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胸腺起源于双侧第3对咽囊的腹侧部。在胚胎发育第16周后，咽囊变成两条伸长的憩室，继而形成实心的细胞团，向尾侧长入周围的迷走神经嵴间充质内。在主动脉囊腹侧，两条胸腺原基会合后由结缔组织结合在一起。当颈部发育完全且心脏已下降时，胸腺移行至位于胸部的前纵隔内。此时，胸腺与第3咽囊仅以一个实心的细胞索连接。当胸腺增殖下行时，局部的迷走神经嵴衍生的间充质会控制腺体的发育和模式。在下降迁移路径上腺体脱落，会造成胸腺组织异位，可位于颈部或纵隔其他位置。神经嵴间充质形成结缔组织隔，形成腺体内的小叶间隔。胚胎发育第10周，幼红细胞和B淋巴细胞发育，淋巴干细胞迁移至胸腺原基，腺体内95%以上的细胞成为T淋巴细胞系，同时胸腺小体出现。胚胎发育第12周，血管、间充质隔和神经已经到达新的、正在发育的髓质。胚胎发育第14周，巨噬细胞和交错突细胞开始出现，血管周围间隙中粒细胞生成。胚胎发育第17周，当淋巴干细胞迁移至胸腺原基后，胸腺发育分化为具有特殊功能的中枢淋巴器官，此后成为T淋巴细胞分化发育的唯一场所。