Introducción a la neurociencia celular y molecular

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!