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哺乳动物出现了高度发达的大脑皮层（cerebral cortex），新发展起来的大脑皮层在调节机能上起着重要作用，虽然皮层下各级脑部及脊髓也有发展，但在机能上已从属于大脑皮层。大脑皮质是调节躯体运动或者说控制躯体运动的最高级中枢，人类的大脑皮层更产生了新的飞跃，有了抽象思维的能力，成为意识活动的物质基础。大脑皮层在记忆、注意力、思考、语言、意识、知觉等方面发挥着至关重要的作用。所以可以说大脑皮层相当于人体的“司令部”。
大脑皮层位于端脑背侧，是大脑神经组织的最外层结构，由神经元胞体和毛细血管组成，是构成大脑两半球沟回的表层灰质。灰质下方是神经纤维聚集而成的白质。人的大脑皮层厚度通常在2-4mm之间，神经细胞数量约有140亿个，面积约为2200平方厘米。
在哺乳动物的进化史上，新皮层（neocortex）是大脑皮层中最近发展出的部分、也是皮层的主要部分，其分化成六个水平层；而更古老的部分，海马，至多有三个细胞层。每个层在神经元和连通性方面具有不同的组成。绝大多数神经科学家都是新皮层的沙文主义者，即对于“皮层”一词，如果不加标注，则总是指大脑新皮层。对于人类来说，绝大部分的新皮层神经元产生于胚胎期的第5周至第5个月，高峰时增殖速率可以达到惊人的250000个每分钟。那么，数目如此巨大的神经元到底源自于哪里呢？它们的产生究竟经历了怎样的途径呢？本文将主要从神经发生的细胞生物学角度带你了解胚胎期新皮层的发育过程。
一、早期发育
有必要简要介绍一下胚胎早期发育过程。
众所周知，胚胎的发育从受精卵（zygote）开始，受精卵分裂增殖形成囊胚（blastula），而囊胚经过分裂分化形成原肠胚（gastrula）。原肠胚由3层截然不同的细胞层构成，分别是内胚层（endoderm）、中胚层（mesoderm）和外胚层（ectoderm）。内胚层将发育为内脏组织和器官，中胚层发育为骨骼和肌肉，而外胚层发育为皮肤和神经系统。
在人类胚胎早期（妊娠3周），脑还只是由一层薄薄的细胞组成，为原始的神经上皮细胞。接着在这层神经板（neural plate）上形成贯穿头尾的一条沟，称为神经沟（neural groove）。然后神经沟的壁（即神经褶，neural fold）向中间合拢并在背侧融合，构成神经管(neural tube)。神经板发育成神经管的过程称为神经胚形成。神经管头端的前神经孔闭合，发育成脑；神经管尾端的后神经孔闭合，发育成脊髓；而神经管中央的腔将发育为脑室或中央管。
神经管形成以后，前部发生急剧的变化，形成3个初级脑泡，分别为前脑，中脑和后脑。接下来，2个次级脑泡，分别为视泡和端脑泡，从前脑两侧长出，余下不对称结构为间脑。2个端脑泡集合在一起，最终将发育为两个大脑半球的端脑（telencephalon）。大脑皮层便是由端脑泡壁上的细胞分化而成，而这个过程正是下文要详细讨论的话题。
有了早期发育的铺垫，接下来将围绕端脑泡壁上的神经发生过程即皮层的发育展开叙述。
二、基本概念
干细胞被普遍定义为终身具有自我更新能力和分化为多种类型细胞潜能的细胞。在中枢神经系统中，神经干细胞（neural stem cells，NSCs）会产生出神经元（neurons）和不同种胶质细胞（glial cells），如星形胶质细胞（astrocytes）、少突胶质细胞（oligodendrocytes）等。在发育过程中，NSCs的自我更新潜能会逐渐改变，并产生不同种的子代细胞。那些只具有有限的增殖能力的细胞被定义为祖细胞（progenitor cells）。神经干细胞和祖细胞在哺乳动物新皮层的发育和进化中扮演着最主要、最核心的角色。
神经上皮细胞（neuroepithelial cells，NE）
如上文提到，神经发生前，神经板和神经管均由单层细胞组成，即神经上皮细胞。神经上皮细胞呈细长形，连接着顶端（apical，即脑室表面）和基部（basal，即软脑膜表面）。除了沿顶端基部轴向（apical-basal axis）高度极化的特征，而且看上去呈层状（假复层上皮），因为它们的细胞核在细胞周期内沿着顶端基部轴向上下迁移。NE在脑室表面分裂，形成了脑室区（ventricular zone，VZ），它们通过对称分裂的方式增加神经干细胞库，即产生更多的NE；有些NE细胞可能会通过不对称分裂，产生一个仍然留在VZ的干细胞和一个沿径向向外迁移的子细胞。
放射状胶质细胞（radial glial cells，RG）
神经发生（neurogenesis）开始后，神经上皮细胞下调了某些上皮特征，转化成一种不同的但又与之类似的细胞类型——放射状胶质细胞。其胞体位于脑室区，即早期神经管内壁的神经上皮层，细胞一端伸出一根短的顶突附着于脑室表面，另一端伸出细长的有短侧突的基底突起，并分出许多分支终止于软脑膜侧。在RG中仍有核的迁移，所以RG细胞在VZ区保持假复层上皮的特性。它们具有某些星形胶质细胞的特点，如表达谷氨酸运输蛋白（GLAST）和胶质纤维酸性蛋白（GFAP）等。
在皮层神经发生期间，RG细胞保持顶端基部极性，通过对称分裂增加自身群体数量，并且能通过不对称分裂进行自我更新并产生一个神经元或者中间祖细胞。脑中大部分甚至全部神经元都直接或者间接来源于RG。除此之外，RG还有一个重要作用是充当新生神经元迁移的支架。对反转录病毒标记的RG运用延时成像技术，证明子神经元沿着亲代RG的纤维向软脑膜方向迁移，甚至当RG正在分裂时，迁移仍在进行。
中间祖细胞（intermediate progenitor cells，IP）
上边提到，RG细胞可以通过不对称分裂产生中间祖细胞，这是一种潜能更有限的细胞，有时也被称为基底祖细胞（basal progenitor cell），它们没有了上皮特性，是多极细胞。IP细胞迁移至比VZ区更远离脑室的区域，即脑室下区（subventricular zone，SVZ）。
与RG细胞不同的是，IP细胞通过对称分裂再产生两个同样的IP细胞或者产生两个相同的神经元、星形胶质细胞或者少突胶质细胞。SVZ区的这种对称分裂扩增了神经干细胞分裂产生出的细胞的数量，而且脑越大的物种，其IP细胞数量越多，所以这是决定大脑表面积切向扩张的一个重要因素，而前面提到的RG细胞的不对称分裂很可能导致新皮层厚度的增加。与NE和RG不同，中间祖细胞中不存在核迁移的现象。
灵长类动物皮层发生相比于较低等的如啮齿类动物的区别在于出现了非常大的SVZ，包含内侧的、靠近脑室的ISVZ和外侧的、靠近软脑膜的OSVZ，二者被一层薄的纤维层分开。在灵长类动物中的胸腺嘧啶核苷标记研究表明OSVZ内的细胞增殖与皮层神经发生的高峰期相一致，暗示了OSVZ在神经元产生中发挥作用。
此外OSVZ区的细胞表达RG细胞的标志分子如GFAP、巢蛋白NES等，也表达IP细胞的标志分子如TBR2等。有研究证明了OSVZ的异质性，即这一区域既包含RG细胞也包含IP细胞。习惯把OSVZ区的类RG细胞称为oRG细胞。
oRG细胞表达RG细胞典型的标志分子并且具有放射状纤维。但与双极的RG细胞不同，oRG细胞是单极的，只有一个基部纤维连接至软脑膜侧。oRG细胞很可能起源于VZ，而且它们也可以在OSVZ通过不对称分裂进行自我更新，保持和扩大数目，基于这一特点，oRG细胞可以被认为是一种神经干细胞。在培养的胚胎新皮层切片中用动态成像技术观察细胞分裂，发现oRG细胞显示出一种很独特的行为——有丝分裂胞体易位（mitotic somal translocation，MST），具体解释为细胞分裂时胞体沿着放射状纤维，向上即向软脑膜侧迅速提起。这种运动与后文介绍的INM形成鲜明对比。
在人类OSVZ中，oRG细胞只占全部前体细胞的40%，那么还有便是IP细胞。oRG细胞不对称分裂，除了产生另一个oRG细胞，还将产生能继续分裂分化的IP子细胞，它们在对称分裂为神经元之前能进行多轮扩增，能极大增加产生出的神经元的数量，所以可能每一个oRG细胞都会建立一个这样的过渡扩增性的细胞谱系，这些细胞占OSVZ内全部前体细胞的60%；并且由于MST，新产生的神经元不需要迁移很长的距离，就可以迅速填充整合到皮层结构中。同时oRG细胞也能在一定距离上引导支持神经元向皮层的迁移，神经元可能跟随不连续的放射状纤维迁移，这种不连续性使神经元迁移过程中更换纤维，于是增加了神经元横向扩散的机会。OSVZ中，oRG细胞群体的扩展和过渡扩增性的细胞的增加都是皮层扩张的重要基础，跟多脑回物种大脑皮层沟回（gyri and sulci）的形成密切相关。
动力学核迁移（interkinetic nuclear migration，INM）
前文提到，NE细胞和RG细胞中均存在细胞核沿顶端基部轴向上下迁移的现象，这种现象被称为Interkinetic Nuclear Migration，INM。最早在上世纪30年代，基于对细胞周期内不同时期的细胞核位置的分析，推测有INM的存在，后来通过胸腺嘧啶核苷类似物标记确认了细胞核这一行为的存在。下面具体来看一下细胞核迁移的过程：
如上图，在NE细胞中，核迁移范围跨越整个细胞的顶端基部轴（apical-basal axis）。G1期，细胞核从顶侧向基部迁移，S期时到达基部，G2期时又往回即向顶侧迁移，M期，细胞核到达顶侧，即脑室表面，并进行有丝分裂。
在RG细胞中，细胞核迁移的规律同NE细胞大体相似。但核迁移不一直延伸到基底侧，或者说不一直延伸到软脑膜侧。RG细胞中的核迁移局限在细胞的一定范围内，就是从脑室表面至VZ或SVZ的基部边界这一范围内。
INM可能是神经上皮细胞和放射状胶质样细胞的一种细胞自主特性。NE细胞和RG细胞具有这一行为，但IP细胞中不存在，因此INM是中枢神经系统中神经干细胞的特性，而潜能有限的前体细胞不具有这一特性。目前关于INM的机制和功能重要性还了解的很少。已有的一些研究表明INM与细胞周期进程和调节细胞接受信号有关系。
对称分裂与不对称分裂
NE细胞和RG细胞的顶端基部极性是它们能够进行对称分裂和不对称分裂的重要基础，其实这两种分裂方式的本质分别是细胞成分均等地和不均等地分配给子细胞。
如上图，分裂面（cleavage plane）沿着脑室区的径向的话（即垂直分裂面），由于顶端和基部的细胞成分将会被均等地分配到两个子细胞中，所以将引起神经干细胞的对称分裂；另一方面，分裂面平行于脑室表面的话（即水平分裂面），将会引起神经干细胞的不对称分裂，因为顶端成分会被一个子细胞继承，而基部成分被另一个子细胞继承。同时，研究证明，垂直分裂面也可以像上图c一样绕开顶端细胞质膜和联接复合物，引发不对称分裂。
成熟皮层的6层结构
大脑皮层发育过程，皮层神经以先到内侧后到外侧的模式迁移（inside-first, outside-last order），即后生成的神经元沿着神经干细胞的辐射状突起，跨过先生成的神经元，迁移到更靠近大脑表面的位置。皮层的神经元一旦到达它们最终所处的位置，在整个生命周期中就不会被取代了。发育成熟的大脑皮层由大量不同类型的神经元和胶质细胞形成一个6层结构。
从表面至深层的结构如下：（1）分子层（molecular layer）：神经元小而少，主要是水平细胞和星形细胞，还有许多与皮质表面平行的神经纤维。（2）外颗粒层（external granular layer）：主要由许多星形细胞和少量小型锥体细胞构成。（3）外锥体细胞层(external pyramidal layer)：此层较厚，由许多中、小型锥体细胞和星形细胞组成。（4）内颗粒层（internal granular layer）：细胞密集，多数是星形细胞。（5）内锥体细胞层（internal pyramidal layer）：主要由中型和大型锥体细胞组成。在中央前回运动区，此层有巨大锥体细胞，胞体高120um，宽80um，称Betz细胞，其顶树突伸到分子层，轴突下行到脑干和脊髓。（6）多形细胞层（multiform or fusiform layer）：以梭形细胞为主，还有锥体细胞和颗粒细胞。
功能强大、结构复杂的大脑皮层就是从最初外胚层的神经上皮发育而来，在这个过程中，神经上皮细胞和放射状胶质细胞等神经干细胞发挥着至关重要的作用。正因为神经干细胞的存在，皮层中数目巨大、类型多样的神经元和胶质细胞得以源源不断地产生，皮层尺寸的扩大和表面积的扩张得以实现。皮层发育是一个非常复杂的过程，这其中还有很多不完善的理论和不清楚的问题，相信随着神经生物学实验技术的不断发展和神经科学家的不懈努力，人们将会越来越清楚地理解皮层发育过程。
三、参考
[1] Florian T Merkle, Arturo Alvarez-Buylla. Neural stem cells in mammalian development. Current Opinion in Cell Biology 2006, 18:704–709
[2] Arnold Kriegstein & Arturo Alvarez-Buylla. The Glial Nature of Embryonic and Adult Neural Stem Cells. Annual Review of Neuroscience, 2009. 32:149-84.
[3] Elena Taverna, Magdalena Gotz, Wieland B. Huttner. The Cell Biology of Neurogenesis: Toward an Understanding of the Development and Evolution of the Neocortex. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2014. 30:465–502.
[4] Magdalena Götz*, Wieland B. Huttner. The cell biology of neurogenesis. Nat Rev Mol Cell Biol, 2005, 6: 777–788
