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人體的發(fā)育起始于精子與卵子的結(jié)合，隨后形成一個(gè)具有能發(fā)育為完整個(gè)體的細(xì)胞，即具有全能性的受精卵。受精后的最初階段，受精卵通過卵裂形成的細(xì)胞幾乎完全相同。這意味著如果把這些細(xì)胞的任何一個(gè)放入女性子宮內(nèi)，均有可能發(fā)育成胎兒。實(shí)際上，當(dāng)兩個(gè)全能細(xì)胞分別發(fā)育為單獨(dú)遺傳基因型的人時(shí)，即出現(xiàn)了各方面都完全相同的雙胞胎。受精卵繼續(xù)分裂，形成由12-16個(gè)細(xì)胞組成的細(xì)胞團(tuán)，稱之為桑椹胚（morula）。桑椹胚前和桑椹胚期的每一個(gè)細(xì)胞都具有發(fā)育成完整胚胎的潛力，屬于全能干細(xì)胞（totipotent stem cell）。大約在受精后四天，經(jīng)過幾個(gè)循環(huán)的細(xì)胞分裂之后，這些全能細(xì)胞開始特異化，形成一個(gè)中空環(huán)形的細(xì)胞群結(jié)構(gòu)，稱之為囊胚（blastula），囊胚由外層細(xì)胞和位于中空球形內(nèi)的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)(Inner cell mass，ICM)所構(gòu)成。從囊胚期到原腸胚期之間的細(xì)胞就是通常意義的胚胎干細(xì)胞（embryonic stem cell，ESCs），這個(gè)時(shí)候的細(xì)胞是多能干細(xì)胞（pluripotent stem cell）。

外層細(xì)胞繼續(xù)發(fā)展，形成胎盤以及胎兒在子宮內(nèi)發(fā)育所需的其它支持組織。內(nèi)細(xì)胞團(tuán)亦繼續(xù)發(fā)育，分化成三個(gè)胚層，即可形成各器官系統(tǒng)。雖然內(nèi)細(xì)胞團(tuán)可以形成每一種組織, 但它不能形成完整的胎兒，因?yàn)樗荒苄纬商ケP和支持組織。這些內(nèi)細(xì)胞團(tuán)細(xì)胞是多能性的----它們能產(chǎn)生許多種類型的細(xì)胞，但并非胎兒發(fā)育所需的全部細(xì)胞類型。因?yàn)樗鼈儾皇侨苄缘模皇桥咛?，沒有完全的發(fā)育潛能。如果內(nèi)細(xì)胞團(tuán)被放入女性子宮，它不會(huì)發(fā)育成胎兒。

多能干細(xì)胞經(jīng)歷進(jìn)一步的特異分化，產(chǎn)生具有特殊功能的干細(xì)胞群體。如造血干細(xì)胞，它能產(chǎn)生紅細(xì)胞、白細(xì)胞和血小板。又如皮膚干細(xì)胞，它能產(chǎn)生各種類型的皮膚細(xì)胞。又如神經(jīng)干細(xì)胞，它能產(chǎn)生神經(jīng)組織起源的成熟細(xì)胞，如神經(jīng)元、少突膠質(zhì)細(xì)胞和星形細(xì)胞。這些更專門化的干細(xì)胞被稱為專能干細(xì)胞（multipotent stem cell）。專能干細(xì)胞分化潛能較之多能干細(xì)胞分化潛能低，但也具有多項(xiàng)分化功能。