第一节　神经细胞的发育、再生及其功能

一、神经细胞的发育

神经发生（neurogenesis）的主要过程大致分为：神经上皮诱导、增殖、迁移、神经元分化、突触和神经网络的形成。 神经细胞分为神经元和神经胶质细胞，分别来自成神经元细胞和成胶质细胞。

神经系统发育中一个很独特的现象是神经细胞的迁移，迁移靠的是有收缩性的微丝。 神经细胞先伸出突起，突起附在基质的底物上，通过细胞内可收缩的微丝将细胞拉到底物附近。 迁移受胶质细胞、局部物质和靶细胞的影响。 发生迁移的原因主要有两个：一是由于神经细胞的发生区与最终的定居区不同，就必须从发生区向最终定居区迁移；二是神经元的纤维联系均有其特定的靶细胞，为了到达靶部位，神经细胞需要在发育过程中“翻山越岭”和“长途跋涉”，才能到达目的地。 神经轴突生长锥在到达靶细胞之前，需要沿特定的路线行走，到达靶细胞，与靶细胞形成接触，这个过程又叫“神经纤维寻径”（pathfinding）。 在这个复杂的过程中，如何保证远距离神经元与神经元之间的正确联系不出错？ 这个问题是神经发育中的主要事件，因此，神经细胞的迁移成为神经系统发生中最独特的生命现象。

突触的发育大致分为发生、分化、重排与消退四种形式。 突触的形成是神经网络构建和神经细胞发育的核心问题，突触的形成和发育依赖遗传基因组和后天的影响。 神经元连接的类型受出生后经验的影响，是一个精简和增多的协调过程。 在发育期间，后天自然力的影响不断扩大。

神经元发育环境的调控因子包括白血病介素、神经生长因子、成纤维细胞因子、上皮细胞生长因子、脑源性神经生长因子、神经营养因子、神经生长相关蛋白、神经元黏附分子、类固醇激素等。

二、神经细胞的再生

（一）中枢神经（CNS）再生

1.神经再生研究的历史发展和思考

19 世纪末，人们就发现低等脊椎动物，其外周和中枢神经均可再生。 鱼类、两栖类、爬行类，甚至鸟类的中枢神经纤维在切断后能成功生长并与靶细胞重新建立联系，恢复原有功能。 壁虎的尾部椎管内有脊髓，在断尾后能够再生，就是明证。

对于哺乳动物，长期以来，有一种“哺乳动物中枢神经细胞不能再生”“中枢神经细胞在正常发育过程中一旦成熟就不再分化”的认识。 传统教科书曾这样进行描述：“脑及脊髓内的神经细胞破坏后不能再生，由神经胶质细胞及其纤维修补，形成胶质瘢痕。 外周神经受损时，如果与其相连的神经细胞仍然存活，则可完全再生”（卫生部“十一五”规划教材，供八年制及七年制临床医学等专业用《病理学》，陈杰、李甘地主编，人民卫生出版社，2010 年8 月第2 版，39 页）。 为了更好地理解这一问题，有必要回顾一些里程碑式的研究。

哺乳动物的中枢神经纤维能否再生，早期存在争议。 1928 年，西班牙科学家Cajal 报道，猫的脊髓在横断损伤后有新的轴突分支和生长锥形成，Cajal 认为这是受损轴突的一种自主的再生努力，但这种努力很快告败，不会再有进一步有意义的生长性再生出现，于是做出了哺乳动物中枢神经系统不能再生的断言。 自Cajal 关于神经退变与再生的专著问世后，受当时观念、技术及相关学科发展水平的限制，半个世纪内中枢神经再生研究都没能取得突破性进展。

1958 年，Liu 和Chambers 报道哺乳动物的脊髓具有可塑性，揭开了哺乳动物中枢神经系统再生的新篇章。 其后，科学家在脑的隔核等部位证实了中枢神经侧支再生现象的存在，进一步说明损伤导致神经元死亡所造成的功能丧失，可由尚存的神经元来代替。 这一度使人们对中枢神经系统再生的信心倍增。

2.中枢神经能否再生

低等动物的中枢神经系统具有再生能力，这是不争的事实。 中枢神经细胞能否再生，这是一个饶有兴趣、值得探索的科学问题。

成年哺乳动物中枢神经系统的再生能力很有限。 主轴突干被切断后，不会有轴突的再生和功能的恢复。 然而，中枢神经系统受损后，未受损的轴突能长芽，并以很高的特异性形成新突触。 中枢神经系统中主要通路被切断后，轴突在合适的环境中能再长出几厘米，并与合适的靶细胞形成突触。 成年哺乳动物的中枢神经系统，不再具有这种再生能力。 目前还不清楚是什么分子信号使之不能再生，以及这些信号对神经系统执行功能有何意义。

与周围神经再生不同，虽然众多的实验研究得出各种促进神经再生的因素，但也只取得了非常有限的轴突再生的结果，目前观点认为，中枢神经系统难以自发再生。 因此，阐明中枢神经再生困难的原因是当前研究的焦点。 中枢神经系统不能成功再生的原因归结为两个方面：一方面与神经元的内在属性相关，另一方面与中枢神经系统存在众多轴突再生抑制分子相关。 20 世纪70 年代以来，随着相关学科理论与技术的进步，已经证明成年哺乳动物中枢神经仍有较大的可塑性（plasticity），损伤的中枢神经元在一定的环境条件下可以实现有限的再生。

3.成年脑内的神经再生

成年哺乳动物大脑皮质神经元能否增殖？ 过去的回答一直是否定的，近年来则成为神经科学界备加关注和争论的问题。 神经干细胞是脑发育分化的重要源泉，其特征是能够自我更新并具有多分化潜能。 人们一直在探索成年大脑是否存在神经干细胞？ 在生理和病理状态下具有哪些功能？ 在成年灵长类动物包括人类大脑，哪些区域中存在神经再生现象？ 是否可以从中分离出成年神经干细胞？ 这是神经科学家极为关注的问题。 研究发现，成年大脑的室下带（subventricular zone，SVZ）和海马齿状回（dentate gyrus，DG）是神经干细胞聚集区，正常情况下，CNS 的神经再生伴随成年动物的一生，但随着年龄增长其神经再生能力呈下降趋势。

哺乳动物成年脑组织里存在神经干细胞。 Eriksson 进行了一项研究，取死后患者的脑组织，观察成年人脑是否有神经发生。 对BrdU 进行免疫荧光标记，对神经元标志物神经元核（NeuN）、calbindin 和神经元特异性烯醇化酶（NSE）进行免疫荧光标记，使用三标免疫荧光标记BrdU和细胞特异性标志物星形胶质细胞（GFAP），共聚焦显微镜来确定BrdU 阳性细胞的表型。 结果显示BrdU 标记细胞同时表达了神经元标志物。 证实新神经元是从成年脑海马齿状回分裂的祖细胞产生。 提示人脑的海马终身具有产生神经元的能力。

Gould 报道了成年恒河猴脑中新皮质的神经发生。 在灵长类动物，额前叶、颞下叶、顶后叶皮质对认知功能是重要的。 Gould 给12 只年龄为5～16 岁的猴注射BrdU，在额前叶、颞下叶、顶后叶和纹状皮质，用免疫组织化学的方法检测细胞特异性标志物：①NeuN；②神经元特异性烯醇化酶（NSE）；③微管相关蛋白-2（MAP-2）；④非成熟神经元（TOAD-64）、GFAP。 结果显示上述区域相当数量的BrdU 阳性细胞具有神经元的特征，提示新细胞起源于室下带，通过白质迁移到某些新皮质区，在新皮质区分化为成熟神经元。

（二）周围神经再生

1.周围神经损伤

神经纤维由神经元的轴突和长树突外包神经胶质细胞组成，周围神经系统中胶质细胞是施万细胞，由于施万细胞包在轴突的外面，故又称神经膜细胞（neurolemmal cell），施万细胞及其外面的一层基膜统称为神经膜（neurolemma）。 周围神经系统中功能相关的神经纤维集合在一起，外包致密结缔组织-神经外膜（epineurium）构成神经，神经内的神经纤维又被结缔组织-神经束膜（perineurium）分隔成大小不等的神经纤维束（nerve fiber bundle），纤维束内神经纤维周围包裹着薄层结缔组织-神经内膜（endoneurium），内含毛细血管。 神经纤维根据其外是否有神经胶质细胞形成的髓鞘结构，分为有髓神经纤维（myelinated nerve fiber）和无髓神经纤维（unmyelinated nerve fiber），周围神经纤维的髓鞘是由施万细胞形成的。

周围神经损伤是指周围神经干及其分支受到创伤，导致神经支配区域的运动、感觉及自主神经功能障碍的一种临床病症。 周围神经损伤的原因比较复杂，包括切割伤、火器伤、捻挫伤、撕脱伤、缺血性损伤和医源性损伤等。 周围神经损伤的类型决定着损伤后神经再生的进程与结果，经典的分类方法包括Seddon 分类法和Sunderland 分类法等，Seddon 分类法相对简单。 1951年，Sunderland 根据神经损伤的程度将其分为5 度：

Ⅰ度损伤：神经纤维的连续性保持完整，传导阻滞，可有局部Wallerian 变性。

Ⅱ度损伤：轴突断裂，损伤远端发生Wallerian 变性，近端一个或多个结间体发生变性，神经膜管保持完整，为轴突再生提供了完好的解剖通道。 可自行恢复，轴突以每日1～2mm 速度向远端生长。

Ⅲ度损伤：神经纤维（包括轴突和神经膜管）横断，而神经束膜完整。 由于神经膜管的破坏，导致结构紊乱。 有自行恢复的可能性，但由于神经内膜瘢痕化，恢复常不完全。

Ⅳ度损伤：神经束遭到严重破坏或断裂，但神经干通过神经外膜组织保持连续。 损伤处胶质瘢痕明显，很少能自行恢复，需手术修复。

Ⅴ度损伤：整个神经干完全断裂。 需手术修复才能恢复。

1988 年，Mackinnon 在Sunderland 分类法基础上增加了“Ⅵ度损伤”，即混合型损伤，神经中的神经束损伤情况不一，有些神经束可自行恢复，有些需手术处理。

2.周围神经再生的机制

（1）轴突再生通道和再生微环境的建立：

周围神经损伤后，神经纤维远侧段全长和近侧段纤维局部变性、崩解，随后被募集而来的巨噬细胞和增殖的神经膜细胞吞噬清除，不断增殖的神经膜细胞沿保留的神经内膜管平行地呈带状排列，称为Büngner 带，构成诱导神经纤维再生的通道。 同时，神经膜细胞分泌神经营养因子（NGF 等）、黏附分子（N-CAM 等）、细胞外基质分子（laminin 等）和其他多种营养、趋化因子，为轴突再生营造适宜的微环境。 对断端之间距离较短的神经断裂伤，神经膜细胞会迁移到间隙中形成细胞桥，将两断端连接起来，引导和支持新生轴突枝芽跨越间隙进入远端Büngner 带。

（2）轴突枝芽的形成与延伸：

周围神经纤维损伤后，如果受损神经元经历轴突反应仍能够存活，则可从伤后1 周左右开始进入恢复过程，在偏位的核周围重新出现Nissl 物质，2～3 周充满整个胞体，到伤后1 个月左右，胞体和核的肿胀达到最高峰，此时胞体内充满RNA、蛋白质和脂质等。 胞体合成新的细胞器和蛋白等物质，源源不断地向轴突远端运输，为轴突再生提供相应的物质基础。 轴突断端随着胞体物质的到来不断膨大，表面逐渐长出许多新生轴突枝芽（或称丝足），轴突枝芽反复分支，向四周生长，但最后只有进入远端Büngner 带的轴突枝芽得以保留，其他枝芽则被“修剪”去除。 新生的轴突在Büngner 带内延伸速度与损伤类型密切相关，挤压伤后再生轴突生长速度为1～3mm/d，而轴突切断后的再生速度则慢得多，通常小于1mm/d，起初轴突紧贴神经内膜管神经膜细胞表面生长，以后逐渐移到管的中央。

溃变和再生时间上是彼此重叠的，当损伤远侧段的变性轴突及髓鞘碎屑尚未完全清除时，近侧段的新生轴突枝芽已经开始发出。 新生轴突枝芽起初比较细，在延伸过程中逐渐增粗，生长速度则逐渐变慢。

周围神经损伤后，只要将损伤部位的神经近、远两端对齐，将外膜缝合，即可出现上述再生过程。 但是如果断口间隙大于1cm 或对接不正确，再生纤维会进入邻近的胶原性结缔组织，最后形成致密的缠结，导致再生失败。

从现象上看，周围神经再生的重要变化特点是神经膜细胞增殖形成Büngner 带，似乎是此带诱导和支持着再生枝芽的发生和生长并将之引向靶结构。

（3）靶细胞的神经再支配：

再生轴突不断向靶细胞（即损伤前神经末梢支配的细胞）延伸，最终到达目的地与靶细胞形成突触联系，如运动神经纤维末梢与骨骼肌细胞形成运动终板，从而实现靶细胞的神经再支配（reinnervation）。 对于混合神经，再生情况比单纯的感觉神经或运动神经复杂，如果手术中缝合错位，会影响轴突再生效果。

1898 年，Forssman 发现神经损伤后再生的轴突可以被远侧的神经断端吸引，并选择性长入其中。 1928 年，Cajal 将这一现象解释为神经趋化性（neurotropism），推测是远侧神经断端分泌可弥散物质吸引再生轴突的结果。 随着神经营养因子的发现以及神经趋化性的研究不断深入，Forssman 和Cajal 的观点得到了较为一致的认同。 神经损伤后，远端神经和靶器官能对再生轴突产生营养及趋化作用，远端神经的直径、类型（运动神经/感觉神经）以及再生轴突与远端神经断端的距离等因素可能共同决定了神经再生的趋化性：①远端神经的直径大小影响其分泌营养因子/趋化因子的数量；②神经断端间距离过大，弥散的营养因子/趋化因子达不到有效浓度，距离过小，再生轴突无须通过趋化性选择即可长入远侧神经内膜管；③运动神经的移植修复效果一般优于感觉神经，可能是运动神经多为有髓神经纤维，且通常较感觉神经具有更大的神经内膜管，而感觉神经有髓纤维较细，还包含较多的无髓神经纤维的缘故；④局部给予神经营养因子可促进轴突再生与功能恢复，而且轴突生长方向可受神经营养因子浓度变化的调节，也提示了营养因子可能在神经趋化性中起重要作用；⑤不同表型神经膜细胞分泌的营养因子存在差别，可能对神经趋化性也有一定影响。 根据神经趋化性的研究成果，目前临床研究采用小间隙桥接法（即桥接套管中神经断端之间留2 ～3mm 间隙）修复断裂神经，已取得良好修复效果。

神经纤维损伤时不但受损纤维出现损伤和再生反应，其邻近正常神经纤维的轴突也会长出侧支进入受损纤维的神经内膜管内，这种现象称为侧支神经再生（collateral nerve regeneration），也称侧支发芽（collateral sprouting）或终末前轴突发芽（pre-terminal axonal sprouting）。 支配骨骼肌的神经受损后，其邻近纤维发出的侧支可生长到失去神经支配的肌纤维中，恢复其功能。

损伤后神经纤维对肌细胞的再支配需要神经膜细胞引导再生轴突到运动终板。 与正常运动单位不同，神经再支配的运动单位通常较大，而且运动单位的肌纤维常聚集在一起。 再生神经纤维对皮肤的再支配功能一般是不完全的，长期伴随着感觉异常。

（4）再生轴突的髓鞘化和成熟：

成功再生的轴突与靶细胞建立联系并逐渐形成髓鞘，起初轴突比较细，髓鞘也较薄，但随着时间的推移，轴突逐渐增粗，髓鞘逐渐增厚，从而使有髓神经纤维不断趋于成熟，功能逐渐恢复。

一般来说，再生神经具有如下特点：①轴突较细，髓鞘较薄，因而有髓纤维直径较小；②早期再生轴突数量往往较多，到达正常的数倍，随着时间的推移，未与靶细胞建立正确联系的轴突逐渐变性消失，轴突数量逐渐减少；③神经传导速度较慢，可能与有髓神经纤维较细、髓鞘较薄、结间体较短等因素有关。

3.影响周围神经再生的因素

影响周围神经再生的因素，包括神经元自身因素、再生微环境、损伤类型（切割、挤压、牵拉）、损伤部位、年龄、手术时间、手术方法等。

（1）神经元自身因素：

胞体是神经元的营养中心，成功的神经再生首先需要神经元存活且代谢恢复正常。 多数情况下，周围神经损伤后神经元可以存活。 如果神经元在损伤反应中没有死亡，那么其胞体结构可能在损伤后1 周开始恢复，胞体结构完全恢复历时较长，一般需要3 ～6个月，此时间取决于轴突重建的情况，因为再支配成功的轴突会将神经营养因子从靶细胞逆向运输到胞体，对胞体起到营养和保护作用。

（2）再生微环境：

轴突的再生情况与其所处的微环境密切相关，适宜的再生微环境是神经成功再生的重要条件。 神经纤维损伤后，崩解的髓鞘和神经纤维碎片需要及时清除，再生轴突的趋化性生长需要神经营养因子等的诱导，轴突的延伸需要神经内膜管和Büngner 带的存在，再生神经纤维传导功能的恢复需要髓鞘的重新形成，神经膜细胞在其中发挥了关键的作用。

1）周围神经损伤后神经膜细胞迅速增殖，同时分泌巨噬细胞游走抑制因子（macrophage migration inhibition factor，MIF），促使巨噬细胞在损伤处大量聚集并激活，共同吞噬清除髓鞘和神经纤维崩解物，为再生提供空间。

2）神经膜细胞分泌细胞外基质和细胞黏附分子，神经膜细胞表面和细胞外基质内的层粘连蛋白、神经细胞黏附分子（nerve cell adhesion molecule，N-CAM）、L1 分子和生腱蛋白（tenascin）等在神经损伤后都升高。

L1 和N-CAM 表达于轴突和神经膜细胞膜表面，与轴突成束化有关，L1 在髓鞘形成起始阶段有重要作用；tenascin 参与阻止再生的轴突离开神经；laminin 是三聚体蛋白，由α 、β 和γ 三条多肽链构成，位于神经膜细胞基底膜，具有显著促进轴突再生的作用；神经膜细胞基底膜成分（如RGD 三肽序列）也可以直接在局部影响生长锥功能状态。 这些细胞黏附分子和基质蛋白可能均在周围神经损伤后的再生中发挥了重要作用。

3）神经膜细胞分泌神经营养因子如神经生长因子、脑源性神经营养因子、睫状神经营养因子、成纤维细胞生长因子等，这些神经营养因子可起到维持神经元胞体存活、促进神经轴突再生和诱导再生轴突趋化性生长等作用。

4）神经膜细胞还在远侧段神经内膜管内形成Büngner 带，引导再生轴突的延伸，并逐渐在再生轴突周围形成髓鞘，促进神经纤维的功能恢复。

（3）其他影响因素

1）神经再生的效果受神经损伤的类型和严重程度的影响：神经内膜管保持完整的轴索断裂损伤，一般能够完全再生，而神经束乃至神经干的断裂损伤，通常会导致不同程度的瘢痕形成，神经内膜管也难以保证按原有结构一一对应，因此再生往往不完全。

2）损伤部位与靶器官的距离以及靶器官自身的特点会影响神经纤维再生的效果。

骨骼肌在失神经支配后会发生萎缩，成纤维细胞增生，但短期内肌纤维一般不会被结缔组织替代，肌纤维内部构造基本保留，如果失神经支配时间过长（6 ～12 个月），部分肌纤维可发生死亡，被结缔组织替代。 失神经支配时间越长，靶器官变性程度就越重，神经再生效果就越差。损伤部位距离靶器官越近，恢复神经支配的时间越短，再生效果就越好。 运动神经纤维尤其是支配较大肌肉的神经纤维再生效果较好，感觉神经纤维和支配较小肌肉（如手内肌）的神经纤维再生效果较差。

3）患者年龄越小，神经再生能力越强，神经功能恢复越好。

4）治疗时机、手段等因素也影响神经再生的效果。

神经损伤后手术修复时间、手术方法与操作技术、神经营养因子的应用等都对再生结果有影响。 张力下吻合会在断端处增加大量瘢痕，瘢痕组织能在轴索到达远端之前形成不规则的结缔组织带，干扰和阻挡再生轴突通过。

4.周围神经再生的研究进展

周围神经再生（peripheral nerve regeneration），其本质上不是神经细胞的再生，而是受损神经突起的再生与神经纤维结构完整性和功能的重建。 周围神经再生是一个复杂的病理生理过程，涉及从分子、细胞到生物机体等不同水平的多种变化，并受多种因素影响。 近年来的研究显示，周围神经再生的研究取得明显的进展——物理因子中的电、磁、激光、超声波等都可以促进神经再生；组织工程的移植和桥接技术、外源和内源干细胞技术、肾上腺皮质激素等因素也可以促进神经再生。

三、神经生理学

结构决定功能。 神经元具有下列特性：①神经元以高度特异的方式彼此连接；②在突触处，信息自一个细胞传递至另一个细胞；③在相对简单的回路，如视网膜，有可能追踪其连接，并了解其信号的意义；④眼和脑中的神经元是感知的构建单元；⑤神经元的信号是高度定型的，在所有动物均相似；⑥动作电位无衰减地作长距离传导；⑦局部分级电位依赖于神经细胞的被动电特性，仅在短距离内扩布；⑧由于神经元特殊的结构，需要特化的细胞机制，用以将蛋白质和细胞器沿轴突在胞体和终末间转运；⑨在发育过程中，神经元迁移至其最终的目的地，并与其靶细胞相连接；⑩局部化学因子为生长中的轴突提供引导。

神经胶质细胞的数量为神经元的10～50 倍，是另一大类神经细胞。 神经胶质细胞对整个神经系统的发育、构筑、信息传递功能的发挥以及内环境的稳定和可塑性有主要作用。 其主要作用是：①支持和保护作用；②分离和绝缘作用；③参与脑屏障的形成；④胶质细胞营造的微环境构成神经元电活动的本底；⑤引导发育中神经元的生长、迁移和排布。 胶质细胞是目前脑损伤修复的一个研究热点。

知识点总结

神经发育、再生和功能