Introducción a la neurociencia celular y molecular

An Introduction to Cellular and Molecular Neuroscience

JoVE Science Education
Neuroscience

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Science Education Neuroscience

An Introduction to Cellular and Molecular Neuroscience

1.9: fMRI: Functional Magnetic Resonance Imaging

1.15: An Introduction to Developmental Neurobiology

70,222 Views

•

11:25 min

•

April 30, 2023

Overview

Neurociencia celular y molecular es uno de los más nuevos y más rápido crecimiento subdisciplines de la neurociencia. Al investigar las influencias de los genes, moléculas de señalización y morfología celular, los investigadores en este campo descubren ideas cruciales en el desarrollo normal del cerebro y función, así como las causas de muchas condiciones patológicas.

Video Introducción al fascinante mundo de la neurociencia celular y molecular comienza con una línea de tiempo de estudios de la señal, desde el descubrimiento del ADN en 1953 a los más recientes avances como la clonación de los canales iónicos. Se introducen preguntas siguientes, claves en el campo, tales como cómo los genes influyen en actividad neuronal y cómo el sistema nervioso se modifica por la experiencia. Esto es seguido por breves descripciones de algunos prominentes métodos utilizados para analizar el material genético en las neuronas, manipular la expresión de los genes y visualizar las neuronas y sus partes. Por último, se presentan varias aplicaciones de la neurociencia molecular y celular para demostrar enfoques como celulares y moleculares puede utilizarse para el perfil de las poblaciones de neuronas y explorar sus funciones.

Procedure

Los reflejos más simples a las más sublimes experiencias emocionales están arraigados en estructuras moleculares, genéticas y celulares en el cerebro. Como uno de los campos más recientes en neurociencia, neurociencia celular y molecular aprovecha la biología molecular para explorar cómo los genes, moléculas de señalización y morfología celular influyen en el sistema nervioso

Este video presentará descubrimientos de hito en el campo, abordar cuestiones clave en la investigación de la neurociencia celular y molecular y por último mostrar algunos métodos importantes que pueden aplicarse para responder a esas preguntas.

Vamos a empezar por echar un vistazo atrás a las raíces científicas de este campo relativamente joven.

Antes de que las técnicas moleculares, anatomistas y biólogos celulares dominaban la historia de la neurociencia.

Sin embargo, en la década de 1930, la afluencia de los físicos, químicos y teóricos en las filas de los biólogos iniciaron la revolución molecular, que culminó en el descubrimiento de Watson y del Crick de la estructura del ADN y la formalización del dogma central, que explica cómo DNA codifica las proteínas que actúan como unidades funcionales de las células. Por primera vez, neurocientíficos pudieron investigar los genes específicos de papel y las proteínas en función del sistema nervioso.

Por ejemplo, en la década de 1960, Seymour Benzer pudo conectar cambios en el comportamiento de moscas de la fruta a mutaciones genéticas específicas, identificación de genes claves expresados en neuronas de controlar el comportamiento, como la locomoción.

En el mismo período de tiempo, Eric Kandel demostró que procesos complejos como el aprendizaje también tenían una base molecular. Con el molusco marino Aplysia analizaron extractos de tejido neuronal e implicado la molécula de señalización intracelular AMP cíclico en un camino crítico para el aprendizaje.

Luego, en 1980, los miembros del laboratorio de Shosaku Numa fueron los primeros en clonar las moléculas claves en función de la neurona, como el canal de sodio voltaje bloqueado. Análisis de los dominios funcionales dentro de estas proteínas de membrana grande ya que han mejorado nuestra comprensión de cómo el control de los movimientos del ion conduce a la leña de la neurona.

Otro descubrimiento importante en los mecanismos moleculares detrás de comunicación neuronal se produjo en la década de 1990, cuando Thomas Sudhof descubrió que los iones del calcio alteran la forma de las proteínas que ancla llenas de neurotransmisores de las vesículas a la membrana celular, explicando Cómo los potenciales de acción conducen a la liberación precisamente tiempo de señales químicas en la sinapsis.

De Neurofisiología comportamiento, descubrimientos en Neurociencia molecular han mejorado nuestra comprensión de muchas disciplinas neurocientíficas.

A pesar de esta historia productiva, hay todavía mucho que para aprender! Vamos a repasar algunas de las preguntas que se hacen en los laboratorios de hoy.

Un área de investigación pide que los genes influyen en la función neuronal. Por ejemplo, conocen a expansiones de nucleótido en genes específicos implicados en varias enfermedades caracterizadas por la disminución constante de la salud de la neurona, como la enfermedad de Huntington.

Otro grupo de genes bajo investigación codifica factores de transcripción: proteínas que regulan la expresión de genes específicos. Identificación de los objetivos de la DNA de factores de transcripción específicos del sistema nervioso nos puede dar una mejor vista del programa genético que nos hace pensar.

Alternativamente, los neurocientíficos pueden preguntar cómo las moléculas de regulan el comportamiento neuronal. Por ejemplo puede estudiar la maquinaria molecular que regula movimientos de iones a través de la membrana de la célula, resultando en la propagación de potenciales de acción. Investigación nos ha dado anestésicos como la lidocaína, que bloquea canales iónicos específicos y detiene la transmisión de señales de dolor al cerebro.

Como alternativa, los científicos pueden examinar los sitios de interacción entre las neuronas, conocida como la sinapsis. Aquí, podrán solicitar qué moléculas están implicadas en la preservación de la integridad de la sinapsis, y cómo estas conexiones pueden ser restauradas en Estados de enfermedad.

La plasticidad neuronal es la capacidad del sistema nervioso de adaptarse física y químicamente en respuesta a la experiencia. Algunas investigaciones en este campo se centra en cambios morfológicos dependientes de la experiencia en elaboradas estructuras neuronales, conocidos como cenadores dendríticos, que forma sinapsis a través de estructuras muy dinámicas que denominan espinas dendríticas. Otros están interesados en cómo la experiencia puede modificar la distribución de receptores de neurotransmisores en las membranas sinápticas, que pueden fortalecer el poder de señalización de una sinapsis en un fenómeno conocido como potenciación a largo plazo, o LTP.

Como se puede ver, celulares y moleculares neurocientíficos abordan Neurobiología desde una vista microscópica, pero la gama de procesos que estudian es expansiva.

Ahora que usted está familiarizado con algunas de las interesantes preguntas que se hacen en laboratorios de Neurociencia molecular y celular, echemos un vistazo a las herramientas disponibles para responderlas.

En primer lugar, para investigar el control genético de la función neuronal, los científicos tienen algunas técnicas muy potentes a su disposición. Por ejemplo microarrays puede cuantificar la expresión de un gran número de genes simultáneamente. Un microarray es una superficie con decenas de miles de fragmentos del único trenzado “sondas de ADN” que se le atribuye. Material genético extraído de una neurona se permite enlazar a las sondas y marcadores fluorescentes se utilizan para visualizar precisamente que las secuencias están presentes en la muestra.

Por otra parte, PCR cuantitativa o en tiempo real, utiliza equipo que permite medir indirectamente la cantidad relativa de transcripciones de mRNA específicos a través de un método PCR basado. Este enfoque es muy útil para la detección de los niveles de expresión de los genes individuales.

Último pero no menos importante, la tecnología transgénica es una herramienta importante para la investigación de la función génica en el sistema nervioso. Por este método, los investigadores pueden producir animales con las porciones de sus genomas retirado, conocido como agujeros ciegos o con modificado genes insertados en su código genético, conocido como transgénicos. Los tejidos del sistema nervioso de estos animales se pueden analizar en una variedad de maneras de determinar cómo los cambios en la expresión génica impactan función celular.

Para estudiar el control molecular de la señalización neuronal, los investigadores a menudo prefieren estudiar tejido cerebral fuera el animal, ya sea en trozos pequeños de tejido o en disociaron las células cultivadas en vitro llamado cultivos neuronales primarios. Una de las ventajas de este sistema simplificado es la habilidad de manipular eficientemente la expresión de genes de interés en la señalización neuronal por la transfección. Luego se observan los resultados de estas manipulaciones genéticas por visualización de la localización de la proteína, análisis de la morfología de la célula, o las grabaciones electrofisiológicas.

Por último, espectaculares avances en tecnología de imagen permiten que los científicos estudiar la plasticidad neuronal en emocionantes nuevas formas. Por ejemplo, los investigadores pueden utilizar microscopía de dos fotones para visualizar capas profundas de los tejidos vivos en gran detalle. Después de crear una “ventana” en el cráneo, esta técnica puede utilizarse para la morfología de la célula de cerebro de la imagen antes y después de que los animales se someten a una experiencia, permitiendo a los investigadores ver qué aprendizaje se parece a nivel neuronal.

También se utilizan herramientas de proyección de imagen para investigar componentes moleculares del sistema nervioso en los tejidos conservados. Microscopía de fluorescencia se utiliza a menudo en combinación con inmunohistoquímica, en la cual las muestras se tiñen con anticuerpos fluorescentes que marcan la localización celular de proteínas específicas.

Habiendo examinado cuestiones importantes y las herramientas utilizadas para responder, echemos un vistazo a algunas aplicaciones de investigación de Neurociencia molecular y celular.

En primer lugar, aplicando técnicas de microarrays a una pequeña población de neuronas, los investigadores pueden examinar las diferencias en la expresión de varios genes en subtipos neuronales específicos. Aquí, las neuronas solo se aislaron de la retina y se extrajo el ARN celular, permitiendo a los investigadores analizar la expresión de los mRNAs de las células con características funcionales y morfológicas diferentes.

También pueden aplicar técnicas moleculares para comprender mejor la respuesta del sistema nervioso a la lesión. Cuando se extraen los ganglios de raíz dorsal o GRD, ratones adultos para cultivo neuronal primario, axones necesariamente se cortó. Por transfectar las neuronas DRG disociadas con construcciones de silenciamiento del gen, es posible probar el efecto de proteínas individuales en el crecimiento de nuevos axones.

Técnicas especializadas de imagen pueden utilizarse para estudiar cómo se transportan proteínas como receptores de neurotransmisor desde la membrana sináptica y. En este experimento, las neuronas cultivadas fueron transfectadas con un gen que codifica una proteína de membrana fluorescencia de etiquetado. Utilizando un microscopio confocal, pequeñas regiones de la membrana fueron luego photobleached, lo que significa que los fluoróforos en que zona fueron destruidas. Con el esquema de blanqueo utilizado aquí, la progresiva recuperación de fluorescencia o FRAP, refleja el transporte de nuevas proteínas fluorescentes en la membrana plasmática. La tasa a la que este movimiento se produce puede ser cuantificada y comparada sobre muchas condiciones experimentales.

Sólo ha visto la introducción de Zeus a Neurociencia celular y molecular. En este video hablamos de los descubrimientos históricos que Neurociencia celular y molecular del campo es hoy en día, algunas preguntas clave en el campo, y las técnicas utilizadas para responderlas.

¡Como siempre, gracias por ver JoVE Ciencias de la educación!

Transcript

The simplest reflexes to the most sublime emotional experiences are all rooted in molecular, genetic and cellular structures in the brain. As one of the newest fields in neuroscience, cellular and molecular neuroscience leverages molecular biology to explore how genes, signaling molecules, and cellular morphology influence the nervous system

This video will present landmark discoveries in the field, address key questions in cellular and molecular neuroscience research, and finally showcase a few prominent methods that can be applied to answer those questions.

Let’s begin by taking a look back at the scientific roots of this relatively young field.

Before there were molecular techniques, anatomists and cell biologists dominated the early history of neuroscience.

However, in the 1930s, an influx of physicists, chemists and theoreticians into the ranks of biologists started the molecular revolution, culminating in Watson and Crick’s discovery of DNA structure and the formalization of the central dogma, which explained how DNA encodes the proteins that act as the functional units of cells. For the first time, neuroscientists were able investigate the role specific genes and proteins played in nervous system function.

For example, in the 1960s, Seymour Benzer was able to connect behavioral changes in fruit flies to specific genetic mutations, identifying key genes expressed in neurons controlling behavior, like locomotion.

In the same time period, Eric Kandel demonstrated that complex processes like learning also had a molecular basis. Using the marine mollusk Aplysia he analyzed neuronal tissue extracts, and implicated the intracellular signaling molecule cyclic AMP in a pathway critical to learning.

Then, in 1980s, members of Shosaku Numa’s lab were the first to clone key molecules in neuron function, like the voltage gated sodium channel. Analyses of the functional domains within these large membrane proteins have since improved our understanding of how the control of ion movements leads to neuron firing.

Another important discovery in the molecular mechanisms behind neuronal communication came in the 1990s, when Thomas Sudhof discovered that calcium ions alter the shape of proteins that anchor neurotransmitter-filled vesicles to the cell membrane, explaining how action potentials lead to the precisely timed release of chemical signals into the synapse.

From neurophysiology to behavior, discoveries in molecular neuroscience have improved our understanding of many neuroscientific disciplines.

In spite of this productive history, there’s still a lot to learn! Let’s review some questions that are being asked in labs today.

One area of research asks which genes influence neuronal function. For example, nucleotide expansions in specific genes are known to be involved in several diseases characterized by steady decline of neuron health, like Huntington’s disease.

Another group of genes under investigation encode transcription factors: proteins that regulate the expression of specific genes. Identifying the DNA targets of nervous system-specific transcription factors can give us a better view of the genetic program that makes us think.

Alternatively, neuroscientists may ask how molecules regulate neuronal behavior. For example they may study the molecular machinery that regulates ion movements across the cell membrane, resulting in the propagation of action potentials. Research here has given us anesthetics like lidocaine, which blocks specific ion channels and halts transmission of pain signals to the brain.

Alternatively, scientists may examine the sites of interaction between neurons, known as the synapse. Here, they may ask what molecules are involved in preserving the integrity of the synapse, and how these connections can be restored in disease states.

Neuronal plasticity is the ability of the nervous system to chemically and physically adapt in response to experience. Some research in this field is focused on experience-dependent morphological changes in elaborate neuronal structures, known as dendritic arbors, that form synapses via highly dynamic structures referred to as dendritic spines. Others are interested in how experience can modify the distribution of neurotransmitter receptors on synaptic membranes, which can strengthen the signaling power of a synapse in a phenomenon known as long term potentiation, or LTP.

As you can see, cellular and molecular neuroscientists approach neurobiology from a microscopic view, but the range of processes they study is expansive.

Now that you’re familiar with some of the exciting questions that are asked in cell and molecular neuroscience labs, let’s look at the tools available to answer them.

First, to investigate the genetic control of neuron function, scientists have some very powerful techniques at their disposal. For example, microarrays can quantify the expression of a huge number of genes simultaneously. A microarray is a surface with tens of thousands of snippets of single stranded DNA “probes” attached to it. Genetic material extracted from a neuron is allowed to bind to the probes, and fluorescent markers are used to visualize precisely which sequences are present in the sample.

Alternatively, real-time or quantitative PCR, utilizes equipment that can indirectly measure the relative quantity of specific mRNA transcripts via a PCR based method. This approach is extremely useful for detecting the expression levels of individual genes.

Last but not least, transgenic technology is an important tool for the investigation of gene function in the nervous system. By this method, researchers can produce animals with portions of their genomes removed, known as knockouts, or with modified genes inserted into their genetic code, known as transgenics. Nervous system tissues from these animals can be analyzed in a variety of ways to determine how changes in gene expression impact cellular function.

To study the molecular control of neuronal signaling, researchers often prefer to study brain tissue outside of the animal, either in small tissue pieces or in dissociated cells grown in vitro called primary neuronal cultures. One advantage of this simplified system is the ability to efficiently manipulate the expression of genes of interest in neuronal signaling by transfection. The results of these genetic manipulations can then be observed by visualization of protein localization, analysis of cell morphology, or electrophysiological recordings.

Lastly, dramatic advances in imaging technology are allowing scientists to study neuronal plasticity in exciting new ways. For example, researchers can use two-photon microscopy to visualize deep layers of living tissues in great detail. After creating a “window” in the skull, this technique can be used to image brain cell morphology before and after animals undergo an experience, allowing researchers to see what learning looks like at the neuronal level.

Imaging tools are also used to investigate molecular components of the nervous system in preserved tissues. Fluorescence microscopy is often used in combination with immunohistochemistry, in which samples are stained with fluorescent antibodies that mark the cellular localization of specific proteins.

Having reviewed both important questions and the tools used to answer them, let’s look at some applications of cell and molecular neuroscience research.

First, by applying microarray techniques to a small population of neurons, researchers can examine the differences in expression of various genes in specific neuronal subtypes. Here, single neurons were isolated from the retina and cellular RNA was extracted, allowing the researchers to profile the expression of mRNAs from cells with different functional and morphological characteristics.

Molecular techniques can also be applied to better understand the nervous system’s response to injury. When dorsal root ganglia, or DRGs, are removed from adult mice for primary neuronal culture, axons are necessarily severed. By transfecting the dissociated DRG neurons with gene silencing constructs, it is possible to test the effect of individual proteins on the regrowth of new axons.

Specialized imaging techniques can be used to study how proteins like neurotransmitter receptors are transported to and from the synaptic membrane. In this experiment, cultured neurons were transfected with a gene encoding a fluorescently tagged membrane protein. Using a confocal microscope, small regions of the membrane were then photobleached, meaning that the fluorophores in that area were destroyed. With the bleaching scheme used here, the progressive recovery of fluorescence, or FRAP, reflects the transport of new fluorescent proteins into the plasma membrane. The rate at which this movement occurs can be quantified and compared over many experimental conditions.

You’ve just watched JoVE’s introduction to cellular and molecular neuroscience. In this video we discussed the historical discoveries that made cellular and molecular neuroscience the field it is today, some key questions in the field, and the techniques used to answer them.

As always, thanks for watching JoVE Science Education!

Tags

Valor vacío tema