Die Entwicklungsneurowissenschaft ist ein Bereich der untersucht wie das Nervensystem von frühen embryonalen Stadien bis zum Erwachsenenalter gebildet wird. Obwohl bekannt ist, dass neurale Vorläuferzellen vorhersagbare Phasen der Proliferation, Differenzierung, Migration und Maturation eingehen, sind die Mechanismen, die den Ablauf durch jede Phase kontrollieren nicht vollständig verstanden. Die Untersuchung der Entwicklung ist nicht nur wichtig für das Verständnis wie komplexe Strukturen aufgebaut sind, sondern auch für die Charakterisierung und Behandlung von Entwicklungsstörungen. Da Reparaturprozesse von Verletzungen ähnlich zu denen sind, die in der Entwicklung auftreten, ist dieser Bereich auch eine vielversprechende Quelle für Einblicke wann und wie sich das Gewebe des Nervensystems regeneriert.
Dieses Video gibt einen kurzen Überblick über den Bereich der Entwicklungsneurowissenschaft, darunter auch einige Schlüsselexperimente, die unser Verständnis der Mechanismen, die die Bildung von frühem Nervengewebe und die weitere Spezialisierung der Zellen in die einzelnen Untergruppen von Neuronen kontrollieren, erweitert haben. Die Diskussion konzentriert sich auf bedeutende Fragen, die Entwicklungsbiologen stellen und danach werden einige der Methoden, die sie verwenden um diese Fragen zu untersuchen, vorgeführt. Schließlich werden Anwendungen der Techniken vorgestellt um einen Einblick zu bekommen, was es bedeutet ein heutiger Entwicklungsneurowissenschaftler zu sein. Die Auswahl der gezeigten Experimente umfassen die Genmanipulation von intakten embryonalen Gehirnen, gezielte Differenzierung von Stammzellen zu Zellen des Nervensystems und Färbetechniken, die die Quantifizierung von spezifischen Entwicklungsereignisse ermöglichen, wie die Bildung von neuen Verbindungen zwischen Neuronen.
Die Entwicklungsneurobiologie untersucht wie sich einige frühe embryonale Zellen in ein komplexes organisiertes Nervensystem, die einen ganzen Organismus steuern, verwandeln.
Die Wissenschaftler in diesem Gebiet sind daran interessiert wie Zellen spezifische Identitäten übernehmen, in definierte Regionen wandern und sich verbinden, um ein funktionelles System zu bilden. Diese Prozesse sind wichtig für das Verständnis wie das Nervensystem funktioniert sowie für die Diagnose und Behandlung einer breiten Palette von neurologischen Erkrankungen, die in der abnormalen Entwicklung verwurzelt sind.
Dieses Video zeigt einen Streifzug durch die Geschichte der Entwicklungsneurobiologie, behandelt die Schlüsselfragen in diesem Bereich und erkundet bedeutende Methoden, die verwendet werden, um diese Fragen zu beantworten. Schließlich werfen wir einen Blick auf einige praktische Anwendungen in der entwicklungsneurologischen Forschung.
Nun wollen wir mit einigen grundlegenden Studien aus der Geschichte der Entwicklungsneurobiologie beginnen.
Die frühe entwicklungsneurologische Forschung stammt aus dem 19. Jahrhundert. In den 1880er Jahren etablierte Wilhelm His das Studium der Histogenese oder die embryonale Herkunft von Gewebe. Er war einer der ersten Menschen, der bei entwickelnden Neuronen den Verlängerungsprozess beobachtete wie bei Axonen und Dendriten.
Im Jahre 1924 untersuchten die Embryologen Hans Spemann und Hilde Mangold die Funktion einer Gruppe von Zellen bekannt als Spemanns Organisator. Sie haben herausgefunden, dass die Transplantation des Organisators zu einem anderen Embryo, die Bildung von sekundärem Nervengewebe induzierte.
In den 1950er Jahren haben dann Rita Levi-Montalcini und Stanley Cohen beobachtet, dass die Transplantation von Tumorstücken bei entwickelten Hühnerembryonen zum schnellen Neuronenwachstum führte. Sie spekulierten, dass der Tumor eine Substanz sezerniert das dieses Wachstum verursachte und bald darauf wurde das Protein als Nervenwachstumsfaktor oder NGF identifiziert, welches lebenswichtig für das Überleben des Neurons ist.
In einer anderen Transplantationsstudie ersetzte Nicole Le Douarin Teile von Hühnerembryonen mit denen von Wachteln. Durch das Verfolgen der Wachtelzellen durch die Entwicklung, zeigte sie, dass eine weit wandernde Gruppe von Zellen, die als Neuralleiste bekannt ist, zu peripheren ausgereiften Nerven führt.
Ein paar Jahre später untersuchte Pasko Rakic wie sich Zellen des zentralen Nervensystems zu hochgeordneten Strukturen während der Entwicklung anordnen. Rakic markierte teilende Zellen in entwickelnden Föten mit radioaktiven Nukleotiden, dies erlaubte ihm zu bestimmen, wann Gehirnzellen geboren wurden und wo ihr Endziel im ausgereiften Gehirn war.
In den letzten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts entwickelte sich eine neue Ära in der Forschung, die sich auf die Zelle und auf die molekularen Signale konzentrierten, die die Entwicklung des Nervensystems steuern.
Zum Beispiel zeigte Tom Jessell in der Mitte der 90er Jahre, dass bestimmte Transkriptionsfaktoren oder Proteine, die bei der Regulierung der Genexpression helfen, die Entwicklung von einzigartigen Neuronensubtypen im entwickelnden Mausrückenmark beeinflussten. Im Anschluss an diese Arbeit identifizieren die heutigen Forscher immer noch neue Gene, die die neuronale Entwicklung kontrollieren.
Da wir nun ein paar historische Höhepunkte gesehen haben, wollen wir einige Schlüsselfragen der modernen Entwicklungsneurobiologie besprechen.
Viele Forscher untersuchen die Musterung und die Schicksalsausprägung der Zellen des Nervensystems. Beispielsweise sind sie an der genetischen Programmierung interessiert, die frühe Stammzellen leitet, um entweder zu Neuronen oder Gliazellen, die die Stützzellen des Nervensystems sind, differenzieren. Sie können auch sekretierte Signale untersuchen, die gezielt einen bestimmten Subtyp von Zellen oder Zellen an einem bestimmten Ort beeinflussen.
Ein weiterer Schwerpunkt ist, wie entwickelnde Neuronen und Gliazellen in der Lage sind sich zu organisieren und sich zum ausgereiftem Nervensystem zusammenfügen. Einige Forscher untersuchen die Zytoskelettdynamiken von Zellen die von ihrem Ursprung zum physiologischen Ort wandern. Andere sind daran interessiert, wie Signale der extrazellulären Umgebung das Migrationsverhalten beeinflussen.
Die Entwicklungsneurowissenschaftler untersuchen auch wie Verbindungen zwischen den Zellen gebildet und im Laufe der Entwicklung verfeinert werden. Einige Untersuchungen konzentrieren sich auf die Funktion der Rezeptoren, die die axonale Wegfindung leiten, die Zelloberflächenproteine sind, die externe Signale identifizieren und die entwickelnde Axone oder Neuriten zu ihren Zielzellen leiten. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Untersuchung der physikalischen und chemischen Verbindungen die in der Synaptogenese beteiligt sind. Die Synaptogenese ist die Bildung von neuen Signalisierungsverbindungen oder Synapsen zwischen den Zellen.
Nun wollen wir ein paar bedeutende Methoden anschauen, die verwendet werden, um einige dieser entwicklungsneurologischen Fragen zu beantworten.
Um die genetische Kontrolle der Zellidentität und die Strukturierung des Nervensystems zu untersuchen, ist es hilfreich, die Expression spezifischer Gene in den entwickelnden Embryonen zu manipulieren. Eine beliebte Methode ist die in utero-Elektroporation, in der exogene DNA in das Gehirn von entwickelnden Nagetieren injiziert wird. Indem der Uterus einer anästhesierten, schwangeren Maus freigelegt wird, kann DNA in das embryonale Gehirn injiziert werden und Strom wird angelegt, um die DNA in die umgebenden Zellen zu bringen. Abhängig von dem Versuch kann elektroporiertes Material verwendet werden, um entweder die Genexpression zu fördern oder zu verhindern, wodurch die Forscher die Auswirkungen der einzelnen Proteine an der Entwicklung des Gehirns untersuchen können.
Das explantierte Gewebe des Zentralnervensystems wird häufig verwendet, um die Zellmigration während der Entwicklung zu untersuchen. Diese Technik beinhaltet das Sezieren kleiner Stücke des Gehirns oder des Rückenmarks und deren Kultivierung in vitro. Ein großer Vorteil dieser Methode ist, dass das Gewebe für die Erfassung von Zellbewegungen über Zeitrafferaufnahmen sehr gut zugänglich ist. Zusätzlich können die Effekte von spezifischen Molekülen bei der Migration leicht in Explantaten durch die Anwendung von Wachstumsfaktoren oder pharmakologische Inhibitoren in das Kulturmedium untersucht werden.
Um die Moleküle zu untersuchen, die wesentlich für die Bildung
von neuronalen Netzen sind, kann die Immunhistochemie verwendet werden. Diese Technik nutzt den Vorteil der Spezifität von Antikörpern, um die Position von spezifischen Proteinen in Zellen und im Gewebe zu markieren. Die Visualisierung der Proteinlokalisation mittels Fluoreszenzmikroskopie kann Forschern helfen, Hypothesen darüber zu machen, wie diese Moleküle die Bildung und die Funktion von Strukturen wie der Synapse beeinflussen.
Da wir nun mit ein paar Ansätzen für das Studium der Entwicklungsneurowissenschaften vertraut sind, schauen wir uns die Anwendungen dieser Forschung in den heutigen Laboren an.
Ein Hauptziel der Untersuchung der Entwicklungsneurologie ist es, herauszufinden, wie die Zellidentität und die Morphologie ermittelt werden. Um die genetische Kontrolle der Neuronenentwicklung zu untersuchen, haben diese Forscher Gen-Knockdown-Konstrukte in das entwickelnde Hühnernervensystem mittels Elektroporation zugefügt. Die elektroporierten Neuronen im Neuralrohr wurden auch durch Farbstoffinjektion markiert, damit die Morphologie des Axons zwischen der Kontrolle und den genetisch veränderten Zellen verglichen werden konnte.
Um zu untersuchen wie Nervenzellen Verbindungen herstellen, kultivierten die Forscher Neuronen, die aus Rattenjungtieren extrahiert wurden. Nach mehreren Tagen in Kultur wurden die Zellen fixiert und mit Antikörper spezifisch für synaptische Proteine gefärbt, was eine Quantifizierung der Synapsenbildung unter mehreren experimentellen Bedingungen, wie die Überexpression eines Gens oder die Kultur im modifizierten Wachstumsmedium, ermöglicht.
Mit ihrem Wissen über das Programm, das die neuralen Entwicklung reguliert, können die heutigen Forscher nun frühe embryonale Zellen zwingen, wie z.B. Stammzellen, spezifische Differenzierungswege in vitro einzugehen. Diese Forscher behandelten menschliche Stammzellen mit dem Vitamin-A-Derivat, Retinsäure, was zu einer verringerten Expression von Transkriptionsfaktoren führte, das die Stammzellidentität erhält und zu einer erhöhte Expression von neuronalen Markern führte. Diese Technik bietet Forschern eine wertvolle Quelle für menschliche Nervenzellen für die Untersuchung der Mechanismen, die hinter neurologischen Erkrankungen stecken.
Das war die JoVE Einführung in die Entwicklungsneurowissenschaften. Dieses Video bespricht die historischen Höhepunkte, Schlüsselfragen, die von den Entwicklungsneurowissenschaftler gefragt werden und einige der Techniken, die sie verwenden. Danke für das Aufpassen!
Developmental neurobiology explores how a few early embryonic cells can transform into an intricately organized nervous system that controls an entire organism.
Scientists in this field are interested in how cells take on specific identities, migrate to defined regions, and connect to form a functional system. These processes are important for understanding how the nervous system functions as well as the diagnosis and treatment of a broad range of neurological diseases rooted in abnormal development.
This video will take you on a brief tour of the history of developmental neurobiology, outline key questions in the field, and explore prominent methods used to answer those questions. Finally, we’ll have a look at some practical applications of neurodevelopmental research.
Let’s begin with some landmark studies from the history of developmental neurobiology.
Early neurodevelopmental research dates back to the 19th century. In the 1880s, Wilhelm His established the study of histogenesis, or the embryonic origins of tissue. He was one of the first people to watch developing neurons extend processes like axons and dendrites.
In 1924, embryologists Hans Spemann and Hilde Mangold studied the function of a cluster of cells known as the Spemann organizer. They found that the transplantation of the organizer to another embryo induced the formation of secondary neural tissue.
Then in the 1950’s, Rita Levi-Montalcini and Stanley Cohen observed that transplanting pieces of tumors onto developing chicken embryos led to rapid neuron growth. They speculated that the tumor secreted a substance that caused this growth, and soon identified that protein as nerve growth factor, or NGF, which is essential to neuron survival.
In another transplant study, Nicole Le Douarin replaced parts of chick embryos with those from quails. By tracking the quail cells through development, she showed that a highly migratory group of cells, known as the neural crest, gives rise to mature peripheral nerves.
A few years later, Pasko Rakic studied how cells of the central nervous system arrange themselves into highly ordered structures during development. Rakic labeled dividing cells in developing fetuses with radioactive nucleotides, allowing him to determine when brain cells were born and where their final destination was in the mature brain.
During the last decades of the 20th century, a new era of research emerged that focused on the cell and molecular signals guiding nervous system development.
For example, in the mid ‘90s, Tom Jessell showed that certain transcription factors, or proteins that help control gene expression, influenced the development of unique subtypes of neurons in the developing mouse spinal cord. Following on this work, today’s researchers are still identifying new genes that control neural development.
Now that you’ve seen a few historical highlights, let’s go over some key questions in modern developmental neurobiology.
Many researchers study patterning and fate specification of nervous system cells. For example, they are interested in the genetic programming that guides early stem cells to differentiate into either neurons or glia, which are the support cells of the nervous system. They may also investigate secreted signals that influence more specialized identities within a class of cells or in specific locations.
Another major focus is how developing neurons and glia are able to organize themselves and assemble into the mature nervous system. Some researchers study cytoskeletal dynamics of cells migrating from their origin to the site at which they function. Others are interested in how signals from the extracellular environment influence migratory behavior.
Developmental neuroscientists also evaluate how connections between cells are formed and refined over the course of development. Some studies focus on the function of axon guidance receptors, which are cell surface proteins that detect external cues and guide developing axons, or neurites, to their target cells. Another focus is the study of the physical and chemical connections involved in synaptogenesis, which is the formation of new signaling connections, or synapses, between cells.
Now, let’s look at a few prominent methods used to answer some of these neurodevelopmental questions.
To study the genetic control of cell identity and nervous system patterning, it is helpful to manipulate the expression of specific genes in developing embryos. One popular method is in utero electroporation, in which exogenous DNA is delivered into the brain of developing rodents. By exposing the uterus of an anesthetized, pregnant mouse DNA can be injected into the embryonic brains and current applied to force the DNA into surrounding cells. Depending on the experiment, electroporated material can be used to either promote gene expression or prevent it, allowing researchers to examine the impact of individual proteins on brain development.
Explanted central nervous system tissue is commonly used to study cell migration during development. This technique involves dissecting small pieces of brain or spinal cord and culturing them in vitro. A major advantage to this approach is that the tissue is highly accessible for capturing cell movements via time-lapse imaging. Additionally, the effects of specific molecules on migration can easily be studied in explants through application of growth factors or pharmacological inhibitors to the culture media.
To study the molecules that are essential to the formation of neuronal networks, immunohistochemistry can be used. This technique takes advantage of the specificity of antibodies to mark the location of specific proteins in cells and tissues. Visualization of protein localization using fluorescent microscopy can help researchers make hypotheses regarding how these molecules influence the formation and function of structures like the synapse.
Now that you’re familiar with some approaches to studying developmental neuroscience let’s look at applications of this research in labs today.
A major goal of the study of neurodevelopment is to figure out how cell identity and morphology are determined. To study the genetic control of neuron development, these researchers delivered gene knockdown constructs into the developing chick nervous system via electroporation. Electroporated neurons within the neural tube were also labeled by dye injection, so that axon morphology could be compared between control and genetically altered cells.
To study how neurons establish connections, these researchers cultured neurons extracted from young rat pups. After several days in culture, cells were fixed and stained with antibodies specific to synaptic proteins, allowing for quantification of synapse formation under multiple experimental conditions, such as gene overexpression, or culture in modified growth medium.
Using their knowledge of the program driving neural development, today’s researchers can now force early embryonic cells, like stem cells, down specific differentiation pathways in vitro. These researchers treated human stem cells with the vitamin A derivative, retinoic acid, which resulted in reduced expression of transcription factors that maintain stem cell identity and enhanced expression of neuronal markers. This technique provides researchers with a valuable source of human neurons for investigating the mechanisms behind neurological disease.
You’ve just watched JoVE’s introduction to developmental neuroscience. This video reviewed historical highlights, key questions asked by developmental neuroscientists and some of the techniques they use.
Thanks for watching!
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