Eine Einführung in die zelluläre und molekulare Neurowissenschaft

Die einfachsten Reflexe zu den großartigsten emotionalen Erfahrungen sind alle in molekularen, genetischen und zellulären Strukturen im Gehirn verwurzelt.

Als eines der neuesten Bereiche in der Neurowissenschaft, hilft die zelluläre und molekulare Neurowissenschaft den Durchbruch in der Molekularbiologie, um zu erforschen wie Gene, Signalmoleküle und Zellmorphologie das Nervensystem beeinflussen.

Dieses Video wird Meilensteinentdeckungen in diesem Bereich präsentieren, spricht wesentliche Fragen in der zellulären und molekularen Neurowissenschaft an und präsentiert schließlich einige bedeutende Methoden, die angewendet werden können, um diese Fragen zu beantworten.

Zunächst wollen wir mit einem Blick zurück auf die wissenschaftlichen Wurzeln dieses relativ jungen Bereiches beginnen.

Bevor es molekulare Techniken gab, dominierten Anatomen und Zellbiologen die frühe Geschichte der Neurowissenschaft.

Jedoch in den 1930er Jahren startete ein Zustrom von Physikern, Chemikern und Theoretikern in die Reihen der Biologen, die die molekulare Revolution starteten, die ihren Höhepunkt in der Watson und Crick Entdeckung der DNA-Struktur und die Formalisierung des Zentralen Dogma hatte, das erklärte, wie DNA die Proteine kodiert, die als funktionelle Einheiten der Zellen tätig sind. Zum ersten Mal konnten die Neurowissenschaftler die Rolle spezifischer Gene und Proteine untersuchen, die bei der Funktion des Nervensystems mitspielen.

Zum Beispiel war in den 1960er Jahren Seymour Benzer in der Lage, Veränderungen im Verhalten von Fruchtfliegen mit spezifischen genetischen Mutationen zu verbinden, wodurch die wichtigsten exprimierten Gene in Nervenzellen identifiziert wurden, die das Verhalten, wie die Fortbewegung, steuern.

Im gleichen Zeitraum bewies Eric Kandel, dass komplexe Prozesse wie Lernen auch eine molekulare Basis hatten.

Mit der Meeresschnecke Aplysia analysierte er neuronale Gewebeextrakte und implizierte das intrazelluläre Signalmolekül zyklisches AMP in einen Signalweg, der entscheidend für das Lernen ist.

In den 1980er Jahren waren dann Mitglieder des Shōsaku Numa Labors die Ersten, die Schlüsselmoleküle bei der Neuronenfunktion klonierten, wie der spannungsgesteuerte Natriumkanal. Die Analysen der funktionellen Domänen innerhalb dieser großen Membranproteine haben seither unser Verständnis verbessert wie die Steuerung der Ionenbewegung, die zur Neuronenaktivierung führt.

Eine weitere wichtige Entdeckung bei den molekularen Mechanismen der neuronalen Kommunikation kam in den 1990er Jahren, als Thomas Südhof entdeckte, dass Kalziumionen die Form von Proteinen ändern, die Vesikeln gefüllt mit Neurotransmitter an die Zellmembran verankern, dies erklärt, wie Aktionspotentiale zur zeitgenauen Freisetzung von chemischen Signalen in der Synapse führen.

Von der Neurophysiologie bis zum Verhalten haben die Entdeckungen in der molekularen Neurowissenschaft unser Verständnis von vielen neurowissenschaftlichen Disziplinen verbessert.

Trotz dieser produktiven Geschichte gibt es noch eine Menge zu lernen! Nun wollen wir ein paar Fragen besprechen, die in den heutigen Laboren gefragt werden.

Ein Bereich der Forschung fragt, welche Gene die neuronale Funktion beeinflussen. Beispielsweise sind Nukleotid-Erweiterungen in bestimmten Genen dafür bekannt bei mehreren Erkrankungen beteiligt zu sein durch stetige Abnahme der Neuronengesundheit, wie die Huntington-Krankheit.

Eine andere Gruppe von Genen, die untersucht werden, kodieren Transkriptionsfaktoren: Proteine, die die Expression bestimmter Gene regulieren. Die Identifizierung der DNA-Targets von Nervensystem-spezifischen Transkriptionsfaktoren kann uns eine bessere Sicht auf das genetische Programm, das uns Denken lässt, geben.

Alternativ können Neurowissenschaftler fragen, wie Moleküle das neuronale Verhalten regulieren. Zum Beispiel können sie den molekularen Aufbau untersuchen, die die Ionenbewegungen durch die Zellmembran reguliert, das in der Ausbreitung von Aktionspotentialen resultiert. Die Forschung hier hat uns Anästhetika wie Lidocain gegeben, die spezifische Ionenkanäle blockiert und die Übertragung von Schmerzsignalen an das Gehirn unterbricht.

Alternativ können die Wissenschaftler die Interaktionsstellen zwischen den Nervenzellen untersuchen, bekannt als die Synapse. Hierbei können sie fragen, welche Moleküle bei der Erhaltung der Integrität der Synapse beteiligt sind und wie diese Verbindungen bei Krankheitszuständen wiederhergestellt werden können.

Die neuronale Plastizität ist die Fähigkeit des Nervensystems, sich chemisch und physikalisch anzupassen als Reaktion auf Erfahrungen.

Einige Forschungen in diesem Bereich sind auf erfahrungsabhängige morphologische Veränderungen in komplizierten neuronalen Strukturen fokussiert, bekannt als dendritische Stacheln, die Synapsen über hochdynamische Strukturen bilden, bezeichnet als dendritische Dornen.

Andere sind daran interessiert, wie Erfahrung die Verteilung von Neurotransmitterrezeptoren auf synaptischen Membranen modifizieren kann, die die Signalleistung von einer Synapse in einem Phänomen, bekannt als Langzeitpotenzierung oder LTP, stärken kann.

Wie man sehen kann, nähern die zelluläre und molekulare Neurowissenschaft die Neurobiologie von einer mikroskopischen Sicht aber der Bereich der Prozesse, die sie untersuchen ist expansiv.

Da wir nun mit einigen der spannenden Fragen, die in den zell- und molekularbiologischen neurowissenschaftlichen Laboren gefragt werden vertraut sind, schauen wir uns die Hilfsmittel an, die zur Verfügung stehen, um sie zu beantworten.

Erstens, um die genetische Kontrolle der Nervenfunktion zu untersuchen, haben die Wissenschaftler einige sehr mächtige Techniken zur Verfügung.

Zum Beispiel können Microarrays die Expression einer großen Anzahl von Genen gleichzeitig quantifizieren. Ein Microarray ist eine Oberfläche mit Zehntausenden Schnipseln aus einzelsträngigen DNA "Sonden", die daran befestigt sind. Das extrahierte genetische Material von einem Neuron darf an die Sonden binden und fluoreszierende Marker werden verwendet, um genau zu visualisieren, welche Sequenzen in der Probe vorhanden sind.

Alternativ verwendet die Real-Time oder quantitative PCR ein Gerät, das indirekt die relative Menge der spezifischen mRNA-Transkripte mittels eines PCR-basierten Verfahrens messen kann. Dieser Ansatz ist besonders nützlich zum Nachweis des Expressionslevels von einzelnen Genen.

Nicht zuletzt ist die transgene Technologie ein wichtiges Werkzeug zur Untersuchung der Genfunktion im Nervensystem. Durch dieses Verfahren können die Forscher Tiere erzeugen, wobei Abschnitte ihres Genoms entfernt werden, bekannt als Knockouts oder mit eingeführten modifizierten Genen in ihren genetischen Code, bekannt als Transgene. Das Gewebe des Nervensystems von diesen Tieren kann in einer Vielzahl von Möglichkeiten analysiert werden, um zu bestimmen, wie Veränderungen in der Genexpression die Zellfunktion beeinflussen.

Um die molekulare Steuerung der neuronalen Signalübertragung zu untersuchen, bevorzugen Forscher oft das Gehirngewebe außerhalb des Tieres zu untersuchen, sei es in kleinen Gewebestücken oder in dissoziierten Zellen, die in vitro als primäre neuronale Kulturen gezüchtet werden.

Ein Vorteil dieses vereinfachten Systems ist die Fähigkeit, die Expression der Gene von Interesse effizient bei der neuronalen Signalisierung durch Transfektion zu manipulieren. Die Ergebnisse dieser genetischen Manipulationen können dann durch die Visualisierung der Proteinlokalisation, der Analyse der Zellmorphologie oder der elektrophysiologischen Ableitungen beobachtet werden.

Schließlich ermöglichen die dramatischen Fortschritte in der Imaging-Technologie Wissenschaftlern, die neuronale Plastizität in aufregenden neuen Möglichkeiten zu untersuchen.

Zum Beispiel können Forscher die Zweiphotonenmikroskopie verwenden, um tiefe Schichten von lebendem Gewebe im Detail darzustellen. Nachdem eine "Öffnung" im Schädel gemacht wird kann diese Technik verwendet werden, um die Gehirnzellmorphologie vor und nachdem Tiere eine Erfahrung durchleben abzubilden, dies ermöglicht Forschern zu sehen, wie Lernen auf neuronaler Ebene aussieht.

Bildgebende Tools werden auch verwendet, um molekulare Bestandteile des Nervensystems im konservierten Gewebe zu untersuchen. Die Fluoreszenzmikroskopie wird oft in Kombination mit Immunohistochemie verwendet, in dem Proben mit fluoreszierenden Antikörpern gefärbt werden, die die zelluläre Lokalisation von spezifischen Proteinen markieren.

Nachdem beide wichtige Fragen und die Werkzeuge, die verwendet werden, um sie zu beantworten besprochen sind, schauen wir uns einige Anwendungen der zell- und molekular neurowissenschaftlichen Forschung an. Erstens, durch das Anwenden von Microarray-Techniken auf eine kleine Population von Neuronen können Forscher die Unterschiede in der Expression von verschiedenen Genen in bestimmten neuronalen Subtypen untersuchen. Hier wurden einzelne Neuronen von der Netzhaut isoliert und zelluläre RNA wurde extrahiert, dies ermöglicht den Forschen die Expression von mRNAs aus Zellen mit verschiedenen funktionellen und morphologischen Eigenschaften zu profilieren.

Molekulare Techniken können auch angewendet werden, um die Reaktion des Nervensystems auf Verletzungen besser zu verstehen. Wenn Dorsalwurzelganglien oder DRGs von erwachsenen Mäusen für eine primäre neuronale Kultur entfernt werden, werden Axone notwendigerweise abgetrennt. Durch Transfektion der dissoziierten DRG Neuronen mit Gen-Silencing-Konstrukten ist es möglich, die Auswirkung einzelner Proteine beim Nachwachsen von neuen Axonen zu testen.

Spezialisierte Bildgebungstechniken können verwendet werden, um zu untersuchen, wie Proteine, zum Beispiel Rezeptoren von Neurotransmittern zur und von der synaptischen Membran transportiert werden. In diesem Experiment wurden kultivierte Nervenzellen mit einem Gen transfiziert, das ein fluoreszierendes markiertes Membranprotein kodiert. Mit einem konfokalen Mikroskop wurden dann kleine Bereiche der Membran fotogebleicht, was bedeutet, dass die Fluorophore in diesem Bereich zerstört wurden. Mit dem hier verwendeten Bleichsystem reflektiert die progressive Wiederherstellung der Fluoreszenz oder FRAP den Transport von neuen Fluoreszenzproteinen in die Plasmamembran. Die Geschwindigkeit, mit der diese Bewegung auftritt, kann quantifiziert und mit vielen Versuchsbedingungen verglichen werden.

Das war die JoVE Einführung in die zelluläre und molekulare Neurowissenschaft. In diesem Video haben wir die historischen Entdeckungen besprochen, die die zelluläre und molekulare Neurowissenschaft zu diesem heutigen Bereich machten, einige der wichtigsten Fragen in dem Bereich und die Techniken, die verwendet werden, um sie zu beantworten. Wie immer, vielen Dank für das Ansehen der JoVE wissenschaftlichen Bildung!