摘要：

前脑是大脑功能的高级活动中心,其发育的关键事件发生在早期阶段,包括在神经上皮期(the neuroepithelial stage, NE)的神经祖细胞和神经前体细胞的产生;前基板发育期(the preplate stage, PP)先驱神经元在新皮质产生以及其先驱纤维在不同区域的形成;皮质板发育期(the cortical plate stage, CP)长距离投射神经元轴突离开胞体所在的区域,经过长距离生长,逐步发现各自的目标靶区,建立起特异性的靶区联系.我们目前对哺乳动物前脑发育细胞分子机制的理解主要基于对啮齿类动物模型研究,也包括部分肉食动物和猕猴等其他模型动物的研究.应用小鼠基因动物模型,我们最近的研究发现前脑的Isl1阳性细胞在前脑的神经环路形成过程发挥着不可或缺的作用,其主要通过在PP期影响先驱神经纤维桥梁的形成和作为介导细胞,从而调控CP期投射神经元轴突的靶向生长,而Isl1阳性细胞功能高度依赖于Celsr3和Fzd3基因的表达.本课题我们提出的科学问题是:我们在小鼠前脑发育过程发现的规律是否也在人胚前脑的发育过程同样存在,例如发育早期新皮层中祖神经元的分布模式,PP期前脑的先驱神经纤维桥梁,投射神经元轴突与Isl1阳性介导细胞之间的相互作用等.为此,我们通过收集流产的孕5周龄至8周龄(Wpc5-Wpc8)的脑组织,其主要包括从Wpc5神经上皮祖细胞开始形成前脑原基阶段,到Wpc8的早期CP出现在大脑皮层等发育时期.通过免疫组织化学染色,我们证实了在NE阶段早期新皮层原基已经出现了前体神经元和切向神经纤维,并发现在NE期起源于嗅觉基板的一些神经元向端脑原基的表层切线迁移,嗅觉基板可能是皮质早期神经元的一个重要来源.在Wpc6和Wpc7人胚前脑的组织切片中,大脑皮层保持了胚胎期(E)12.5小鼠中所描述PP阶段的典型特征,包括HE染色中新皮质未出现皮质板层,免疫组化染色显示Reelin阳性先驱皮质神经元(Cajal-Retizius细胞)及其纤维构成,位于边缘区域之下的原始丛状纤维层(PPL),这些都通过DiI示踪研究进一步得以证实.应用细胞特异性标记物,例如PAX6标记背侧端脑的神经前体细胞,MASH1标记腹侧端脑的神经前体细胞,TBR2标记过渡阶段的神经前体细胞和TBR1标记皮质有丝分裂后的神经元等,我们发现在PP阶段,人和小鼠胚胎前脑中不同细胞具有类似的分布模式.在人胚前脑的PP发育期,我们发现在腹侧端脑和腹侧丘脑也存在类似于小鼠两个Isl1阳性细胞群;结合DiI示踪和免疫组织化学染色,我们发现在长投射神经元轴突到达间脑-端脑交界处(DTJ)之前,来自于腹侧端脑和腹侧丘脑的神经元发出先驱神经纤维跨越DTJ,这一现象类似小鼠前脑发育早期的Isl1阳性细胞形成的,跨越DTJ的轴突桥梁,并引导丘脑皮质投射神经元的靶向投射.同时,我们还发现,在丘脑投射神经元轴突到达腹侧丘脑之前,有大量来自于腹侧丘脑的神经元轴突投射到背侧丘脑,这些纤维可能也引导背侧丘脑神经元的轴突投射.在CP的早期(即Wpc8人胚前脑),DiI示踪研究来自皮质亚板层(the subplate)投射神经元的轴突跨越皮层-皮层下边界(PSPB),进入到腹侧端脑,而且这些轴突沿着腹侧端脑的Isl1阳性细胞群生长,提示人胚发育过程腹侧端脑的Isl1阳性细胞可能也导向皮质投射神经元的靶向生长.如前所述,小鼠胚胎前脑的Isl1阳性介导细胞及其形成的先驱轴突的作用高度依赖于Celsr3和Fzd3在这些细胞的表达,但是人胚前脑很难通过基因敲除技术予以证实,因此我们应用原位杂交分析CESLR3和FZD3的mRNA在Wpc6和Wpc8的人前脑表达模式,并发现CELSR3和FZD3以重叠和互补的方式高表达于人胚前脑的不同区域,与其在小鼠前脑的表达十分相似,间接提示这两个基因在人胚前脑发育过程可能发挥着与小鼠前脑发育过程类似的作用.结论:在NE期人胚前脑皮层早期的神经元来源于皮质局部神经细胞的增殖和嗅觉基板的神经细胞迁移;在Wpc6-7人胚前脑呈现动物模型研究发现的皮层发育PP期典型的特征和前体细胞的分布模式;在PP期,人胚前脑的腹侧端脑和腹侧丘脑也存在两群Isl1阳性细胞和跨越DTJ的先驱神经纤维;在CP早期,皮质投射神经元与腹侧端脑的Isl1阳性神经元相互接触.本研究提示Celsr3-和Fzd3-依赖性的Isl1阳性介导细胞调控小鼠前脑的发育机制在人胚前脑的发育调控中依然存在.

展开