试探型细胞能否在特定的微环境中通过表达不同的细胞表面信号分子完成自我调节，仍有待进一步研究。

Szele实验室研究[20]发现：表皮生长因子受体(EGFr)信号肽可能是控制神经母细胞运动的另一个机制。EGFr低表达时，神经母细胞更趋向于探索型。神经母细胞EGFr和Dcx/PSA-NCAM/微管蛋白β3表达相反，说明随着神经母细胞的成熟，EGFr逐渐消失。EGF可调节体内SVZ细胞的分裂以及体外神经球的产生。当EGFr的选择性激动剂——转化生长因子α(TGF-α)存在时，可移动细胞数下降约40%，进一步说明神经母细胞迁移是个复杂的过程。

4 影响神经发生的因素

4.1 神经发生的内环境 虽然成体神经系统的很多区域都能分离出NSCs，但仅在SVZ和SGZ才被普遍发现存在神经发生活动。因此有研究者推测SGZ和SVZ微环境中可能存在着维持新生神经元分化及整合的特殊因子。

成体海马前体细胞紧密附着在SGZ颗粒细胞层上，这些颗粒细胞包括成熟和未成熟的神经元。但同时也存在星形胶质细胞、少突胶质细胞及其他神经元。海马星形胶质细胞在SGZ神经发生中发挥着重要作用，不仅可以促进成体海马前体细胞的神经分化，而且对体外分离得到的新生神经元也具有整合作用。此外其还可以阻断Wnt信号通路，抑制体外星形胶质细胞神经元活性和内部SGZ的神经发生，因此星形胶质细胞在整个Wnt信号通路中起着至关重要的作用[24]。

SVZ前体邻近侧脑室室管膜细胞层。室管膜细胞表达Noggin蛋白，该蛋白拮抗骨形态发生蛋白质类(BMPs)信号促进SVZ神经发生，从而促进SVZ成体NSCs的自我更新[25]。靠近SVZ前体细胞处存在着大量的多巴胺能纤维。多巴胺能信号与多巴胺2样受体结合促进了体内SVZ的增殖。

SGZ和SVZ的增殖细胞和神经前体均与血管系统有着密切联系，因此血管释放的因子对神经前体起着直接作用[26-27]。事实上，血管内皮生长因子(VEGF) 能促进SGZ和SVZ细胞增殖，而且VEGF 对改善微环境、增加自主运动以及提高成鼠神经发生也是必不可少的。

SGZ和SVZ神经内环境的结构和功能仍有待确定。局部细胞产生任意的可扩散性分子均会影响神经前体，邻近细胞之间相互作用也会产生其他影响。此外，由于微环境通过神经通路与神经源性内环境相连，因此神经前体受到微环境外部神经元的直接调节。局部及末端细胞内环境神经递质水平也可直接影响神经前体，甚至还可以通过突触与神经前体建立联系。总之，成体神经发生受到复杂的外部调节。

4.2 成体NSCs和祖细胞的调节 干细胞具有自我更新和分化潜能。由于缺少能够直接鉴定体内成体NSCs和神经前体细胞的工具，因此维持成体NSCs和神经前体细胞自我更新的原因尚不清楚。SVZ和SGZ的神经发生会随着年龄增长而不断衰减。神经球培养实验[28]表明：自我更新能力的减退和SVZ前体细胞数量的递减对老龄动物研究有重大意义。目前还不确定SGZ神经前体数量是否会随着年龄增加而降低，但老龄动物的自主运动可使其神经发生恢复正常，这说明干细胞对于外部刺激具有一定反应性[29]。

4.3 神经递质的影响 SGZ前体细胞存在于复杂的神经元网形成的微环境中。齿状颗粒细胞是齿状回中的主要神经元，受OB内的谷氨酸能以及齿状回中间神经元GABA能的刺激。此外，还受神经递质和神经肽类的刺激。齿状通路中的所有细胞可能都受到这些分子的影响。

近年来，研究者对齿状回成体神经发生中N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体进行了广泛研究。有研究[30]发现：尽管齿状回细胞起始时不需要NMDA受体，但总体NMDA受体依赖性与海马增殖水平成反比。海马前体能否表达功能性NMDA受体仍存在争论。在体外培养中，培养的海马前体对谷氨酸盐也有相应的反应。然而，Deisseroth等的免疫组织化学结果显示：在体内增殖细胞中并未检测到NMDA受体的主要亚单位NR1。与谷氨酸盐的这种争议性作用相反，Tozuka等[31]将海马Ⅱ型前体细胞直接去极化，同时增强神经源性分化蛋白(NeuroD)的表达，发现神经递质GABA可以促进Ⅱ型海马前体的分化。总之，神经递质和神经肽类影响着SVZ和SGZ神经前体。

4.4 生长因子和其他外部信号的影响 EGF和FGF2是维持成体NSCs的2种有效因子，均能促进SVZ细胞增殖，但只有FGF2能增加OB中新生神经元的数量[32]。EGF可抑制C型细胞分化成神经母细胞，EGF受体ErbB2的重新表达使幼龄鼠SVZ中GFAP+细胞形成放射性神经胶质细胞，证明SVZ中的确存在EGF。对SGZ神经发生而言，尽管给幼鼠注射FGF2后并不影响SGZ中的增殖活动，但剔除其受体则会使SGZ神经发生明显减弱[8]。因此，由FGF2介导的信号在SGZ增殖中可能起着重要作用。

许多外源性因子对成体神经前体也有调节作用。据报道：Sonic hedgehog通路发出的信号能够调节成体神经发生。脑源性神经营养因子(BDNF)是促进神经发生的主要调节物，敲除小鼠的BDNF受体后，OB变小，SVZ神经发生也明显下降[8]。许多外源性因子的靶细胞都是未知的。这些细胞外调节器除了影响前体细胞外，还可以通过改变内环境中其他细胞类型，从而直接影响成体神经前体的发生。

4.5 细胞内机制 除了生长因子、神经营养因子和形态发生素下游经典细胞内信号通路外，细胞内机制对成体神经发生也具有调节作用，其中几个转录因子对出生后神经发生的调节起着重要作用。例如成体前脑NSCs的维持就需要孤核受体TLX和Bmi-1的存在。Pax6可以促进SVZ神经元前体的分化，而Olig2则有相反的作用，神经发生也受表观调控的影响。另外，细胞周期调节、DNA修复和染色体稳定相关的基因也是神经前体发挥正常功能所不可缺少的因素。因此，许多外源性因子和细胞内信号通路都对NSCs和神经前体有调节作用。目前许多研究均依赖于全身给药或特定基因缺失完成，因此不能排除实验结果是从早期发育中得到的二次效应或是间接机制。未来仍需探索更有针对性的方法以准确地描述其分子机制和神经前体的调节。

5 展 望

自成体神经发生得到认可后，关于其调控和功能的研究已取得很大进展，然而一些关键问题仍有待解决。例如，海马或嗅球功能的意义及成体神经发生的进化优势如何？SVZ和SGZ前体细胞如何持续增殖并分化成嗅球新生神经元和海马？NSCs微环境中细胞和分子的组成及其与NSCs相互作用的机制是什么？海马神经发生的功能及在认知和情感方面的作用如何？这些问题均是今后研究的方向。

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1671-587Ⅹ(2013)05-1076-05

10.7694/jldxyxb20130544

2012-12-13

吉林省科技厅科技发展计划基金资助课题(201105021)

孙艺学(1987-)，女，辽宁省大连市人，基础兽医学硕士，主要从事大脑神经发生的研究。

李子义(Tel:0431-87836187,E-mail: ziyi@jlu.edu.cn)；

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