Name: how genes shape neurons and brain function
Uploaded: 2023-04-30T06:25:49.000Z
Duration: 11 min 25 s
Channel: JoVE

K12 Standards

new-york-state-science-learning-standards

New York State Science Learning Standards

High School

Life Science

Structure and Function

HS-LS1-1.

an-introduction-to-cellular-and-molecular-neuroscience

An Introduction to Cellular and Molecular Neuroscience

<div id = "script_0">
إن أبسط ردود الفعل على التجارب العاطفية الأكثر سمية كلها متجذرة في الهياكل الجزيئية والوراثية والخلوية في الدماغ. كواحد من أحدث المجالات في علم الأعصاب ، يستفيد علم الأعصاب الخلوي والجزيئي من البيولوجيا الجزيئية لاستكشاف كيفية تأثير الجينات وجزيئات الإشارات والتشكل الخلوي على الجهاز العصبي
سيقدم هذا الفيديو اكتشافات بارزة في هذا المجال ، ويتناول الأسئلة الرئيسية في أبحاث علم الأعصاب الخلوي والجزيئي ، وأخيرا يعرض بعض الطرق البارزة التي يمكن تطبيقها للإجابة على هذه الأسئلة.
</div>
<div id = "script_1">
لنبدأ بإلقاء نظرة على الجذور العلمية لهذا المجال الشاب نسبيا.
قبل أن تكون هناك تقنيات جزيئية ، سيطر علماء التشريح وعلماء الأحياء الخلوية على التاريخ المبكر لعلم الأعصاب.
ومع ذلك ، في ثلاثينيات القرن العشرين ، بدأ تدفق الفيزيائيين والكيميائيين والمنظرين إلى صفوف علماء الأحياء الثورة الجزيئية ، وبلغت ذروتها في اكتشاف واتسون وكريك لبنية الحمض النووي وإضفاء الطابع الرسمي على العقيدة المركزية ، والتي أوضحت كيف يشفر الحمض النووي البروتينات التي تعمل كوحدات وظيفية للخلايا. لأول مرة ، تمكن علماء الأعضاب من التحقيق في الدور الذي تلعبه الجينات والبروتينات المحددة في وظيفة الجهاز العصبي.

على سبيل المثال ، في الستينيات ، كان سيمور بنزر قادرا على ربط التغيرات السلوكية في ذباب الفاكهة بالطفرات الجينية المحددة ، وتحديد الجينات الرئيسية المعبر عنها في الخلايا العصبية التي تتحكم في السلوك ، مثل الحركة.
في نفس الفترة الزمنية ، أظهر إريك كاندل أن العمليات المعقدة مثل التعلم لها أيضا أساس جزيئي. باستخدام الرخويات البحرية Aplysia ، قام بتحليل مستخلصات الأنسجة العصبية ، وورط جزيء الإشارات داخل الخلايا AMP الدوري في مسار حاسم للتعلم.
بعد ذلك ، في الثمانينيات من القرن الماضي ، كان أعضاء مختبر شوساكو نوما أول من استنساخ الجزيئات الرئيسية في وظيفة الخلايا العصبية ، مثل قناة الصوديوم ذات الجهد المسور. منذ ذلك الحين ، حسنت تحليلات المجالات الوظيفية داخل هذه البروتينات الغشائية الكبيرة فهمنا لكيفية التحكم في حركات الأيونات إلى إطلاق الخلايا العصبية.

جاء اكتشاف مهم آخر في الآليات الجزيئية وراء الاتصال العصبي في التسعينيات ، عندما اكتشف توماس سودهوف أن أيونات الكالسيوم تغير شكل البروتينات التي تثبت الحويصلات المملوءة بالناقل العصبي في غشاء الخلية ، موضحا كيف تؤدي إمكانات الفعل إلى إطلاق إشارات كيميائية في المشبك.
من الفيزيولوجيا العصبية إلى السلوك ، حسنت الاكتشافات في علم الأعصاب الجزيئي فهمنا للعديد من تخصصات علم الأعصاب.
</div>
<div id = "script_2">
على الرغم من هذا التاريخ المثمر ، لا يزال هناك الكثير لنتعلمه! دعنا نراجع بعض الأسئلة التي يتم طرحها في المختبرات اليوم.
يسأل أحد مجالات البحث عن الجينات التي تؤثر على وظيفة الخلايا العصبية. على سبيل المثال ، من المعروف أن توسعات النيوكليوتيدات في جينات معينة متورطة في العديد من الأمراض التي تتميز بالتدهور المطرد في صحة الخلايا العصبية ، مثل مرض هنتنغتون.
تقوم مجموعة أخرى من الجينات قيد التحقيق بتشفير عوامل النسخ: البروتينات التي تنظم التعبير عن جينات معينة. يمكن أن يمنحنا تحديد أهداف الحمض النووي لعوامل النسخ الخاصة بالجهاز العصبي رؤية أفضل للبرنامج الجيني الذي يجعلنا نفكر.
بدلا من ذلك ، قد يسأل علماء الأعصاب كيف تنظم الجزيئات السلوك العصبي. على سبيل المثال ، قد يدرسون الآلية الجزيئية التي تنظم حركات الأيونات عبر غشاء الخلية ، مما يؤدي إلى انتشار إمكانات الفعل. لقد أعطتنا الأبحاث هنا مخدرا مثل الليدوكائين ، الذي يمنع قنوات أيونية معينة ويوقف انتقال إشارات الألم إلى الدماغ.
بدلا من ذلك ، قد يفحص العلماء مواقع التفاعل بين الخلايا العصبية ، والمعروفة باسم المشبك العصبي. هنا ، قد يسألون عن الجزيئات التي تشارك في الحفاظ على سلامة المشبك ، وكيف يمكن استعادة هذه الروابط في حالات المرض.
اللدونة العصبية هي قدرة الجهاز العصبي على التكيف كيميائيا وجسديا استجابة للتجربة. تركز بعض الأبحاث في هذا المجال على التغيرات المورفولوجية المعتمدة على الخبرة في الهياكل العصبية المتقنة، والمعروفة باسم العرش المتغصنة، والتي تشكل نقاط اشتباك عصبي عبر هياكل ديناميكية للغاية يشار إليها باسم العمود الفقري المتغصن. يهتم آخرون بكيفية تعديل التجربة لتوزيع مستقبلات الناقل العصبي على الأغشية المشبكية ، والتي يمكن أن تعزز قوة إشارات المشبك في ظاهرة تعرف باسم التقوية طويلة المدى ، أو LTP.
كما ترون ، يتعامل علماء الأعصاب الخلوي والجزيئي مع علم الأعصاب من وجهة نظر مجهرية ، لكن نطاق العمليات التي يدرسونها واسع.
</div>
<div id = "script_3">
الآن بعد أن أصبحت على دراية ببعض الأسئلة المثيرة التي يتم طرحها في مختبرات علم الأعصاب الخلوي والجزيئي ، دعنا نلقي نظرة على الأدوات المتاحة للإجابة عليها.

أولا ، للتحقيق في التحكم الجيني في وظيفة الخلايا العصبية ، يمتلك العلماء بعض التقنيات القوية جدا تحت تصرفهم. على سبيل المثال، يمكن للمصفوفات الدقيقة تحديد التعبير عن عدد كبير من الجينات في وقت واحد. المصفوفة الدقيقة عبارة عن سطح به عشرات الآلاف من المقتطفات من "مجسات" الحمض النووي المفردة التي تقطعت بهم السبل متصلة به. يسمح للمادة الوراثية المستخرجة من الخلايا العصبية بالارتباط بالمجسات ، وتستخدم علامات الفلورسنت لتصور التسلسلات الموجودة في العينة بدقة.
بدلا من ذلك ، يستخدم تفاعل البوليميراز المتسلسل في الوقت الفعلي أو الكمي معدات يمكنها قياس الكمية النسبية لنصوص mRNA المحددة بشكل غير مباشر عبر طريقة قائمة على تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR). هذا النهج مفيد للغاية للكشف عن مستويات التعبير عن الجينات الفردية.
أخيرا وليس آخرا ، تعد التكنولوجيا المعدلة وراثيا أداة مهمة للتحقيق في وظيفة الجينات في الجهاز العصبي. بهذه الطريقة ، يمكن للباحثين إنتاج تمت إزالة أجزاء من جينوماتها ، والمعروفة باسم الضربة القاضية ، أو مع الجينات المعدلة التي يتم إدخالها في شفرتها الجينية ، والمعروفة باسم الجينات المعدلة وراثيا. يمكن تحليل أنسجة الجهاز العصبي من هذه بعدة طرق لتحديد كيفية تأثير التغييرات في التعبير الجيني على الوظيفة الخلوية.
لدراسة التحكم الجزيئي في الإشارات العصبية ، غالبا ما يفضل الباحثون دراسة أنسجة المخ خارج ، إما في قطع صغيرة من الأنسجة أو في خلايا منفصلة تنمو في المختبر تسمى الثقافات العصبية الأولية. تتمثل إحدى ميزات هذا النظام المبسط في القدرة على التلاعب بكفاءة بالتعبير عن الجينات ذات الأهمية في الإشارات العصبية عن طريق التعدين. يمكن بعد ذلك ملاحظة نتائج هذه التلاعبات الجينية من خلال تصور توطين البروتين ، أو تحليل مورفولوجيا الخلية ، أو التسجيلات الفيزيولوجية الكهربية.

أخيرا ، تسمح التطورات الهائلة في تكنولوجيا التصوير للعلماء بدراسة اللدونة العصبية بطرق جديدة ومثيرة. على سبيل المثال، يمكن للباحثين استخدام الفحص المجهري ثنائي الفوتون لتصور الطبقات العميقة من الأنسجة الحية بتفصيل كبير. بعد إنشاء "نافذة" في الجمجمة ، يمكن استخدام هذه التقنية لتصوير مورفولوجيا خلايا الدماغ قبل وبعد خضوع لتجربة ، مما يسمح للباحثين برؤية شكل التعلم على المستوى العصبي.
تستخدم أدوات التصوير أيضا لفحص المكونات الجزيئية للجهاز العصبي في الأنسجة المحفوظة. غالبا ما يستخدم المجهر الفلوري مع الكيمياء المناعية ، حيث يتم تلطيخ العينات بالأجسام المضادة الفلورية التي تميز التوطين الخلوي لبروتينات معينة.
</div>
<div id = "script_4">
بعد مراجعة كل من الأسئلة المهمة والأدوات المستخدمة للإجابة عليها ، دعنا نلقي نظرة على بعض تطبيقات أبحاث علم الأعصاب الخلوي والجزيئي.
أولا ، من خلال تطبيق تقنيات المصفوفات الدقيقة على مجموعة صغيرة من الخلايا العصبية ، يمكن للباحثين فحص الاختلافات في التعبير عن الجينات المختلفة في أنواع فرعية معينة من الخلايا العصبية. هنا ، تم عزل الخلايا العصبية المفردة من شبكية العين وتم استخراج الحمض النووي الريبي الخلوي ، مما سمح للباحثين بتحديد التعبير عن mRNAs من الخلايا ذات الخصائص الوظيفية والمورفولوجية المختلفة.
يمكن أيضا تطبيق التقنيات الجزيئية لفهم استجابة الجهاز العصبي للإصابة بشكل أفضل. عندما تتم إزالة العقد الجذرية الظهرية ، أو DRGs ، من الفئران البالغة لزراعة الخلايا العصبية الأولية ، يتم قطع المحاور بالضرورة. من خلال نقل الخلايا العصبية DRG المنفصلة مع تركيبات إسكات الجينات ، من الممكن اختبار تأثير البروتينات الفردية على إعادة نمو المحاور الجديدة.
يمكن استخدام تقنيات التصوير المتخصصة لدراسة كيفية نقل البروتينات مثل مستقبلات الناقل العصبي من وإلى الغشاء المشبكي. في هذه التجربة ، تم نقل الخلايا العصبية المستنبتة بجين يشفر بروتين غشاء مميز بالفلورسنت. باستخدام المجهر متحد البؤر ، تم بعد ذلك تبييض مناطق صغيرة من الغشاء ، مما يعني أنه تم تدمير الفلوروفورات في تلك المنطقة. مع مخطط التبييض المستخدم هنا ، يعكس الاسترداد التدريجي للتألق ، أو FRAP ، نقل بروتينات الفلورسنت الجديدة إلى غشاء البلازما. يمكن قياس معدل حدوث هذه الحركة ومقارنتها على العديد من الظروف التجريبية.
</div>
<div id = "script_5">
لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE لعلم الأعصاب الخلوي والجزيئي. ناقشنا في هذا الفيديو الاكتشافات التاريخية التي جعلت علم الأعصاب الخلوي والجزيئي هو المجال الذي هو عليه اليوم ، وبعض الأسئلة الرئيسية في هذا المجال ، والتقنيات المستخدمة للإجابة عليها.
كما هو الحال دائما ، شكرا لمشاهدة JoVE Science Education!
</div>

مقدمة في علم الأعصاب الخلوي والجزيئي

يعد علم الأعصاب الخلوي والجزيئي أحد أحدث التخصصات الفرعية وأسرعها نموا في علم الأعصاب. من خلال التحقيق في تأثيرات الجينات وجزيئات الإشارات والتشكل الخلوي ، يكشف الباحثون في هذا المجال عن رؤى مهمة حول نمو الدماغ الطبيعي ووظيفته ، بالإضافة إلى الأسباب الجذرية للعديد من الحالات المرضية. 
تبدأ مقدمة الفيديو هذه للعالم الرائع لعلم الأعصاب الخلوي والجزيئي بجدول زمني للدراسات التاريخية ، من اكتشاف الحمض النووي في عام 1953 إلى الاختراقات الحديثة مثل استنساخ القنوات الأيونية. بعد ذلك ، يتم تقديم الأسئلة الرئيسية في هذا المجال ، مثل كيفية تأثير الجينات على نشاط الخلايا العصبية وكيف يتم تعديل الجهاز العصبي من خلال التجربة. يتبع ذلك أوصاف موجزة لبعض الطرق البارزة المستخدمة لتحليل المادة الوراثية في الخلايا العصبية ، ومعالجة التعبير عن الجينات ، وتصور الخلايا العصبية وأجزائها. أخيرا ، يتم تقديم العديد من تطبيقات علم الأعصاب الجزيئي والخلوي لتوضيح كيف يمكن استخدام الأساليب الخلوية والجزيئية لتعريف مجموعات الخلايا العصبية واستكشاف وظائفها.

Cellular and molecular neuroscience is one of the newest and fastest growing subdisciplines in neuroscience. By investigating the influences of genes, ...

أبسط ردود الفعل للتجارب العاطفية الأكثر سامية كلها متجذرة في الجزيئية, الهياكل الجزيئية والخلوية في الدماغ.? كواحد من أحدث المجالات في علم الأعصاب ، يستفيد علم الأعصاب الخلوي والجزيئي من البيولوجيا الجزيئية لاستكشاف كيفية تأثير الجينات وجزيئات الإشارات والتشكل الخلوي على الجهاز العصبي سيقدم هذا الفيديو اكتشافات بارزة في هذا المجال ، ويتناول الأسئلة الرئيسية في أبحاث علم الأعصاب الخلوي والجزيئي ، وأخيرا يعرض بعض الطرق البارزة التي يمكن تطبيقها للإجابة على هذه الأسئلة. لنبدأ بإلقاء نظرة على الجذور العلمية لهذا المجال الشاب نسبيا. قبل أن تكون هناك تقنيات جزيئية ، سيطر علماء التشريح وعلماء الأحياء الخلوية على التاريخ المبكر لعلم الأعصاب. ومع ذلك ، في ثلاثينيات القرن العشرين ، بدأ تدفق الفيزيائيين والكيميائيين والمنظرين إلى صفوف علماء الأحياء الثورة الجزيئية ، وبلغت ذروتها في اكتشاف واتسون وكريك لبنية الحمض النووي وإضفاء الطابع الرسمي على العقيدة المركزية ، والتي أوضحت كيف يشفر الحمض النووي البروتينات التي تعمل كوحدات وظيفية للخلايا. لأول مرة ، تمكن علماء الأعضاب من التحقيق في الدور الذي تلعبه الجينات والبروتينات المحددة في وظيفة الجهاز العصبي. على سبيل المثال ، في الستينيات ، كان سيمور بنزر قادرا على ربط التغيرات السلوكية في ذباب الفاكهة بالطفرات الجينية المحددة ، وتحديد الجينات الرئيسية المعبر عنها في الخلايا العصبية التي تتحكم في السلوك ، مثل الحركة. في نفس الفترة الزمنية, أظهر إريك كاندل أن العمليات المعقدة مثل التعلم لها أيضا أساس جزيئي.? باستخدام الرخويات البحرية Aplysia ، قام بتحليل مستخلصات الأنسجة العصبية ، وورط جزيء الإشارات داخل الخلايا AMP الدوري في مسار حاسم للتعلم. بعد ذلك ، في الثمانينيات من القرن الماضي ، كان أعضاء مختبر شوساكو نوما أول من استنساخ الجزيئات الرئيسية في وظيفة الخلايا العصبية ، مثل قناة الصوديوم ذات الجهد المسور. منذ ذلك الحين ، حسنت تحليلات المجالات الوظيفية داخل هذه البروتينات الغشائية الكبيرة فهمنا لكيفية التحكم في حركات الأيونات إلى إطلاق الخلايا العصبية. جاء اكتشاف مهم آخر في الآليات الجزيئية وراء الاتصال العصبي في التسعينيات ، عندما اكتشف توماس سودهوف أن أيونات الكالسيوم تغير شكل البروتينات التي تثبت الحويصلات المملوءة بالناقل العصبي في غشاء الخلية ، موضحا كيف تؤدي إمكانات الفعل إلى إطلاق إشارات كيميائية في المشبك. من الفيزيولوجيا العصبية إلى السلوك ، حسنت الاكتشافات في علم الأعصاب الجزيئي فهمنا للعديد من تخصصات علم الأعصاب. على الرغم من هذا التاريخ المثمر ، لا يزال هناك الكثير لنتعلمه! دعونا?نراجع بعض الأسئلة التي يتم طرحها في المختبرات اليوم. يسأل أحد مجالات البحث عن الجينات التي تؤثر على وظيفة الخلايا العصبية. على سبيل المثال ، من المعروف أن توسعات النيوكليوتيدات في جينات معينة متورطة في العديد من الأمراض التي تتميز بالتدهور المطرد في صحة الخلايا العصبية ، مثل مرض هنتنغتون. تقوم مجموعة أخرى من الجينات قيد التحقيق بتشفير عوامل النسخ: البروتينات التي تنظم التعبير عن جينات معينة. يمكن أن يمنحنا تحديد أهداف الحمض النووي لعوامل النسخ الخاصة بالجهاز العصبي رؤية أفضل للبرنامج الجيني الذي يجعلنا نفكر. بدلا من ذلك ، قد يسأل علماء الأعصاب كيف تنظم الجزيئات السلوك العصبي. على سبيل المثال ، قد يدرسون الآلية الجزيئية التي تنظم حركات الأيونات عبر غشاء الخلية ، مما يؤدي إلى انتشار إمكانات الفعل. لقد أعطتنا الأبحاث هنا مخدرا مثل الليدوكائين ، الذي يمنع قنوات أيونية معينة ويوقف انتقال إشارات الألم إلى الدماغ. بدلا من ذلك ، قد يفحص العلماء مواقع التفاعل بين الخلايا العصبية ، والمعروفة باسم المشبك العصبي. هنا ، قد يسألون عن الجزيئات التي تشارك في الحفاظ على سلامة المشبك ، وكيف يمكن استعادة هذه الروابط في حالات المرض. اللدونة العصبية هي قدرة الجهاز العصبي على التكيف كيميائيا وجسديا استجابة للتجربة.? تركز بعض الأبحاث في هذا المجال على التغيرات المورفولوجية المعتمدة على الخبرة في الهياكل العصبية المتقنة ، والمعروفة باسم العرش المتغصنة ، والتي تشكل نقاط الاشتباك العصبي عبر هياكل ديناميكية للغاية يشار إليها باسم العمود الفقري المتغصن. يهتم آخرون بكيفية تعديل التجربة لتوزيع مستقبلات الناقل العصبي على الأغشية المتشابكة ، والتي يمكن أن تعزز قوة إشارات المشبك في ظاهرة تعرف باسم التقوية طويلة الأجل ، أو LTP. كما ترون ، يتعامل علماء الأعصاب الخلوي والجزيئي مع علم الأعصاب من وجهة نظر مجهرية ، لكن نطاق العمليات التي يدرسونها واسع. الآن بعد أن أصبحت على دراية ببعض الأسئلة المثيرة التي يتم طرحها في مختبرات علم الأعصاب الخلوي والجزيئي ، دعنا نلقي نظرة على الأدوات المتاحة للإجابة عليها. أولا, للتحقيق في التحكم الجيني في وظيفة الخلايا العصبية, العلماء لديهم بعض التقنيات القوية جدا تحت تصرفهم.? على سبيل المثال ، يمكن للمصفوفات الدقيقة تحديد التعبير عن عدد كبير من الجينات في وقت واحد. المصفوفة الدقيقة عبارة عن سطح يحتوي على عشرات الآلاف من المقتطفات من مجسات الحمض النووي المفردة التي تقطعت بهم السبل. تعلق عليه. يسمح للمادة الوراثية المستخرجة من الخلايا العصبية بالارتباط بالمجسات ، وتستخدم علامات الفلورسنت لتصور التسلسلات الموجودة في العينة بدقة. بدلا من ذلك ، يستخدم تفاعل البوليميراز المتسلسل في الوقت الفعلي أو الكمي معدات يمكنها قياس الكمية النسبية لنصوص mRNA المحددة بشكل غير مباشر عبر طريقة قائمة على تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR). هذا النهج مفيد للغاية للكشف عن مستويات التعبير عن الجينات الفردية. أخيرا وليس آخرا ، تعد التكنولوجيا المعدلة وراثيا أداة مهمة للتحقيق في وظيفة الجينات في الجهاز العصبي. بهذه الطريقة ، يمكن للباحثين إنتاج تمت إزالة أجزاء من جينوماتها ، والمعروفة باسم الضربة القاضية ، أو مع الجينات المعدلة التي يتم إدخالها في شفرتها الجينية ، والمعروفة باسم الجينات المعدلة وراثيا. يمكن تحليل أنسجة الجهاز العصبي من هذه بعدة طرق لتحديد كيفية تأثير التغييرات في التعبير الجيني على الوظيفة الخلوية. لدراسة التحكم الجزيئي في الإشارات العصبية, الباحثين غالبا ما يفضلون دراسة أنسجة المخ خارج, إما في قطع الأنسجة الصغيرة أو في الخلايا المنفصلة المزروعة في المختبر تسمى الثقافات العصبية الأولية.? تتمثل إحدى ميزات هذا النظام المبسط في القدرة على التلاعب بكفاءة بالتعبير عن الجينات ذات الأهمية في الإشارات العصبية عن طريق التعدين. يمكن بعد ذلك ملاحظة نتائج هذه التلاعبات الجينية من خلال تصور توطين البروتين ، أو تحليل مورفولوجيا الخلية ، أو التسجيلات الفيزيولوجية الكهربية. أخيرا ، تسمح التطورات الهائلة في تكنولوجيا التصوير للعلماء بدراسة اللدونة العصبية بطرق جديدة ومثيرة. على سبيل المثال ، يمكن للباحثين استخدام الفحص المجهري ثنائي الفوتون لتصور الطبقات العميقة من الأنسجة الحية بتفصيل كبير. بعد إنشاء نافذة ؟ في الجمجمة ، يمكن استخدام هذه التقنية لتصوير مورفولوجيا خلايا الدماغ قبل وبعد خضوع لتجربة ، مما يسمح للباحثين بمعرفة شكل التعلم على المستوى العصبي. تستخدم أدوات التصوير أيضا لفحص المكونات الجزيئية للجهاز العصبي في الأنسجة المحفوظة. غالبا ما يستخدم المجهر الفلوري مع الكيمياء المناعية ، حيث يتم تلطيخ العينات بالأجسام المضادة الفلورية التي تميز التوطين الخلوي لبروتينات معينة. بعد مراجعة كل من الأسئلة المهمة والأدوات المستخدمة للإجابة عليها ، دعنا نلقي نظرة على بعض تطبيقات أبحاث علم الأعصاب الخلوي والجزيئي. أولا ، من خلال تطبيق تقنيات المصفوفات الدقيقة على مجموعة صغيرة من الخلايا العصبية ، يمكن للباحثين فحص الاختلافات في التعبير عن الجينات المختلفة في أنواع فرعية معينة من الخلايا العصبية. هنا ، تم عزل الخلايا العصبية المفردة من شبكية العين وتم استخراج الحمض النووي الريبي الخلوي ، مما سمح للباحثين بتحديد التعبير عن mRNAs من الخلايا ذات الخصائص الوظيفية والمورفولوجية المختلفة. يمكن أيضا تطبيق التقنيات الجزيئية لفهم استجابة الجهاز العصبي للإصابة بشكل أفضل. عندما تتم إزالة العقد الجذرية الظهرية ، أو DRGs ، من الفئران البالغة لزراعة الخلايا العصبية الأولية ، يتم قطع المحاور بالضرورة. من خلال نقل الخلايا العصبية DRG المنفصلة مع تركيبات إسكات الجينات ، من الممكن اختبار تأثير البروتينات الفردية على إعادة نمو المحاور الجديدة. يمكن استخدام تقنيات التصوير المتخصصة لدراسة كيفية نقل البروتينات مثل مستقبلات الناقل العصبي من وإلى الغشاء المشبكي. في هذه التجربة ، تم نقل الخلايا العصبية المستنبتة بجين يشفر بروتين غشاء مميز بالفلورسنت. باستخدام المجهر متحد البؤر ، تم بعد ذلك تبييض مناطق صغيرة من الغشاء ، مما يعني أنه تم تدمير الفلوروفورات في تلك المنطقة. مع مخطط التبييض المستخدم هنا ، يعكس الاسترداد التدريجي للتألق ، أو FRAP ، نقل بروتينات الفلورسنت الجديدة إلى غشاء البلازما. يمكن قياس معدل حدوث هذه الحركة ومقارنتها على العديد من الظروف التجريبية. لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE في علم الأعصاب الخلوي والجزيئي. ناقشنا في هذا الفيديو الاكتشافات التاريخية التي جعلت علم الأعصاب الخلوي والجزيئي هو المجال الذي هو عليه اليوم ، وبعض الأسئلة الرئيسية في هذا المجال ، والتقنيات المستخدمة للإجابة عليها. كما هو الحال دائما ، شكرا لمشاهدة JoVE Science Education!

Education

JoVE Science Education

Advanced Biology

الأحياء المتقدمة

Neuroscience

علم الأعصاب

how genes shape neurons and brain function

Cellular and molecular neuroscience studies how genes, signaling molecules, and cell shape influence neurons and the brain. It helps researchers understand normal brain development and function, as well as the causes of many diseases and disorders.

The field has grown quickly, and its history includes major milestones. The timeline in this video reaches from the discovery of DNA in 1953 to later breakthroughs such as the cloning of ion channels. These advances helped build the modern study of neurons at the cellular and molecular level.

The video also highlights key questions in the field. Scientists ask how genes affect neuron activity and how experience changes the nervous system. These questions connect brain function with both inherited information and environmental input.

Several common methods are introduced as well. Researchers use tools to study genetic material in neurons, change how genes are expressed, and view neurons and their parts. The video also shows how cellular and molecular approaches can profile groups of neurons and help explain what those cells do.

How Genes Shape Neurons and Brain Function

how-genes-shape-neurons-and-brain-function

an introduction to neurophysiology

Neurophysiology Methods and Brain Signals

Neurophysiology studies how the nervous system works by tracking electrical activity in neurons and in the brain. It looks at the central and peripheral nervous systems at many levels, including whole organs, cell networks, single cells, and even subcellular parts. This field helps explain how nerve signals support thought and how nervous system problems can be diagnosed and treated. The history of neurophysiology includes landmark studies that shaped the field. One early example is Galvani’s...

patch clamp electrophysiology

Measuring Ion Channel Activity with Patch Clamp

Patch clamp recording lets neuroscientists measure ion channel activity in neuron cell membranes. These channels control the movement of charge into and out of the cell, which helps regulate neuron firing. The technique uses a polished glass micropipette placed against a cell. Gentle suction forms a high-resistance seal and isolates a small patch of membrane that contains one or more ion channels. An electrode inside the micropipette then clamps the membrane’s electrical properties so...

calcium imaging in neurons

Visualizing Neuron Activity with Calcium Dyes

Calcium dyes let scientists visualize neuron activity by tracking calcium ions inside living cells. Calcium acts as an intracellular signal in neurons and can trigger changes in gene expression and the release of neurotransmitters from synaptic vesicles. Because calcium levels shift quickly, this imaging method shows how calcium signaling changes over time. The technique uses calcium indicator dyes, which are designed to respond to calcium concentration. The commonly used dye Fura-2 is...

an introduction to neuroanatomy

Neuroanatomy: Brain Structure and Function

Neuroanatomy studies the structures of the nervous system and how those structures connect to function. It looks at large features in the central and peripheral nervous systems, such as the folds on the surface of the brain. It also examines the smaller relationships between neurons and glia, the two main cell types in the nervous system. The field of neuroanatomy has a long history. Its roots go back to the 4th century BC, when philosophers first suggested that the soul may reside in the...

rodent stereotaxic surgery

Precise Brain Targeting with a Stereotaxic Frame

Stereotaxic surgery is a method used to target the brain of living animals with precision. Researchers use it to reach deep brain structures by following coordinates from a stereotaxic atlas. The atlas gives three-dimensional positions for each area based on landmarks on the skull. The procedure begins after the skull is exposed. The anesthetized animal is placed in a stereotaxic frame, a special device that holds the head steady. This setup lets scientists position tools at the exact...

histological staining of neural tissue

Brain Stains for Neural Tissue Analysis

Brain stains are used to make neural tissue easier to study under the microscope. Histological staining helps researchers examine the cellular, structural, and molecular layout of tissues and organs. For neural tissue, the method begins with preservation by chemical fixatives and then cuts the sample into very thin slices. Stains are added afterward to create contrast in tissue sections that would otherwise look visually uniform. The page highlights common stains used in neuroanatomy. Nissl...

an introduction to behavioral neuroscience

an-introduction-to-behavioral-neuroscience

Behavior, Brain, and Neuroscience Methods

Behavioral neuroscience studies how the nervous system shapes behavior and how brain regions and networks relate to specific behaviors and disease states. It looks at neural correlates, which are brain areas whose activity is linked to a function. The field also uses many kinds of experiments to connect brain activity with behavior. The topic begins with key milestones that helped scientists understand how the brain controls behavior. It then turns to the main questions behavioral...

the morris water maze

Morris Water Maze Memory Test

The Morris water maze is a behavioral test used to study spatial learning and memory in rodents. In this task, the animal swims in a pool and looks for a platform that lets it escape the water. Later, the platform is hidden below the water surface, so the rodent must remember where it was to find it again. This maze is a simple but powerful way to measure cognitive function. Researchers use it to study animal models of neurodegenerative disease and to test possible drug therapies. It can also...

fmri: functional magnetic resonance imaging

fmri-functional-magnetic-resonance-imaging

How fMRI Maps Brain Activity

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) maps brain activity by tracking changes in blood flow during a task. It is a non-invasive neuroimaging method used to study human brain function and cognition in both healthy people and people with abnormal brain states. fMRI works through the magnetic resonance signal and the blood oxygen level dependent, or BOLD, effect. Hemoglobin has different magnetic properties depending on whether it is carrying oxygen. When a person performs a task,...

an introduction to cellular and molecular neuroscience

Cellular and molecular neuroscience studies how genes, signaling molecules, and cell shape influence neurons and the brain. It helps researchers understand normal brain development and function, as well as the causes of many diseases and disorders. The field has grown quickly, and its history includes major milestones. The timeline in this video reaches from the discovery of DNA in 1953 to later breakthroughs such as the cloning of ion channels. These advances helped build the modern study of...

primary neuronal cultures

Growing Neurons in a Lab Dish

Growing neurons in a lab dish gives scientists a simpler way to study the brain. A primary culture is made by taking nervous system tissue, breaking it into single cells, and growing those cells in vitro, or outside the body in a controlled dish. This setup makes neurons and glia, the support cells of the nervous system, easier to reach with research tools. It also creates a controlled environment for studying cell-cell interactions and for using methods such as genetic manipulation and...

neuronal transfection methods

How Neurons Are Genetically Modified

Neurons can be genetically modified by transfection, a process that transfers genetic material into cells. Scientists use this approach to quickly change gene expression in neurons. It can silence a specific protein or drive cells to make a foreign or modified protein. Mature neurons are difficult to transfect because of their cell properties. For that reason, special methods are needed for genetic manipulation in this cell type. The video explains the principles behind these approaches and...

explant culture of neural tissue

Culturing Embryonic Brain Tissue

Embryonic brain tissue can be grown in culture to help scientists study how the nervous system develops. This approach lets researchers follow cell differentiation, cell migration, and changes in cell shape while the tissue stays in an organotypic state. Organotypic means the tissue is removed from the body, but its normal cellular structure is kept. Neural tissue is hard to work with in embryonic mammals because it is not easy to access for experiments. Explant culture helps solve this...

murine in utero electroporation

Targeting Neural Genes in Mouse Embryos

In utero electroporation is a method for delivering genetic material into mouse embryos while they are still developing in the uterus. It uses brief electrical pulses to open temporary pores in cell membranes. This lets researchers place material into cells in a targeted way and study neural development. The technique helps scientists follow key steps in brain formation, including cell proliferation, differentiation, migration, and maturation. It also extends electroporation beyond traditional...

an introduction to developmental neurobiology

an-introduction-to-developmental-neurobiology

How Neural Cells Develop and Connect

Developmental neuroscience studies how the nervous system forms, from early embryonic stages through adulthood. It follows neural progenitor cells, which are early cells that can give rise to nervous system tissue, as they move through proliferation, differentiation, migration, and maturation. The steps are known, but the mechanisms that control progress through each stage are still not fully understood. This field helps explain how complex nervous system structures are built. It also supports...

neuroscience

This collection provides an introduction to the field of neuroscience, exploring five major branches of study: neurophysiology; neuroanatomy; cell and molecular neuroscience; behavioral neuroscience; and developmental neuroscience.

Explore how genes, signaling molecules, and cell structure affect neurons, brain development, and disease. Learn key methods and milestones in cellular neuroscience.

How Genes Shape Neurons and Brain Function | JoVE K12

HS-LS1-2.

HS-LS1-3.

matter-and-energy-in-organisms-and-ecosystems

Matter and Energy in Organisms and Ecosystems

HS-LS1-6.

Inheritance and Variation of Traits

HS-LS3-1.

Overview

The History of Molecular Neuroscience

Key Questions

Prominent Methods

Applications

Summary

Characteristics of Life

Biology is a natural science that studies life and living organisms, including their structure, function, development, interactions, evolution, ...

https://cloudfront.jove.com/files/media/science-education/science-education-thumbs/10647.jpg

Cell Structure

Background
Cells represent the most basic biological units of all organisms, whether it be simple, single-celled organisms like bacteria, or large, ...

Visualizing Onion and Cheek Cells
ExpandImmediately before the experiment, wash and peel onion bulbs for the class.
Remove the entire brown outer skin and ...

Visualizing Onion and Human Cells
ExpandIn this experiment you will prepare different types of cells from a plant and animal, onion and human ...

What are Cells?

Cell Diversity

The concept of a cell started with microscopic observations of dead cork tissue by Robert Hooke in 1665. Hooke coined the term &#34;cell&#34; based on the ...

Cytoplasm

The cytoplasm consists of organelles and a framework of protein scaffolds called the cytoskeleton suspended in an aqueous solution, the cytosol. The ...

The Nucleus

The nucleus is a membrane-bound organelle that acts as a control center in a eukaryotic cell. It contains chromosomal DNA, which controls gene expression ...

The Central Dogma

The DNA Helix

Nucleic Acids

DNA as a Genetic Template

Structure of a Gene

A gene is the fundamental unit of heredity. Every individual has two copies of each gene, one inherited from each parent. Although most people contain the ...

Chromosome Structure

Base-pairing and DNA Repair

What is Gene Expression?

A gene is a stretch of DNA that serves as the blueprint for functional RNAs and proteins. Since DNA is comprised&#160; of nucleotides and proteins are ...

RNA Structure

The basic structure of RNA consists of a string of ribonucleotides attached by phosphodiester bonds. Although most RNA is single-stranded, it can form ...

Types of RNA

Three main types of RNA are involved in protein synthesis: messenger RNA (mRNA), transfer RNA (tRNA), and ribosomal RNA (rRNA). These RNAs perform diverse ...

Transcription

Transcription is the synthesis of RNA from a DNA sequence by RNA polymerase. It is the first step in producing a protein from a gene sequence. ...

Translation

Translation is the process of synthesizing proteins from the genetic information carried by messenger RNA (mRNA). Following transcription, it constitutes ...

Ribosomes

Ribosomes translate genetic information encoded by messenger RNA (mRNA) into proteins. Both prokaryotic and eukaryotic cells have ribosomes. Cells that ...

Protein and Protein Structures

Proteins: From Genes to Degradation

From DNA to Protein

The flow of genetic information in cells from DNA to mRNA to protein is described by the central dogma, which states that genes specify the sequence of ...

Protein Folding

Proteins are chains of amino acids linked together by peptide bonds. Upon synthesis, a protein folds into a three-dimensional conformation, critical to ...

An Overview of Gene Expression

Gene expression is the complex process where a cell uses its genetic information to make functional products. This process is regulated at multiple ...

an-introduction-to-caenorhabditis-elegans

An Introduction to Caenorhabditis elegans

Caenorhabditis elegans is a microscopic, soil-dwelling roundworm that has been powerfully used as a model organism since the early 1970&rsquo;s.  It was ...

An Overview of Genetic Analysis

An organism&#8217;s physical traits, or phenotype, are a product of its genotype, which is the combination of alleles (gene variants) inherited from its ...

An Introduction to Cell Death

Necrosis, apoptosis, and autophagic cell death are all manners in which cells can die, and these mechanisms can be induced by different stimuli, such as ...

An Overview of Genetic Engineering

Genetic engineering &#8211; the process of purposefully altering an organism&#8217;s DNA &#8211; has been used to create powerful research tools and model ...

An Introduction to Cell Division

Cell division is the process by which a parent cell divides and gives rise to two or more daughter cells. It is a means of reproduction for single-cell ...

An Overview of Genetics and Disease

Many human diseases are associated with mutations or variations in genetic sequences. Some of these genetic variants are heritable, passed down from ...

Annexin V and Propidium Iodide Labeling

Staining with annexin V and propidium iodide (PI) provides researchers with a way to identify different types of cell death&#8212;either necrosis or ...

an-introduction-to-developmental-genetics

An Introduction to Developmental Genetics

Development is the complex process through which a single-celled embryo transforms into a multicellular organism. Developmental processes are guided by ...

Bacterial Transformation: Electroporation

The term &#x201C;transformation&#x201D; refers cellular ingestion of foreign DNA.  In nature, transformation can occur in certain types of bacteria.  In ...

an-introduction-to-molecular-developmental-biology

An Introduction to Molecular Developmental Biology

Molecular signals play a major role in the complex processes occurring during embryonic development. These signals regulate activities such as cell ...

bacterial-transformation-the-heat-shock-method

Bacterial Transformation: The Heat Shock Method

Transformation is the process that occurs when a cell ingests foreign DNA from its surroundings. Transformation can occur in nature in certain types of ...

an-introduction-to-saccharomyces-cerevisiae

An Introduction to Saccharomyces cerevisiae

Saccharomyces cerevisiae (commonly known as baker&rsquo;s yeast) is a single-celled eukaryote that is frequently used in scientific research.  S. ...

Cell Cycle Analysis

Cell cycle refers to the set of events through which a cell grows, replicates its genome, and ultimately divides into two daughter cells through the ...

An Introduction to Transfection

Transfection is the process of inserting genetic material, such as DNA and double stranded RNA, into mammalian cells. The insertion of DNA into a cell ...

Chromatin Immunoprecipitation

Histones are proteins that help organize DNA in eukaryotic nuclei by serving as &#8220;scaffolds&#8221; around which DNA can be wrapped, forming a complex ...

An Overview of Epigenetics

Since the early days of genetics research, scientists have noted certain heritable phenotypic differences that are not due to differences in the ...

community-dna-extraction-from-bacterial-colonies

Community DNA Extraction from Bacterial Colonies

Source: Laboratories of Dr. Ian Pepper and Dr. Charles Gerba - The University of Arizona
Demonstrating Author: Luisa Ikner
Traditional methods of analysis ...

Cytogenetics

Cytogenetics is the field of study devoted to chromosomes, and involves the direct observation of a cell&#8217;s chromosomal number and structure, ...

embryonic-stem-cell-culture-and-differentiation

Embryonic Stem Cell Culture and Differentiation

Culturing embryonic stem (ES) cells requires conditions that maintain these cells in an undifferentiated state to preserve their capacity for self-renewal ...

DNA Gel Electrophoresis

DNA gel electrophoresis is a technique used for the detection and separation of DNA molecules. An electric field is applied to a gel matrix comprised of ...

Enzyme Assays and Kinetics

Enzyme kinetics describes the catalytic effects of enzymes, which are biomolecules that facilitate chemical reactions necessary for living organisms. ...

DNA Ligation Reactions

In molecular biology, ligation refers to the joining of two DNA fragments through the formation of a phosphodiester bond.  An enzyme known as a ligase ...

explant-culture-for-developmental-studies

Explant Culture for Developmental Studies

Explant culture is a technique in which living cells or tissues are removed from an embryo for continued development outside of the organism. This ex vivo ...

DNA Methylation Analysis

Methylation at CpG dinucleotides is a chemical modification of DNA hypothesized to play important roles in regulating gene expression. In particular, the ...

Expression Profiling with Microarrays

Microarrays are important tools for profiling gene expression, and are based on complementary binding between probes that are attached to glass chips and ...

Density Gradient Ultracentrifugation

Density gradient ultracentrifugation is a common technique used to isolate and purify biomolecules and cell structures. This technique exploits the fact ...

F&#246;rster Resonance Energy Transfer (FRET)

F&#246;rster resonance energy transfer (FRET) is a phenomenon used to investigate close-range biochemical interactions. In FRET, a donor photoluminescent ...

detecting-environmental-microorganisms-with-polymerase-chain-reaction

Detecting Environmental Microorganisms with the Polymerase Chain Reaction and Gel Electrophoresis

Source: Laboratories of Dr. Ian Pepper and Dr. Charles Gerba - Arizona University
Demonstrating Author: Bradley Schmitz
Polymerase chain reaction (PCR) is ...

Gel Purification

Gel purification is used to recover DNA fragments after electrophoretic separation. DNA recovery from an agarose gel includes three basic steps: binding, ...

Detecting Reactive Oxygen Species

Reactive oxygen species are chemically active, oxygen-derived molecules capable of oxidizing other molecules. Because of their reactive nature, there are ...

Gene Silencing with Morpholinos

Morpholino-mediated gene silencing is a common technique used to study roles of specific genes during development. Morpholinos inhibit gene expression by ...

Construct an explanation based on evidence for how the structure of DNA determines the structure of proteins which carry out the essential functions of life through systems of specialized cells.

How Genes Shape Neurons and Brain Function

Description

Transcript

More videos by Standards