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Advanced Biology

Eine Einführung in die Neuroanatomie

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Neuroscience

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An Introduction to Neuroanatomy

1.3: Calcium Imaging in Neurons

1.5: Rodent Stereotaxic Surgery

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10:15 min

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April 30, 2023

Overview

Die Neuroanatomie ist das Studium der Strukturen des Nervensystems und wie sie zur Funktion beitragen. Ein Schwerpunkt der Neuroanatomen sind die makroskopischen Strukturen innerhalb des zentralen und peripheren Nervensystems, wie die kortikalen Falten auf der Oberfläche des Gehirns. Allerdings sind die Wissenschaftler in diesem Bereich auch an den mikroskopischen Beziehungen zwischen Neuronen und Gliazellen interessiert – die beiden wichtigsten Zelltypen des Nervensystems.

Dieses Video gibt einen kurzen Überblick über die Geschichte der neuroanatomischen Forschung die bis zum 4. Jahrhundert vor Christus zurückreicht, als die Philosophen zunächst vorgeschlagen haben, dass sich die Seele im Gehirn befindet anstatt im Herzen. Die Schlüsselfragen, die von Neuroanatomen gefragt werden, werden ebenfalls überprüft, darunter Themen wie die Funktion der Zytoarchitektur oder die Anordnung der Neuronen und Gliazellen bei der Gehirnfunktion mitspielen; und das neuroanatomische Veränderungen eine Folge von Erfahrungen oder Krankheiten sind. Als nächstes werden einige der verfügbaren Verfahren beschrieben, um diese Fragen zu beantworten wie die Histologie und die Magnetresonanztomographie. Schließlich zeigt das Video mehrere Anwendungen der neuroanatomischen Forschung und zeigt wie der Bereich in den heutigen neurowissenschaftlichen Laboren weiterlebt.

Procedure

Durch das Studium der Neuroanatomie versuchen Wissenschaftler eine Karte zu erstellen, um das komplexe System das unser Verhalten steuert zu navigieren. Auf mikroskopischer Ebene untersuchen Neuroanatomen den Zusammenhang zwischen signalgebenden Zellen, bekannt als Neuronen; Versorgungszellen, bekannt als Gliazellen und die extrazelluläre Matrix-Struktur, die die Zellen unterstützt. Aus einer weiteren Ansicht, auf Organebene, untersucht die Neuroanatomie die Gehirnstrukturen und die Nervenbahnen.

Dieses Video gibt einen Überblick über die neuroanatomische Forschung mit der Einführung in die Geschichte dieses Bereiches, Schlüsselfragen, die von den Neuroanatomen gefragt werden und die verfügbaren Instrumente, um diese Fragen zu beantworten, gefolgt von einem Überblick über einige besondere Experimente in der Neuroanatomie.

Nun wollen wir die Geschichte dieses Teilgebietes der Neurowissenschaften besprechen. Die Wurzeln der neuroanatomischen Forschung lassen sich bis ins 4. Jahrhundert vor Christus zurückverfolgen als Hippokrates vermutete, dass sich die geistige Aktivität im Gehirn anstatt des Herzens befindet.

Aber es war nicht bis zum Ende des 15. Jahrhunderts, als Papst Sixtus IV die menschliche Sezierung vom Sigma befreite, als das Studium der Neuroanatomie wiederbelebt wurde, widergespiegelt durch die Veröffentlichung von Andreas Vesalius im Jahre 1543 “Über die Funktionsweise des menschlichen Körpers”, die eine detaillierte Darstellung der Anatomie des Gehirns beinhaltete.

In Erweiterung zu dieser Arbeit veröffentlichte Thomas Willis im Jahre 1664 die “Anatomie des Gehirns” in der er mehrere neue neurologische Strukturen vorstellte und auf ihre Funktion spekulierte. Dieses Werk wird heute als Grundlage der modernen Neuroanatomie betrachtet.

Am Ende des 16. Jahrhunderts hat die Erfindung des Mikroskops eine zweite Revolution in der neuroanatomischen Forschung angeregt. Im Anschluss an diesen technologischen Durchbruch erfand Camillo Golgi im Jahre 1873 eine Färbetechnik um einzelne Nervenzellen unter dem Mikroskop sichtbar zu machen.

Dank dieser Innovationen im Jahre 1888 formulierte Santiago Ramon y Cajal die Neuronen-Doktrin: Der Gedanke ist, das Neuron die anatomische und funktionelle Einheit des Gehirns ist.

Zurück auf der makroskopischen Ebene veröffentlichte Korbinian Brodmann im Jahr 1909 eine Reihe von Gehirnkarten in der er die Großhirnrinde in 52 verschiedene Bereiche unterteilte die als “Brodmann-Areale” bezeichnet werden. Diese Karten basierten auf seiner Beobachtung, dass die verschiedenen kortikalen Areale eine unterschiedliche Zytoarchitektur haben.

Später im Jahr 1957 erstellten Wilder Penfield und Theodore Rasmussen den kortikalen Homunkulus: Eine detailliertere Karte eines ausgewählten Brodmann Bereiches, der die Regionen der spezifischen motorischen und sensorischen Funktionen zeigt.

Aufbauend auf diese eindrucksvollen historischen Studien der Struktur des Nervensystems auf mikroskopischer und makroskopischer Ebene, Fragen die heutigen Neuroanatomen, wie sich die Struktur auf die Funktion bezieht. Zunächst haben sich einige Forscher besonders auf die Zytoarchitektur oder die Anordnung der Neuronen und Glia konzentriert. Zum Beispiel ist es hilfreich um bestimmte Zellkerne oder Nervenzellverbände im Gehirn zu untersuchen, die neuronalen Subtypen

die dort gefunden werden und die Verbindungen die Zellen mit anderen Hirnregionen herstellen zu charakterisieren.

Da die Zytoarchitektur dynamisch ist, konzentriert sich eine weitere Schlüsselfrage auf den Bereich, wie und warum neuroanatomische Veränderungen stattfinden.

Beispielsweise wird Lernen und das Gedächtnis mit “Neuroplastizität” oder mit Veränderungen in den Nervenbahnen assoziiert, wie zum Beispiel die Änderungen in den Strukturkontaktpunkten zwischen den Nervenzellen. Kleine Vorsprünge, dendritische Dornen genannt, können sich dynamisch in der Größe, Form und Anzahl abhängig von der Tätigkeit ändern.

Das Verständnis der Struktur des Nervensystems ist auch entscheidend zur Aufklärung ihrer Dysfunktion.

Zum Beispiel sind lähmende neurodegenerative Erkrankungen mit charakteristischen neuroanatomischen Veränderungen verbunden wie die Degeneration der dopaminergen Neuronen die bei der Parkinson-Krankheit beobachtet wird.

Nachdem wir die wichtigsten Fragen, die von Neuroanatomen gefragt werden, diskutiert haben, wollen wir die Hilfsmittel besprechen, die Wissenschaftler nutzen, um Antworten zu finden.

Erstens, Histologie, oder die Analyse von gefärbten Gewebeschnitten ist eine wesentliche Technik zur Untersuchung der Zytoarchitektur.

Neuroanatomen haben eine Reihe von Färbungen zur Verfügung um bestimmte Strukturen im Nervensystem zu visualisieren.

Die Histochemie ist ein Teilgebiet der Histologie auf der Grundlage der Lokalisierung und Identifizierung von chemischen Komponenten. Eine besonders wertvolle Anwendung der Histochemie ist die Detektion von Tracern: Moleküle, die in Neuronen eingeführt werden, um ihre Verbindungen innerhalb des Nervensystems zu visualisieren.

Wie wir bereits erwähnt haben hat die Einführung des Mikroskops die Möglichkeit wie die Neuroanatomie untersucht wurde, revolutioniert. Das Lichtmikroskop ermöglicht histologisch gefärbtes Nervengewebe bis zu tausend Mal seiner ursprünglichen Größe abzubilden und dabei die Zytoarchitektur deutlich zu machen. Das Fluoreszenzlichtmikroskop erlaubt es immuno-gelabelte Proteine in Gewebeschnitten oder im Kulturmedium abzubilden und ermöglicht Kolokalisationsstudien, die Bestimmen, ob zwei Proteine in einem einzelnen Neuron in der Nähe voneinander sind.

Die Konfokalmikroskopie ist ein verbessertes Verfahren der Fluoreszenzmikroskopie, das optische Schnitte des neuronalen Gewebes ermöglicht und kann daher verwendet werden, um 3D-Rekonstruktionen der Neuronen zu erzeugen, so dass ihre Morphologie oder Form untersucht werden kann.

Die 2-Photonen-Mikroskopie ist eine andere Art der Fluoreszenzmikroskopie, die tief in das Gewebe eindringen kann und sie wird oft für Live-Imaging des Gehirns in lebenden Tieren verwendet.

Jedoch kann kein Photon wie ein Elektron durchdringen, deswegen ist die Elektronenmikroskopie von unschätzbarem Wert für die Bereitstellung von Subnanometer Auflösungen von neuronalen Strukturen. Insbesondere wurde die Synapse im kleinsten Detail mit der Transmissionselektronenmikroskopie veranschaulicht. Darüber hinaus kann durch kompilieren der Serienschnitte der erhaltenen Bildern mit Elektronenmikroskopie über 3D-Rekonstruktionen das neuronale “Volumen” über ein Verfahren, bekannt als Tomographie, erzeugt werden.

Um Änderungen in neuroanatomischen Strukturen im Zeitablauf zu überwachen ist Neuroimaging ein äußerst nützliches Hilfsmittel. Die Magnetresonanztomographie oder MRT, wird weitgehend verwendet, um das Gehirn in Menschen zu untersuchen. Diese Technik liefert ein Bild des gesamten Gehirns, bis zu einer Auflösung von 1 mm. Die MRT kann zur Untersuchung der weißen Substanz durch Traktographie verwendet werden. Mit dieser Technik visualisieren Neuroanatomen Bündel von Axonen, enthüllen Verbindungen dazwischen und innerhalb der Gehirnbereiche.

Um die Korrelate zwischen Neuroanatomie und Krankheitszustände zu beurteilen, nutzen Wissenschaftler häufig chirurgische Techniken, die in Tiermodellen angewandt werden. Die stereotaktische Operation verwendet ein 3-dimensionales Koordinatensystem und detaillierte anatomische Atlanten, die den Forschern eine physische Manipulation isolierter anatomischer Bereiche ermöglicht. Mit einer stereotaktischen Vorrichtung und den entsprechenden anatomischen Informationen, ist es möglich, elektrische Impulse, Medikamenten oder anderen Substanzen einzuführen oder Läsionen in gezielten Bereichen des Gehirns zu erstellen.

Als nächstes wollen wir einige Anwendungen dieser Methoden besprechen. Detaillierte Informationen zu der Gehirnstruktur kann durch die Analyse von konservierten Gehirnen, die in dünne Querschnitte geschnitten wurden, erhalten werden. Um verschiedene strukturelle Merkmale zu markieren, wurden diese Schnitte des Primatengehirns gefärbt, um die Expression von drei Proteinen im gesamten Gehirn zu zeigen. Die gefärbten Schnitte können auch bei hoher Vergrößerung untersucht werden, so dass die Forscher Strukturen auf zellulärer Ebene visualisieren können.

Die Erfahrungswerte können die neuronale Struktur auf der Zellebene ändern. In diesem Experiment wurden junge Ratten während der Entwicklung taktilen Reizen ausgesetzt. Als sie das Erwachsenenalter erreicht haben, wurden Gehirnproben gesammelt und gefärbt, um die Zellmorphologie zu visualisieren. Die erhaltenen Bilder zeigen Veränderungen in der Form und der Anzahl von Dendriten, was auf eine veränderte neuronale Konnektivität hindeutet.

Die Neuroanatomie ist entscheidend im klinischen Umfeld da sie zur Diagnose und Therapie von neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen beiträgt. Beispielsweise werden Änderungen in der Zytoarchitektur eng mit bestimmten Krankheitszuständen verbunden. Strukturelle Neuroimaging Verfahren werden häufig mit dem funktionellen Imaging kombiniert, um die Aktivität von spezifischen Gehirnregionen in normalen und Krankheitszuständen zu vergleichen. Zum Beispiel zeigen Patienten die an einer Gehirnerschütterung leiden Veränderungen im Nervenaktivitätsmuster die mit ihrer Besserung der Verletzung korrelieren.

Das war die JoVE Einführung in die Neuroanatomie. In diesem Video haben wir die Geschichte der neuroanatomischen Forschung nachvollzogen und wichtige Fragen, die von Neuroanatomen gefragt werden, besprochen. Wir haben auch Forschungsstrategien auf mikroskopischer und makroskopischer Ebene erkundet und ihre Anwendungen diskutiert.

Danke für das Aufpassen!

Transcript

Through the study of neuroanatomy, scientists attempt to draw a map to navigate the complex system that controls our behavior. On the microscopic level, neuroanatomists investigate the relationships between signaling cells, known as neurons; maintenance cells, known as glia; and the extracellular matrix structure that support them. From a broader view, at the organ level, neuroanatomy examines brain structures and nerve pathways.

This video will provide an overview of neuroanatomical research by introducing the history of the field, key questions asked by neuroanatomists, and the tools available to answer those questions, followed by a review of some specific experiments investigating neuroanatomy.

Let’s begin by reviewing the history of this branch of neuroscience. The roots of neuroanatomical research can be traced back to the 4th century BC, when Hippocrates hypothesized that mental activity resides in the brain, rather than the heart.

But it was not until the end of the 15th century, when Pope Sixtus IV destigmatized human dissection, that the study of neuroanatomy was revitalized, as reflected by the publication in 1543 of Andreas Vesalius’s “On the Workings of the Human Body,” which included a detailed account of brain anatomy.

Expanding on this work, in 1664, Thomas Willis published the “Anatomy of the Brain”, in which he introduced several novel neurological structures and speculated on their function. This work is now considered to be the foundation of modern neuroanatomy.

At the end of the 16th century, the invention of the microscope spurred a second revolution in neuroanatomical research. Following on this technological breakthrough, in 1873, Camillo Golgi invented a staining technique to visualize single neurons under the microscope.

Thanks to these innovations, in 1888, Santiago Ramón y Cajal formulated the Neuron Doctrine: the idea that the anatomical and functional unit of the brain is the neuron.

Back at the macroscopic level, in 1909, Korbinian Brodmann published a series of brain maps, where he divided the cerebral cortex into 52 distinct areas, termed “Brodmann’s areas.” These maps were based on his observation that various cortical areas have different cytoarchitecture.

Later, in 1957, Wilder Penfield and Theodore Rasmussen generated the cortical homunculus: A more detailed map of a select Brodmann areas showing the regions controlling specific motor and sensory functions.

Building upon these impressive historical studies of nervous system structure at the microscopic and macroscopic levels, today’s neuroanatomists ask questions concerning how structure relates to function. To begin, some researchers focus specifically on cytoarchitecture, or the arrangement of neurons and glia. For example, to investigate specific nuclei, or neuron clusters in the brain, it is helpful to characterize the neuronal subtypes found there and the connections those cells make with other brain regions.

Given that cytoarchitecture is dynamic, another key question in this field focuses on how and why neuroanatomical changes take place.

For example, learning and memory are associated with “neuroplasticity,” or changes in neural pathways, like alterations in the structural contact points between neurons. Small protrusions, called dendritic spines, can dynamically change in size, shape, and number in an activity-dependent manner.

Understanding the structure of the nervous system is also pivotal to explaining its dysfunction.

For instance, debilitating neurodegenerative diseases are associated with characteristic neuroanatomical changes, such as the degeneration of dopaminergic neurons observed in Parkinson’s disease.

Having discussed the key questions that neuroanatomists ask, let’s review the tools these scientists use to find answers.

First, histology, or the analysis of stained tissue slices, is an essential technique for studying cytoarchitecture.

Neuroanatomists have a number of stains at their disposal to visualize specific structures in the nervous system.

Histochemistry is a branch of histology based on the localization and identification of chemical components. One particularly valuable application of histochemistry is the detection of tracers: Molecules that are introduced into neurons to visualize their connections within the nervous system.

As we mentioned previously, the advent of the microscope revolutionized the way that neuroanatomy was studied. The light microscope enables histologically-stained neuronal tissue to be imaged at up to a thousand times its original size, thereby revealing cytoarchitecture. The fluorescence light microscope allows for immunolabeled proteins to be imaged in tissue sections, or in culture, and permits colocalization studies, which involve determining whether or not two proteins are in close proximity within a single neuron.

Confocal imaging is an improved method of fluorescence microscopy that permits the optical sectioning of neuronal tissue and can therefore be used to generate 3D reconstructions of neurons so their morphology, or shape, can be studied.

2-photon imaging is another type of fluorescence imaging, which can penetrate deeply into tissue and is often used for live imaging of the brain in behaving animals.

However, no photon can penetrate quite like an electron, so electron microscopy has been invaluable for providing subnanometer resolution of neuronal structures. In particular, the synapse has been visualized in exquisite detail using transmission electron microscopy. Furthermore, by compiling the images obtained from serial sections visualized with electron microscopy, 3D reconstructions of neuronal “volumes” can be generated via a process known as tomography.

To monitor changes in neuroanatomical structures over time, neuroimaging is an extremely useful tool. Magnetic resonance imaging, or MRI, is extensively used to investigate the brain in humans. This technique provides a picture of the brain as a whole, down to a 1 mm resolution. MRI can be used to investigate white matter through tractography. With this technique, neuroanatomists visualize bundles of axons, revealing connections between, and within, brain areas.

In order to assess the correlates between neuroanatomy and disease states, scientists frequently make use of surgical techniques applied to animal models. Stereotactic surgery uses a 3-dimensional coordinate system and detailed anatomical atlases to allow researchers to physically manipulate isolated anatomical areas. With a stereotactic apparatus and the appropriate anatomical information, it is possible to deliver electrical stimulation, introduce drugs or other substances, or create lesions in targeted regions of the brain.

Next, let’s review some applications of these methods. Detailed information about brain structure can be obtained through analysis of preserved brains that are thinly sliced into sections. To highlight distinct structural features, these sections of primate brain were stained to show the expression of three proteins throughout the entire brain. Stained sections can also be studied at high magnification, allowing researchers to visualize structure at the cellular level.

Experience can modify neuronal structure at the cellular level. In this experiment, young rats are exposed to tactile stimuli throughout development. When they reach adulthood, brain samples are collected and stained to visualize cell morphology. The resulting images reveal changes in the shape and number of dendrites, suggesting altered neuronal connectivity.

Neuroanatomy is pivotal in clinical settings, as it contributes to diagnosis and treatment of neurological and psychiatric diseases. For instance, changes in cytoarchitecture are tightly linked to certain disease states. Structural neuroimaging techniques are frequently combined with functional imaging to compare the activity of specific brain regions in normal and disease states. For instance, patients suffering from concussion exhibit changes in neural activity patterns, which correlate with their recovery from the injury.

You’ve just watched JoVE’s introduction to neuroanatomy. In this video, we retraced the history of neuroanatomy research, and introduced the key questions neuroanatomists ask. We have also explored research strategies at the microscopic and macroscopic levels, and discussed their applications.

Thanks for watching!