神经干细胞定向诱导分化是目前神经干细胞研究的重大课题。由于神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞都可以用作特定细胞移植材料，所以如何充分利用神经干细胞多分化潜能，便成为研究的热点。据研究表明神经干细胞的分化与基因调控、细胞因子和外部微环境等密切相关。Pevny等将神经元特异性的Sox2基因转染胚胎干细胞，再经维甲酸诱导，可获得90%以上的神经细胞。Giebel等表达Nurrl基因对于中脑神经前体细胞分化为多巴胺能神经元起决定作用。这些研究表明基因调控与神经干细胞的定向分化密切相关。不同的细胞因子在神经干细胞的诱导分化中起重要作用，但尚没有一种细胞因子能在体外将神经干细胞全部诱导分化为所需的功能神经细胞，参与神经干细胞诱导分化的细胞因子有白细胞介素类，如IL-1、IL-7、IL-9及IL-11等。一些体外实验证实IL-1可以诱导神经前体细胞向多巴胺能神经元分化，分化率在25%左右。

    其它的白介素类有类似的作用。生长因子类，如上皮生长因子、神经生长因子及碱性成纤维细胞生长因子等，目前的资料表明，当把EGF注入成年大鼠或小鼠脑室系统内后，室周区(SVZ)内的细增殖明显增加，粒下层(SGZ)神经胶质细胞分化成熟的比例增加，而成熟神经元的比例则下降。当把bFGF 注射到新生小鼠体内后，发现其脑内新生神经元的数量增加，而在成鼠体内这种作用则不明显。如果将培养的神经干细胞置于脑源性神经营养因子作用下，大量的神经干细胞可以表现出分化神经元的特性。

    神经干细胞的分化还与外部微环境有关，Han等观察到神经元限制分化性的前体细胞在成体脊髓内仅分化为神经元而非胶质细胞，说明成体的中枢神经系统内非神经再生环境不影响神经前体细胞的分化行为。Nishino等将取自鼠E12中脑的前体细胞，移植至偏侧帕金森病模型的双侧纹状体区，发现病变侧较健侧脑组织内神经前体细胞更易分化为TH+神经元，说明多巴胺（DA）耗竭的纹状体区提供了更利于中脑于细胞分化为成熟DA能神经元的外环境。Yang等的结果与之相符且发现移植的前体细胞还能与周围神经细胞建立起恰当的功能联系。