Als Zelldifferenzierung wird allgemein der strukturelle und funktionelle Prozess der Spezialisierung von Zellen definiert. Die Zellen differenzieren sich aus sogenannten Stammzellen. Pluripotente Stammzellen des Embryos können sich in nahezu alle Zelltypen differenzieren. Adulte Stammzellen sind multipotent und entwickeln sich aufgrund eines eingeschränkten Differenzierungspotenzial lediglich zu verschiedenen Zelltypen eines Gewebes (hier des Nervengewebes). Bei der Teilung von Stammzellen kann es zur Bildung von Vorläuferzellen kommen. Aus diesen differenzieren sich dann durch weitere Teilungsprozesse schrittweise verschiedene Zelltypen.
Die embryonale Neurogenese beschreibt die Bildung von spezifischen Zellen des Nervengewebes aus Stamm- oder Vorläuferzellen. Neuronale Vorläuferzellen werden als Neuroblasten bezeichnet. Sie weisen noch keine Axone und Dendriten auf. Ihre weitere Differenzierung hängt vom Alter der Vorläuferzelle, ihrem Zielort sowie von chemischen Faktoren in der Umgebung der Zelle ab. Beispielsweise ist die typische Struktur der Pyramidenzellen von zellulären Signalen abhängig. Ein spezifisches Protein (Semaphorin 3A) bewirkt, dass die wachsenden Axone von der Gehirnoberfläche abgestoßen und die Dendriten von dieser angezogen werden, um so die Orientierung der Zelle zu bestimmen.
Die Neurogenese beginnt in den frühen Stadien der Embryogenese (ab dem 18. Tag der Schwangerschaft) mit der Bildung des Neuralrohrs, der embryonalen Anlage des Nervensystems. Aus diesem bildet sich im weiteren Verlauf das komplette Nervensystem. Am vorderen Ende des Neuralrohrs kommt es in einem weiteren Entwicklungsschritt zur Ausbildung von insgesamt fünf Vesikeln, aus denen sich in der Folge das Gehirn differenziert.
Aus den Wänden dieser fünf flüssigkeitsgefüllten Vesikel entwickeln sich die Zellen des Gehirns. Die Vesikel bleiben auch im adulten Organismus erhalten und bilden das ventrikuläre System (System der Gehirn-Rückenmarksflüssigkeit). Zu einem sehr frühen Zeitpunkt der Entwicklung bestehen die Wände der Vesikel lediglich aus zwei Schichten: der Ventrikulär- und der Marginalzone. Während die Ventrikulärzone das Innere der Vesikel auskleidet, liegt die Marginalzone auf der Seite der Hirnhaut (Pia mater).
Die Großhirnrinde wird während der Entwicklung des Embryos schichtweise von der Ventrikulärzone eines Vesikels her aufgebaut (Abbildung 7). Dabei entstehen zuerst die inneren Schichten der Großhirnrinde. Die aufeinander aufbauende Anlagerung der Schichten, erfolgt mit Hilfe radialer Gliazellen. Diese entstehen durch symmetrische Teilung von Stammzellen der Ventrikulärzone und bilden lange Fortsätze, die senkrecht zur Schichtung des Gehirns nach außen wachsen und als eine Art Gerüst für die Zellwanderung dienen. Teilt sich eine Stammzelle asymmetrisch, kommt es zur Bildung der Neuroblasten, die nun entlang der radialen Gliazellen nach außen wandern und zunächst eine kortikale (den Cortex betreffend) Platte bilden. Aus der ersten kortikalen Platte entsteht durch Zelldifferenzierung nun die innerste Schicht der Großhirnrinde (VI). Dabei differenzieren sich aus den ankommenden Neuroblasten zunächst die Nervenzellen und dann die Gliazellen. Anschließend wandern weitere Neuroblasten an dieser Schicht vorbei und bilden eine neue kortikale Platte. Dieser Prozess wiederholt sich, bis alle sechs Schichten der Großhirnrinde ausdifferenziert sind. Wenn der Aufbau beendet ist, können sich die Fortsätze der Radialgliazellen zurückbilden.
Beim Menschen entsteht die überwiegende Anzahl der Neuronen des Cortex zwischen der fünften Woche und dem fünften Monat. Dabei bilden sich pro Minute bis zu 250.000 Neuronen, wodurch es zeitweise sogar zu einer regelrechten Überproduktion von Neuronen im Gehirn des Embryos kommt. Im weiteren Verlauf folgt daher ein Abbau von bis zu 80 % der Zellen. So bleiben von den in Konkurrenz zueinanderstehenden Neuronen nur jene mit den stabilsten Verbindungen erhalten.
