在哺乳动物中，神经干细胞在发育早期出现，并且在生物体的整个寿命期内的中枢神经系统内保持活性。在发育过程中，它们呈现不同的细胞形态并且驻留在不断变化的微环境中，同时保留干细胞的基本性质：多潜能和自我更新能力。本章将介绍神经干细胞的基本形态特征，以及其微环境的基本结构成分和信号分子。在早期的神经发育过程中，当神经系统的发育模式建立时，神经干细胞被称为神经上皮细胞；它们位于其他神经上皮细胞中间，并且暴露于各种信号中，例如视黄酸，刺猬蛋白和成纤维细胞生长因子。当神经发生开始时，由于各种类型的神经元祖细胞、分化细胞和细胞外信号分子的出现，干细胞被转化为径向胶质细胞，并且其微环境的复杂性增加。最后，在成年期间，神经干细胞呈现星形胶质细胞形态，并且存在于被称为神经源性小室（neurogenic niches）的特定的微环境中。就在这些神经源性小岛上，其神经元和神经胶质细胞在与胚胎发育过程中相似机制的控制下不断产生。
1、胚胎神经干细胞微环境
中枢神经系统（CNS）的发育是一个复杂的过程，依赖于在时间和空间上精确调节的一系列机制。在啮齿动物中，存在于成年大脑中的大多数细胞在胚胎发生期间在大约一周的时间内产生并迁移到它们各自的目的地。胚胎CNS是一种动态结构，它的尺寸不断增加，而负责构建大脑的干细胞/前体细胞群体驻留在两个明显且相对较小的增殖区域中。第一个是心室区（VZ），其中具有神经干细胞（NSC）性质的上皮细胞大约在胚胎期第8天出现，所有正在发育和成熟CNS细胞，包括成年NSCs，都来自于它（Alvarez-Buylla等，2001）。经过一段时间的NSC /前体细胞扩增，随着神经发生的开始，第二个祖细胞群体开始从VZ中不对称分裂的细胞中产生并且向底部迁移。它们称为中间祖细胞或基础祖细胞（intermediate progenitors or basal progenitors）。这些细胞对称分裂以产生神经元和神经胶质细胞。它们遍及CNS和端脑。端脑中含有这些细胞的区域称为室下区（SVZ; Martinez-Cerdeno等，2006; Smart，1972,1973）。
1.1 VZ的微环境
从细胞形态学上看，早期NSC微环境似乎是均一的（Pinto和Gotz，2007）。它由特征性双极细胞组成（NEP），一端为顶端，连接VZ区，一端连接到软脑膜，为基底区。NEP细胞内的细胞核发生周期性基底-顶部易位，其有丝分裂总是发生在心室区，而S期发生在最基底区域（Gotz和Huttner，2005; Pinto和Gotz，2007）。神经上皮的厚度随时间增加，以适应NEP细胞的数量增加。偶尔产生的神经元，迅速迁移到神经组织的软脑膜（pial surface）。在大多数情况下，在啮齿动物中，NEP细胞开始表达神经胶质细胞标志物，并呈现更细长的形态。为了反映这种转变，新出现的神经干细胞/祖细胞类型现在被称为径向胶质细胞（RG），并保留了NEP细胞的双相形态和细胞核动力学迁移特征。随着神经组织的增厚，大量神经元产生，RG的基底端延长以保持与软脑膜的附着（Rakic，2003）。因此，RG似乎是唯一能够感测和整合来自至少四种不同微环境信息的胚胎CNS细胞：1）VZ区，主要由RG细胞胞体和顶端突起组成，以及新生成的迁移走的神经元； 2）SVZ区，由基础祖细胞和新生成的神经元/神经胶质组成； 3）幔层（Mantle），由有丝分裂后的细胞组成；4）软脑膜的基底层，它是一层RG基底轴突连接的富含细胞外基质的膜。尽管目前尚不清楚这些微环境中细胞外信号通路是否存在，但最近的一项研究显示负责启动神经胶质发生的神经元分泌细胞因子（心肌营养因子1; Barnabe-Heider等人，2005）的存在。
由于不同神经细胞类型的产生和血管密集网络的出现，幔层微环境的复杂性随着发展的进展而增加（Herken等，1989）。还观察到VZ复杂度的一起增加（Pinto和Gotz，2007），尽管这不是结构上显而易见的，因为VZ主要是双相神经元的，“相同”的RG只有几个插入的小的祖细胞（Gal等人，2006; Hartfuss等，2003）。然而，不同标志物的免疫染色和细胞命运研究的结果，表明具有不同功能和谱系的RG亚型的存在（Hartfuss et al，2003; Hartfuss et al，2001; Malatesta et al，2000; Plachta et al，2004; Williams和Price，1995），并且已经确定，RG根据它们不同的位置特征（背侧腹，尾状尾，Guillemot，2005），携带有不同的内在信息。最后，应该指出，存在于VZ / SVZ内部或外部有分泌生长因子或形态发生因子的特定区域的存在。（Assimacopoulos等，2003; Shimogori et al，2004）
1.2. 胚胎 NSC微环境的信号转导
1.2.1 内部调控
NSC /前体细胞的行为由外在和内在机制控制。克隆生长的胚胎第10天的皮质祖细胞产生第一个神经元，然后产生神经胶质，类似于体內神经元发生在胶质发生之前（Qian等人，1998; Qian等，2000）。后续研究显示，该内在定时器延伸到“正确”哦顺序生成不同皮质神经元亚型（Shen等，2006）。此外，移植实验已经显示，祖细胞在异位移植时保持其内在的潜力（Darsalia等，2007; Olsson等，1998）。已经显示许多转录因子在NSC /祖细胞增殖和/或分化中起作用。这些包括编码基本螺旋-环-螺旋（bHLH）转录因子（Bertrand等人，2002），SRY相关HMG盒（SOX）家族转录因子（Episkopou，2005），核受体雌激素受体（ Brannvall等，2002），过氧化物酶体增殖物激活受体γ（Wada等，2006）和核受体共抑制子N-CoR（Hermanson等，2002）。许多上述因素的功能损失或功能已被证明足以改变祖细胞的表型、细胞周期和命运，而它们与细胞的环境无关（Bertrand等，2002; Campbell，2003; Guillemot，2005）。涉及细胞内在性状控制的另一种机制是表观遗传修饰。表观遗传调控涉及组蛋白和DNA修饰，它们能改变染色质的凝聚状态，从而改变了基因的活性。组蛋白修饰包括甲基化，乙酰化和磷酸化。神经元基因启动子的组蛋白乙酰化被组蛋白乙酰转移酶（HATs）和脱乙酰酶（HDAC）调节，并且组蛋白乙酰化对于未分化神经祖细胞中这些基因的抑制是必需的（Ballas和Mandel，2005）。此外，与分化的神经元相比，增殖型NSCs具有不同的组蛋白甲基化模式（Biron等，2004）。最后，MiRNA也可以作为神经元祖细胞行为的内在调节因子（Cao等，2006），这是一个在不久的将来可以快速进展的领域。
1.2.2 弥散信号
微环境（外在因素）可通过弥散信号和/或介导细胞与细胞、细胞与ECM相互作用的分子，来调节神经元前体细胞的行为。这些弥散信号在组织内可形成梯度，并且可以在远离信号源的区域传递信号。因此，在发育的CNS内的每个位置，神经干细胞/祖细胞会遇到信号的独特组合，以指示细胞区域特异性的行为。
在调节细胞增殖和分化中具有关键作用的主要分子群是生长因子。几种骨形态发生蛋白（BMP），作为转化生长因子-β（TGF-β）家族的成员，沿着发育中脑的背部中线表达，是中线发育所必需的（Bertrand和Dahmane，2006; Campbell，2003）。 BMP2和4的过度表达导致细胞增殖减少和早熟神经元的分化（Li等，1998）。添加抑制剂可逆转这种作用（Li和LoTurco，2000）。截短的BMP I型受体的体内过表达提供了BMPs促进增殖细胞分化的作用的另外的证据（Li等，1998）。
此外，几种成纤维细胞生长因子（FGFs），特别是FGF8和FGF3在前脑神经脊、中脑后脑屏障等表达（Mason，2007）。 FGF表达谱在发育过程中的复杂性增加，并且小鼠，小鸡和斑马鱼都有所不同。 FGF活性不仅对于神经系统的区域分化，而且对于其他功能也是至关重要的，例如前脑细胞（Storm等人，2003）和中脑后脑区域细胞（Chi et al，2003）需要FGF8才能存活。此外，FGF-2（或bFGF）是体外广泛使用的促分裂原，能将胚胎端脑和神经管的前体细胞保持在祖细胞状态（Kalyani等，1997; Kilpatrick等，1993; Murphy等人，1990; Vescovi等人，1993）。bFGF缺陷小鼠由于NSC /前体细胞数量减少而使脑容积变小（Vaccarino等人，1999）。 FGF家族在胚胎干/前体细胞行为中扮演的角色也受到所有FGF受体（FGFR）在体内表达的支持（Bansal et al，2003）。 FGFR4被证明在大鼠神经管神经上皮细胞中高度表达（Kalyani等，1999），而大鼠背侧端脑神经上皮细胞被发现主要表达FGFR1和3，这些受体是对称细胞分裂自我更新的关键（Maric et al，2007）。
除了生长因子外，另一组涉及神经前体细胞行为调节的弥散分子是形态发生素和刺猬蛋白（Shh）。Shh信号传导通过其受体patched1（PTC1）介导（Dessaud等人，2007），其在不存在Shh时，持续抑制Smo。在与Shh结合后，PTC1解除其对Smo的抑制，从而激活下游信号通路，导致出现转录激活因子Gli1-3和Gli阻遏物的调节。Gli 2和3都在小鼠的VZ中强烈表达，而Shh和Gli 1弱表达（Dahmane等，2001; Hui等，1994）。 Shh参与整个发育中枢神经系统的腹侧分型（Bertrand和Dahmane，2006; Campbell，2003），以及调节祖细胞增殖，因为Shh缺陷小鼠的特征是脑尺寸减小和独眼畸形（cyclopia ）（Chiang等，1996; Muenke和Cohen，2000）。基于对Gli 2缺陷的小鼠的观察，这种表型可能是由于VZ和SVZ中的细胞异常增殖（Palma和Ruiz i Altaba，2004）。已知在CNS发育过程中重要的第二种形态发生素是视黄酸（RA）。它是由视黄醛脱氢酶（RALDH1-3）在细胞内产生的弥散分子。 RA通过CRABP1-2被留在细胞质中，并且在结合RA受体（RAR1-3）和视黄酸X受体（RXR1-3; Maden，2002）之后在核中起作用。RA在非常早期的神经元微环境中是重要的，其参与前后轴的调节（Maden，2002）。在后期阶段，RA信号对于脊髓的背腹分型（Pierani等人，1999）和后脑分型是重要的（Marshall等人，1992）。最近的研究表明，RA在腹侧前脑中存在较高的水平（Takahashi和Liu，2006），调节皮层和纹状体之间的中间区域的分化。
最后，Wnt信号通路也被证明可以调节发育中大脑的细胞行为。在小鼠胚胎的VZ区域高水平表达Wnt受体Frizzled 5,8,9和分泌型frizzled蛋白1（Kim等人，2001; Van Raay等，2001），而功能研究已经揭示Wnt信号在背部前脑分化中的关键作用（Gunhaga等，2003; Hirabayashi等，2004; Machon等，2007）以及对VZ中NSC /前体细胞周期的调节。当β-连环蛋白信号传导增强时，在VZ中观察到退出细胞周期的细胞数量减少和脑区扩大（Chenn和Walsh，2002）。此外，皮质祖细胞中β-连环蛋白的缺失导致增殖更弱和迁移缺陷（Backman等人，2005; Machon等，2003），并且靶向抑制β-连环蛋白导致VZ细胞过早地离开细胞周期，并分化成神经元（Woodhead et al，2006）。最近的一篇文章表明，β-连环蛋白信号传导是维持VZ前体细胞群体所必需的。当VZ前体细胞转变为中间祖细胞（SVZ）时，β-连环蛋白信号下调；持续的β-连环蛋白活性导致VZ祖细胞库扩增，并抑制中间祖细胞的产生（Wrobel等，2007）。
1.2.3. 细胞之间的相互作用
VZ和SVZ均以高密度的细胞体和轴突为特征，因此细胞与细胞的相互作用可能是调节祖细胞行为的另一途径。已报道在VZ中存在 Ephrins B1和A5以及Eph A4和A7受体的表达（Depaepe et al。，2005; Greferath等，2002; Mackarehtschian等，1999; Stuckmann等，2001）。特别地，Ephrin B1被认为能促进细胞迁移出VZ，因为它的表达形成一个顶端到基底的浓度梯度（Stuckmann等，2001）。 Ephrin A5 / Eph A7可以通过促进NSC /前体细胞的凋亡来控制VZ祖细胞池的大小（Depaepe et al。，2005）。Notch途径也已知在中枢神经系统发育中发挥关键作用，如一系列小鼠突变研究所证明的（Hitoshi et al，2002; Yoon and Gaiano，2005）。 已有研究显示Notch-1（Gaiano等，2000），Notch-3（Dang等，2006）和Delta-1（Beckers等人 ，2000）。在小鼠VZ区表达（Kostyszyn等，2004），人类VZ区存在Notch-1和Delta-1的强表达和Notch-3的弱表达。此外，脑室内注射Notch配体能增加新产生的前体细胞的数量（Androutsellis-Theotokis等，2006）。Notch信号在细胞命运决定中也起关键作用，因为Notch-1或Notch-3的激活导致RG细胞数量增加（Dang et al，2006; Gaiano et al，2000）。与这些数据相一致，已报道在delta-like-1 缺陷小鼠中VZ区的面积减少和分化过早（Yun等，2002）。最后，最近的一项研究表明，对于 Notch的反应（通过CBF-1），VZ / SVZ区的的干/前体细胞和NSC（而不是中间祖细胞）（Mizutani等，2007）之间是不同的。
VZ中细胞与细胞相互作用的另一种形式可能是由钙粘蛋白依赖性粘附连接（AJs）介导的，但钙粘蛋白信号传导在SVZ中的证据很少（Lathia et al。，2007b）。与室区相邻的细胞层的特征是存在强的钙粘蛋白表达（Aaku-Saraste等，1996），并且近来的工作已经提出NSC /前体细胞后代的行为依赖于AJ（Kosodo等，2004）。几乎没有功能学上的证据直接将钙粘蛋白信号与小鼠和鸡的NSC /前体细胞行为相关联，因为干扰钙粘蛋白信号会导致神经管的广泛破坏（Kadowaki等，2007; Radice等，1997）。然而，有实验证据表明N-钙粘蛋白的抑制导致神经干/前体细胞的过度增殖（Lele et al，2002; Noles和Chenn，2007）。缝隙连接是另外一种细胞间的通讯系统，这在调节干/前体细胞行为中可能是重要的。连接蛋白（Cx）26和43在VZ（Bittman和LoTurco，1999）中表达，Cx43与bFGF在体外维持干细胞/前体细胞处于未分化状态的能力有关（Cheng等，2004）。有趣的是，即使在bFGF的存在下，Cx43的抑制也导致过早分化和细胞死亡（Cheng等，2004）。间隙连接也涉及前体细胞迁移，因为缺乏Cx43的小鼠由于不能迁移到皮质板中而在中间区域中表现出前体细胞的累积（Fushiki等，2003）。最近的一项后续研究进一步诠释了这种影响，显示Cx26和43在迁移的前体细胞对神经胶质纤维的粘附维持方面发挥作用（Elias等，2007）。
1.2.4 细胞和ECM的相互作用
ECM是VZ / SVZ微环境的另一个组成部分，可能对NSC /前体细胞行为的调节至关重要。神经前体细胞的胞体和短的突起位于没有传统基底膜的区域，但仍然富含基质分子，如各种层粘连蛋白（Campos等人，2004; Hunter等人，1992; Lathia等等，2007a）、层粘连蛋白受体——β1整合素（Campos等人，2004; Graus-Porta等人，2001; Hall等人，2006; Nagato等人，2005），糖蛋白肌腱蛋白-C（ Garcion等，2004）和硫酸软骨素蛋白聚糖（CSPGs; von Holst 等，2006）。此外，VZ的许多双极（神经上皮或径向胶质细胞）细胞延伸了与基底轴突，使得能与软膜区富含ECM的基底膜接触。基底轴突微环境中的改变在人类与迁移缺陷引起的皮层畸形相关（Bonneau等人，2002; Toda等人，1994; Yoshida等人，2001）。小脑ECM组分缺失的小鼠，如层粘连蛋白γ1，整合素α6或β1（α6β1异源二聚体是CNS中的主要层粘连蛋白受体），以及reelin，共有几个常见的缺陷，如皮层边缘区异位生长和径向回缩（Beggs等人，2003; Georges-Labouesse等人，1998; Hartmann等，1998; Niewmierzycka等，2005），但对祖细胞增殖或细胞命运决定没有任何干扰（Haubst et al，2006）。使用神经球试验的功能研究虽然调查了β1整合素在NSC /前体细胞中的作用， 但无法揭示NSC中正常细胞与细胞，细胞与ECM的相互作用，并没有提供β1整合素在这些细胞中的角色。使用抗体阻断β1整合素导致NSC维持受损（Campos等人，2004），但是随后从缺乏β1整合素的细胞生长出来的神经球实验没有显示类似的缺陷（Leone等，2005）。在相似的体外测定中，使用软骨素酶ABC对硫酸软骨素蛋白聚糖进行降解，导致增殖和神经元分化收到干扰，揭示了这些ECM分子在调节NSC /前体细胞行为中的作用（Sirko等，2007）
1.2.5 血管和脑脊液
VZ / SVZ微环境受到脑脊液和CNS发育早期阶段形成的血管的影响。小鼠血管形成早于E9（Herken等，1989; Vasudevan等，2008），证据表明，神经发生和血管生成由常见信号调节，包括血管内皮生长因子（VEGF），Notch和Shh （Carmeliet，2003）。体外研究显示，E10神经干/前体细胞与内皮细胞共培养导致更大克隆的形成和更少的神经元产生，这源于对称的增殖分裂（Shen et al。，2004），但相关的影响因素仍然未知。CSF在发育阶段的成分和作用仍然缺乏研究。在最近的一项研究中，CSF在鸡胚体内的流动被扰动，导致异常的皮质发育（Mashayekhi和Salehi，2006），而其他实验工作表明CSF来源的因子可以调节体外的神经干/前体细胞行为（Gato et al，2005; Miyan等，2006）。最近的研究工作也显示，分裂的神经干细胞，脱落出富含 prominin-1的囊泡到脑脊液中，尽管其作用仍有待确定，但这些可能提供额外的线索（Marzesco等，2005）。