מבוא למדעי המוח התאיים והמולקולריים
הרפלקסים הפשוטים ביותר לחוויות הרגשיות הנשגב ביותר מושרשים כולם במבנים מולקולריים, גנטיים ותאיים במוח. כאחד התחומים החדשים ביותר במדעי המוח, מדעי המוח התאיים והמולקולריים ממנפים ביולוגיה מולקולרית כדי לחקור כיצד גנים, מולקולות איתות ומורפולוגיה תאית משפיעים על מערכת העצבים
סרטון זה יציג תגליות ציון דרך בתחום, יעסוק בשאלות מרכזיות במחקר מדעי המוח התאיים והמולקולריים, ולבסוף יציג כמה שיטות בולטות שניתן ליישם כדי לענות על שאלות אלה.
בואו נתחיל בהסתכלות לאחור על השורשים המדעיים של התחום הצעיר יחסית הזה.
לפני שהיו טכניקות מולקולריות, אנטומיסטים וביולוגים של תאים שלטו בהיסטוריה המוקדמת של מדעי המוח.
עם זאת, בשנות ה-30 של ה-30, זרם של פיזיקאים, כימאים ותיאורטיקנים לשורות הביולוגים החל את המהפכה המולקולרית, שהגיעה לשיאה בגילוי מבנה הדנ"א של ווטסון וריק ובפורמליזציה של הדוגמה המרכזית, שהסבירה כיצד DNA מקודד את החלבונים המשמשים כיחידות התפקודיות של התאים. בפעם הראשונה, מדעני מוח הצליחו לחקור את התפקיד שגנים וחלבונים ספציפיים שיחקו בתפקוד מערכת העצבים.
לדוגמה, בשנות השישים, סימור בנזר הצליח לחבר שינויים התנהגותיים בזבובי פירות למוטציות גנטיות ספציפיות, וזיהה גנים מרכזיים שבאו לידי ביטוי בנוירונים השולטים בהתנהגות, כמו תנועה.
באותה תקופה, אריק קנדל הדגים כי תהליכים מורכבים כמו למידה יש גם בסיס מולקולרי. באמצעות התסיסה הימית Aplysia הוא ניתח תמציות רקמה עצבית, וסיבך את מולקולת איתות תאי AMP מחזורית במסלול קריטי ללמידה.
ואז, בשנות השמונים, חברי המעבדה של שוסקו נומה היו הראשונים לשכפל מולקולות מפתח בתפקוד הנוירונים, כמו ערוץ הנתרן המגודר במתח. ניתוחים של התחומים התפקודיים בתוך חלבוני הממברנה הגדולים האלה שיפרו מאז את הבנתנו כיצד השליטה בתנועות היונים מובילה לירי נוירונים.
תגלית חשובה נוספת במנגנונים המולקולריים שמאחורי התקשורת העצבית הגיעה בשנות התשעים, כאשר תומאס סודהוף גילה שיונים סידן משנים את צורת החלבונים העוגנים שלטים מלאים נוירוטרנסמיטר לקרום התא, ומסבירים כיצד פוטנציאל הפעולה מוביל לשחרור מדויק של אותות כימיים לתוך הסינפסה.
מנוירולוגיה להתנהגות, תגליות במדעי המוח המולקולריים שיפרו את הבנתנו של דיסציפלינות מדעיות רבות.
למרות ההיסטוריה הפורייה הזו, יש עוד הרבה מה ללמוד! בואו נסקור כמה שאלות שנשאלות במעבדות היום.
תחום מחקר אחד שואל אילו גנים משפיעים על תפקוד העצב. לדוגמה, הרחבות נוקלאוטידים בגנים ספציפיים ידועים כמעורבים במספר מחלות המאופיינות בירידה מתמדת בבריאות הנוירונים, כמו מחלת הנטינגטון.
קבוצה נוספת של גנים הנחקרים מקודדים גורמי שעתוק: חלבונים המסדירים את הביטוי של גנים ספציפיים. זיהוי מטרות הדנ"א של גורמי שעתוק ספציפיים למערכת העצבים יכול לתת לנו מבט טוב יותר על התוכנית הגנטית שגורמת לנו לחשוב.
לחלופין, מדעני מוח עשויים לשאול כיצד מולקולות מווסתות את ההתנהגות העצבית. לדוגמה הם עשויים ללמוד את המכונות המולקולריות המווסתות תנועות יונים על פני קרום התא, וכתוצאה מכך התפשטות של פוטנציאל פעולה. המחקר כאן נתן לנו הרדמה כמו לידוקאין, שחוסם ערוצי יונים ספציפיים ומופסק העברת אותות כאב למוח.
לחלופין, מדענים עשויים לבחון את אתרי האינטראקציה בין נוירונים, המכונה סינפסה. כאן, הם עשויים לשאול אילו מולקולות מעורבות בשמירה על שלמות הסינפסה, וכיצד ניתן לשחזר קשרים אלה במצבי מחלה.
פלסטיות עצבית היא היכולת של מערכת העצבים להסתגל כימית ופיזית בתגובה לחוויה. מחקר מסוים בתחום זה מתמקד בשינויים מורפולוגיים תלויי ניסיון במבנים עצביים משוכללים, המכונים ארבורים דנדריטיים, היוצרים סינפסות באמצעות מבנים דינמיים מאוד המכונים קוצים דנדריטיים. אחרים מעוניינים כיצד ניסיון יכול לשנות את ההתפלגות של קולטני נוירוטרנסמיטר על ממברנות סינפטיות, אשר יכול לחזק את כוח האיתות של סינפסה בתופעה המכונה potentiation לטווח ארוך, או LTP.
כפי שניתן לראות, חוקרי מוח תאיים ומולקולריים ניגשים לנוירוביולוגיה מנקודת מבט מיקרוסקופית, אך מגוון התהליכים שהם חוקרים הוא רחב ידיים.
כעת, כאשר אתם מכירים כמה מהשאלות המרגשות הנשאלות במעבדות מדעי המוח התאיים והמולקולריים, בואו נסתכל על הכלים הזמינים כדי לענות עליהן.
ראשית, כדי לחקור את השליטה הגנטית של תפקוד הנוירון, למדענים יש כמה טכניקות חזקות מאוד העומדות לרשותם. לדוגמה, מיקרו-עראיות יכולות לכמת את הביטוי של מספר עצום של גנים בו זמנית. מיקרו-ערייה היא משטח עם עשרות אלפי גזירים של "גשושיות" דנ"א נטושות המחוברות אליו. חומר גנטי המופק מתא עצב מותר להיקשר לבדיקות, וסמנים פלואורסצנטיים משמשים כדי לדמיין בדיוק אילו רצפים נמצאים במדגם.
לחלופין, PCR בזמן אמת או כמותי, משתמש בציוד שיכול למדוד בעקיפין את הכמות היחסית של תמלילי mRNA ספציפיים באמצעות שיטה מבוססת PCR. גישה זו שימושית ביותר לזיהוי רמות הביטוי של גנים בודדים.
ואחרון חביב, טכנולוגיה מהונדסת היא כלי חשוב לחקירת תפקוד הגנים במערכת העצבים. בשיטה זו, חוקרים יכולים לייצר בעלי חיים עם חלקים של הגנום שלהם הוסר, המכונה נוקאאוטים, או עם גנים מהונדסים מוכנס לתוך הקוד הגנטי שלהם, המכונה מהונדסים. ניתן לנתח רקמות מערכת העצבים מבעלי חיים אלה במגוון דרכים כדי לקבוע כיצד שינויים בביטוי הגנים משפיעים על תפקוד התא.
כדי לחקור את השליטה המולקולרית של איתות עצבי, חוקרים מעדיפים לעתים קרובות לחקור רקמת המוח מחוץ לחיה, בין אם בחתיכות רקמות קטנות או בתאים מנותקים הגדלים במבחנה הנקראת תרביות עצביות ראשוניות. אחד היתרונות של מערכת פשוטה זו הוא היכולת לתפעל ביעילות את הביטוי של גנים בעלי עניין באיתות עצבי על ידי טרנספקטציה. לאחר מכן ניתן לראות את התוצאות של מניפולציות גנטיות אלה על ידי הדמיה של לוקליזציה של חלבונים, ניתוח של מורפולוגיה של תאים, או הקלטות אלקטרופיזיולוגיות.
לבסוף, ההתקדמות הדרמטית בטכנולוגיית ההדמיה מאפשרת למדענים לחקור פלסטיות עצבית בדרכים חדשות ומלהיבות. לדוגמה, חוקרים יכולים להשתמש במיקרוסקופיה של שני פוטונים כדי לדמיין שכבות עמוקות של רקמות חיות בפירוט רב. לאחר יצירת "חלון" בגולגולת, טכניקה זו יכולה לשמש כדי לדמיין מורפולוגיה של תאי המוח לפני ואחרי שבעלי חיים עוברים חוויה, ומאפשרים לחוקרים לראות איך נראית למידה ברמה העצבית.
כלי הדמיה משמשים גם כדי לחקור רכיבים מולקולריים של מערכת העצבים ברקמות משומרות. מיקרוסקופיית פלואורסצנטיות משמשת לעתים קרובות בשילוב עם אימונוהיסטוכימיה, שבה דגימות מוכתמות בנוגדנים פלואורסצנטיים המסמנים לוקליזציה תאית של חלבונים ספציפיים.
לאחר שבדקנו הן שאלות חשובות והן את הכלים המשמשים כדי לענות עליהן, בואו נסתכל על כמה יישומים של מחקר מדעי המוח התאי והמולקולרי.
ראשית, על ידי יישום טכניקות microarray על אוכלוסייה קטנה של נוירונים, חוקרים יכולים לבחון את ההבדלים בביטוי של גנים שונים בסוגים עצביים ספציפיים. כאן, נוירונים בודדים היו מבודדים מהרשתית ורנ"א הסלולר הוצא, המאפשר לחוקרים פרופיל הביטוי של mRNAs מתאים עם מאפיינים פונקציונליים ומורפולוגיים שונים.
טכניקות מולקולריות ניתן ליישם גם כדי להבין טוב יותר את התגובה של מערכת העצבים לפציעה. כאשר גרעיני שורש הגב, או DRGs, מוסרים מעכברים בוגרים לתרבות העצבית העיקרית, אקסונים מנותקים בהכרח. על ידי שינוי נוירוני DRG מנותקים עם מבנים השתקת גנים, ניתן לבדוק את ההשפעה של חלבונים בודדים על גידול מחדש של אקסונים חדשים.
טכניקות הדמיה מיוחדות ניתן להשתמש כדי ללמוד כיצד חלבונים כמו קולטני נוירוטרנסמיטר מועברים אל וממנה קרום סינפטי. בניסוי זה, נוירונים מתורבתים הועברו עם גן קידוד חלבון ממברנה מתויג פלואורסצנטרית. באמצעות מיקרוסקופ קונפוקלי, אזורים קטנים של הממברנה היו אז מצולמת, כלומר פלואורופורים באזור זה נהרסו. עם ערכת ההלבנה המשמשת כאן, ההתאוששות המתקדמת של פלואורסצנטיות, או FRAP, משקפת את ההובלה של חלבונים פלואורסצנטיים חדשים לתוך קרום הפלזמה. ניתן לכמת ולהשוות את הקצב שבו מתרחשת תנועה זו על פני תנאי ניסוי רבים.
הרגע צפית בהקדמה של ג'וב למדעי המוח התאיים והמולקולריים. בסרטון זה דנו בתגליות ההיסטוריות שהפכו את מדעי המוח התאיים והמולקולריים לתחום שהוא היום, כמה שאלות מרכזיות בתחום, והטכניקות המשמשות כדי לענות עליהן.
כמו תמיד, תודה שצפית בחינוך מדעי JoVE!
מדעי המוח התאיים והמולקולריים הם אחד מתת-התת-מדעי המוח החדשים והצומחים ביותר במדעי המוח. על ידי חקירת ההשפעות של גנים, מולקולות איתות ומורפולוגיה תאית…
הרפלקסים הפשוטים ביותר לחוויות הרגשיות הנשגב ביותר מושרשים כולם במבנים מולקולריים, גנטיים ותאיים במוח. כאחד התחומים החדשים ביותר במדעי המוח, מדעי המוח התאיים והמולקולריים ממנפים ביולוגיה מולקולרית כדי לחקור כיצד גנים, מולקולות איתות ומורפולוגיה תאית משפיעים על מערכת העצבים
סרטון זה יציג תגליות ציון דרך בתחום, יעסוק בשאלות מרכזיות במחקר מדעי המוח התאיים והמולקולריים, ולבסוף יציג כמה שיטות בולטות שניתן ליישם כדי לענות על שאלות אלה.
בואו נתחיל בהסתכלות לאחור על השורשים המדעיים של התחום הצעיר יחסית הזה.
לפני שהיו טכניקות מולקולריות, אנטומיסטים וביולוגים של תאים שלטו בהיסטוריה המוקדמת של מדעי המוח.
עם זאת, בשנות ה-30 של ה-30, זרם של פיזיקאים, כימאים ותיאורטיקנים לשורות הביולוגים החל את המהפכה המולקולרית, שהגיעה לשיאה בגילוי מבנה הדנ"א של ווטסון וריק ובפורמליזציה של הדוגמה המרכזית, שהסבירה כיצד DNA מקודד את החלבונים המשמשים כיחידות התפקודיות של התאים. בפעם הראשונה, מדעני מוח הצליחו לחקור את התפקיד שגנים וחלבונים ספציפיים שיחקו בתפקוד מערכת העצבים.
לדוגמה, בשנות השישים, סימור בנזר הצליח לחבר שינויים התנהגותיים בזבובי פירות למוטציות גנטיות ספציפיות, וזיהה גנים מרכזיים שבאו לידי ביטוי בנוירונים השולטים בהתנהגות, כמו תנועה.
באותה תקופה, אריק קנדל הדגים כי תהליכים מורכבים כמו למידה יש גם בסיס מולקולרי. באמצעות התסיסה הימית Aplysia הוא ניתח תמציות רקמה עצבית, וסיבך את מולקולת איתות תאי AMP מחזורית במסלול קריטי ללמידה.
ואז, בשנות השמונים, חברי המעבדה של שוסקו נומה היו הראשונים לשכפל מולקולות מפתח בתפקוד הנוירונים, כמו ערוץ הנתרן המגודר במתח. ניתוחים של התחומים התפקודיים בתוך חלבוני הממברנה הגדולים האלה שיפרו מאז את הבנתנו כיצד השליטה בתנועות היונים מובילה לירי נוירונים.
תגלית חשובה נוספת במנגנונים המולקולריים שמאחורי התקשורת העצבית הגיעה בשנות התשעים, כאשר תומאס סודהוף גילה שיונים סידן משנים את צורת החלבונים העוגנים שלטים מלאים נוירוטרנסמיטר לקרום התא, ומסבירים כיצד פוטנציאל הפעולה מוביל לשחרור מדויק של אותות כימיים לתוך הסינפסה.
מנוירולוגיה להתנהגות, תגליות במדעי המוח המולקולריים שיפרו את הבנתנו של דיסציפלינות מדעיות רבות.
למרות ההיסטוריה הפורייה הזו, יש עוד הרבה מה ללמוד! בואו נסקור כמה שאלות שנשאלות במעבדות היום.
תחום מחקר אחד שואל אילו גנים משפיעים על תפקוד העצב. לדוגמה, הרחבות נוקלאוטידים בגנים ספציפיים ידועים כמעורבים במספר מחלות המאופיינות בירידה מתמדת בבריאות הנוירונים, כמו מחלת הנטינגטון.
קבוצה נוספת של גנים הנחקרים מקודדים גורמי שעתוק: חלבונים המסדירים את הביטוי של גנים ספציפיים. זיהוי מטרות הדנ"א של גורמי שעתוק ספציפיים למערכת העצבים יכול לתת לנו מבט טוב יותר על התוכנית הגנטית שגורמת לנו לחשוב.
לחלופין, מדעני מוח עשויים לשאול כיצד מולקולות מווסתות את ההתנהגות העצבית. לדוגמה הם עשויים ללמוד את המכונות המולקולריות המווסתות תנועות יונים על פני קרום התא, וכתוצאה מכך התפשטות של פוטנציאל פעולה. המחקר כאן נתן לנו הרדמה כמו לידוקאין, שחוסם ערוצי יונים ספציפיים ומופסק העברת אותות כאב למוח.
לחלופין, מדענים עשויים לבחון את אתרי האינטראקציה בין נוירונים, המכונה סינפסה. כאן, הם עשויים לשאול אילו מולקולות מעורבות בשמירה על שלמות הסינפסה, וכיצד ניתן לשחזר קשרים אלה במצבי מחלה.
פלסטיות עצבית היא היכולת של מערכת העצבים להסתגל כימית ופיזית בתגובה לחוויה. מחקר מסוים בתחום זה מתמקד בשינויים מורפולוגיים תלויי ניסיון במבנים עצביים משוכללים, המכונים ארבורים דנדריטיים, היוצרים סינפסות באמצעות מבנים דינמיים מאוד המכונים קוצים דנדריטיים. אחרים מעוניינים כיצד ניסיון יכול לשנות את ההתפלגות של קולטני נוירוטרנסמיטר על ממברנות סינפטיות, אשר יכול לחזק את כוח האיתות של סינפסה בתופעה המכונה potentiation לטווח ארוך, או LTP.
כפי שניתן לראות, חוקרי מוח תאיים ומולקולריים ניגשים לנוירוביולוגיה מנקודת מבט מיקרוסקופית, אך מגוון התהליכים שהם חוקרים הוא רחב ידיים.
כעת, כאשר אתם מכירים כמה מהשאלות המרגשות הנשאלות במעבדות מדעי המוח התאיים והמולקולריים, בואו נסתכל על הכלים הזמינים כדי לענות עליהן.
ראשית, כדי לחקור את השליטה הגנטית של תפקוד הנוירון, למדענים יש כמה טכניקות חזקות מאוד העומדות לרשותם. לדוגמה, מיקרו-עראיות יכולות לכמת את הביטוי של מספר עצום של גנים בו זמנית. מיקרו-ערייה היא משטח עם עשרות אלפי גזירים של "גשושיות" דנ"א נטושות המחוברות אליו. חומר גנטי המופק מתא עצב מותר להיקשר לבדיקות, וסמנים פלואורסצנטיים משמשים כדי לדמיין בדיוק אילו רצפים נמצאים במדגם.
לחלופין, PCR בזמן אמת או כמותי, משתמש בציוד שיכול למדוד בעקיפין את הכמות היחסית של תמלילי mRNA ספציפיים באמצעות שיטה מבוססת PCR. גישה זו שימושית ביותר לזיהוי רמות הביטוי של גנים בודדים.
ואחרון חביב, טכנולוגיה מהונדסת היא כלי חשוב לחקירת תפקוד הגנים במערכת העצבים. בשיטה זו, חוקרים יכולים לייצר בעלי חיים עם חלקים של הגנום שלהם הוסר, המכונה נוקאאוטים, או עם גנים מהונדסים מוכנס לתוך הקוד הגנטי שלהם, המכונה מהונדסים. ניתן לנתח רקמות מערכת העצבים מבעלי חיים אלה במגוון דרכים כדי לקבוע כיצד שינויים בביטוי הגנים משפיעים על תפקוד התא.
כדי לחקור את השליטה המולקולרית של איתות עצבי, חוקרים מעדיפים לעתים קרובות לחקור רקמת המוח מחוץ לחיה, בין אם בחתיכות רקמות קטנות או בתאים מנותקים הגדלים במבחנה הנקראת תרביות עצביות ראשוניות. אחד היתרונות של מערכת פשוטה זו הוא היכולת לתפעל ביעילות את הביטוי של גנים בעלי עניין באיתות עצבי על ידי טרנספקטציה. לאחר מכן ניתן לראות את התוצאות של מניפולציות גנטיות אלה על ידי הדמיה של לוקליזציה של חלבונים, ניתוח של מורפולוגיה של תאים, או הקלטות אלקטרופיזיולוגיות.
לבסוף, ההתקדמות הדרמטית בטכנולוגיית ההדמיה מאפשרת למדענים לחקור פלסטיות עצבית בדרכים חדשות ומלהיבות. לדוגמה, חוקרים יכולים להשתמש במיקרוסקופיה של שני פוטונים כדי לדמיין שכבות עמוקות של רקמות חיות בפירוט רב. לאחר יצירת "חלון" בגולגולת, טכניקה זו יכולה לשמש כדי לדמיין מורפולוגיה של תאי המוח לפני ואחרי שבעלי חיים עוברים חוויה, ומאפשרים לחוקרים לראות איך נראית למידה ברמה העצבית.
כלי הדמיה משמשים גם כדי לחקור רכיבים מולקולריים של מערכת העצבים ברקמות משומרות. מיקרוסקופיית פלואורסצנטיות משמשת לעתים קרובות בשילוב עם אימונוהיסטוכימיה, שבה דגימות מוכתמות בנוגדנים פלואורסצנטיים המסמנים לוקליזציה תאית של חלבונים ספציפיים.
לאחר שבדקנו הן שאלות חשובות והן את הכלים המשמשים כדי לענות עליהן, בואו נסתכל על כמה יישומים של מחקר מדעי המוח התאי והמולקולרי.
ראשית, על ידי יישום טכניקות microarray על אוכלוסייה קטנה של נוירונים, חוקרים יכולים לבחון את ההבדלים בביטוי של גנים שונים בסוגים עצביים ספציפיים. כאן, נוירונים בודדים היו מבודדים מהרשתית ורנ"א הסלולר הוצא, המאפשר לחוקרים פרופיל הביטוי של mRNAs מתאים עם מאפיינים פונקציונליים ומורפולוגיים שונים.
טכניקות מולקולריות ניתן ליישם גם כדי להבין טוב יותר את התגובה של מערכת העצבים לפציעה. כאשר גרעיני שורש הגב, או DRGs, מוסרים מעכברים בוגרים לתרבות העצבית העיקרית, אקסונים מנותקים בהכרח. על ידי שינוי נוירוני DRG מנותקים עם מבנים השתקת גנים, ניתן לבדוק את ההשפעה של חלבונים בודדים על גידול מחדש של אקסונים חדשים.
טכניקות הדמיה מיוחדות ניתן להשתמש כדי ללמוד כיצד חלבונים כמו קולטני נוירוטרנסמיטר מועברים אל וממנה קרום סינפטי. בניסוי זה, נוירונים מתורבתים הועברו עם גן קידוד חלבון ממברנה מתויג פלואורסצנטרית. באמצעות מיקרוסקופ קונפוקלי, אזורים קטנים של הממברנה היו אז מצולמת, כלומר פלואורופורים באזור זה נהרסו. עם ערכת ההלבנה המשמשת כאן, ההתאוששות המתקדמת של פלואורסצנטיות, או FRAP, משקפת את ההובלה של חלבונים פלואורסצנטיים חדשים לתוך קרום הפלזמה. ניתן לכמת ולהשוות את הקצב שבו מתרחשת תנועה זו על פני תנאי ניסוי רבים.
הרגע צפית בהקדמה של ג'וב למדעי המוח התאיים והמולקולריים. בסרטון זה דנו בתגליות ההיסטוריות שהפכו את מדעי המוח התאיים והמולקולריים לתחום שהוא היום, כמה שאלות מרכזיות בתחום, והטכניקות המשמשות כדי לענות עליהן.
כמו תמיד, תודה שצפית בחינוך מדעי JoVE!
הרפלקסים הפשוטים ביותר לחוויות הרגשיות הנשגב ביותר מושרשים כולם במבנים מולקולריים, גנטיים ותאיים במוח. כאחד התחומים החדשים ביותר במדעי המוח, מדעי המוח התאיים והמולקולריים ממנפים ביולוגיה מולקולרית כדי לחקור כיצד גנים, מולקולות איתות ומורפולוגיה תאית משפיעים על מערכת העצבים
סרטון זה יציג תגליות ציון דרך בתחום, יעסוק בשאלות מרכזיות במחקר מדעי המוח התאיים והמולקולריים, ולבסוף יציג כמה שיטות בולטות שניתן ליישם כדי לענות על שאלות אלה.
בואו נתחיל בהסתכלות לאחור על השורשים המדעיים של התחום הצעיר יחסית הזה.
לפני שהיו טכניקות מולקולריות, אנטומיסטים וביולוגים של תאים שלטו בהיסטוריה המוקדמת של מדעי המוח.
עם זאת, בשנות ה-30 של ה-30, זרם של פיזיקאים, כימאים ותיאורטיקנים לשורות הביולוגים החל את המהפכה המולקולרית, שהגיעה לשיאה בגילוי מבנה הדנ"א של ווטסון וריק ובפורמליזציה של הדוגמה המרכזית, שהסבירה כיצד DNA מקודד את החלבונים המשמשים כיחידות התפקודיות של התאים. בפעם הראשונה, מדעני מוח הצליחו לחקור את התפקיד שגנים וחלבונים ספציפיים שיחקו בתפקוד מערכת העצבים.
לדוגמה, בשנות השישים, סימור בנזר הצליח לחבר שינויים התנהגותיים בזבובי פירות למוטציות גנטיות ספציפיות, וזיהה גנים מרכזיים שבאו לידי ביטוי בנוירונים השולטים בהתנהגות, כמו תנועה.
באותה תקופה, אריק קנדל הדגים כי תהליכים מורכבים כמו למידה יש גם בסיס מולקולרי. באמצעות התסיסה הימית Aplysia הוא ניתח תמציות רקמה עצבית, וסיבך את מולקולת איתות תאי AMP מחזורית במסלול קריטי ללמידה.
ואז, בשנות השמונים, חברי המעבדה של שוסקו נומה היו הראשונים לשכפל מולקולות מפתח בתפקוד הנוירונים, כמו ערוץ הנתרן המגודר במתח. ניתוחים של התחומים התפקודיים בתוך חלבוני הממברנה הגדולים האלה שיפרו מאז את הבנתנו כיצד השליטה בתנועות היונים מובילה לירי נוירונים.
תגלית חשובה נוספת במנגנונים המולקולריים שמאחורי התקשורת העצבית הגיעה בשנות התשעים, כאשר תומאס סודהוף גילה שיונים סידן משנים את צורת החלבונים העוגנים שלטים מלאים נוירוטרנסמיטר לקרום התא, ומסבירים כיצד פוטנציאל הפעולה מוביל לשחרור מדויק של אותות כימיים לתוך הסינפסה.
מנוירולוגיה להתנהגות, תגליות במדעי המוח המולקולריים שיפרו את הבנתנו של דיסציפלינות מדעיות רבות.
למרות ההיסטוריה הפורייה הזו, יש עוד הרבה מה ללמוד! בואו נסקור כמה שאלות שנשאלות במעבדות היום.
תחום מחקר אחד שואל אילו גנים משפיעים על תפקוד העצב. לדוגמה, הרחבות נוקלאוטידים בגנים ספציפיים ידועים כמעורבים במספר מחלות המאופיינות בירידה מתמדת בבריאות הנוירונים, כמו מחלת הנטינגטון.
קבוצה נוספת של גנים הנחקרים מקודדים גורמי שעתוק: חלבונים המסדירים את הביטוי של גנים ספציפיים. זיהוי מטרות הדנ"א של גורמי שעתוק ספציפיים למערכת העצבים יכול לתת לנו מבט טוב יותר על התוכנית הגנטית שגורמת לנו לחשוב.
לחלופין, מדעני מוח עשויים לשאול כיצד מולקולות מווסתות את ההתנהגות העצבית. לדוגמה הם עשויים ללמוד את המכונות המולקולריות המווסתות תנועות יונים על פני קרום התא, וכתוצאה מכך התפשטות של פוטנציאל פעולה. המחקר כאן נתן לנו הרדמה כמו לידוקאין, שחוסם ערוצי יונים ספציפיים ומופסק העברת אותות כאב למוח.
לחלופין, מדענים עשויים לבחון את אתרי האינטראקציה בין נוירונים, המכונה סינפסה. כאן, הם עשויים לשאול אילו מולקולות מעורבות בשמירה על שלמות הסינפסה, וכיצד ניתן לשחזר קשרים אלה במצבי מחלה.
פלסטיות עצבית היא היכולת של מערכת העצבים להסתגל כימית ופיזית בתגובה לחוויה. מחקר מסוים בתחום זה מתמקד בשינויים מורפולוגיים תלויי ניסיון במבנים עצביים משוכללים, המכונים ארבורים דנדריטיים, היוצרים סינפסות באמצעות מבנים דינמיים מאוד המכונים קוצים דנדריטיים. אחרים מעוניינים כיצד ניסיון יכול לשנות את ההתפלגות של קולטני נוירוטרנסמיטר על ממברנות סינפטיות, אשר יכול לחזק את כוח האיתות של סינפסה בתופעה המכונה potentiation לטווח ארוך, או LTP.
כפי שניתן לראות, חוקרי מוח תאיים ומולקולריים ניגשים לנוירוביולוגיה מנקודת מבט מיקרוסקופית, אך מגוון התהליכים שהם חוקרים הוא רחב ידיים.
כעת, כאשר אתם מכירים כמה מהשאלות המרגשות הנשאלות במעבדות מדעי המוח התאיים והמולקולריים, בואו נסתכל על הכלים הזמינים כדי לענות עליהן.
ראשית, כדי לחקור את השליטה הגנטית של תפקוד הנוירון, למדענים יש כמה טכניקות חזקות מאוד העומדות לרשותם. לדוגמה, מיקרו-עראיות יכולות לכמת את הביטוי של מספר עצום של גנים בו זמנית. מיקרו-ערייה היא משטח עם עשרות אלפי גזירים של "גשושיות" דנ"א נטושות המחוברות אליו. חומר גנטי המופק מתא עצב מותר להיקשר לבדיקות, וסמנים פלואורסצנטיים משמשים כדי לדמיין בדיוק אילו רצפים נמצאים במדגם.
לחלופין, PCR בזמן אמת או כמותי, משתמש בציוד שיכול למדוד בעקיפין את הכמות היחסית של תמלילי mRNA ספציפיים באמצעות שיטה מבוססת PCR. גישה זו שימושית ביותר לזיהוי רמות הביטוי של גנים בודדים.
ואחרון חביב, טכנולוגיה מהונדסת היא כלי חשוב לחקירת תפקוד הגנים במערכת העצבים. בשיטה זו, חוקרים יכולים לייצר בעלי חיים עם חלקים של הגנום שלהם הוסר, המכונה נוקאאוטים, או עם גנים מהונדסים מוכנס לתוך הקוד הגנטי שלהם, המכונה מהונדסים. ניתן לנתח רקמות מערכת העצבים מבעלי חיים אלה במגוון דרכים כדי לקבוע כיצד שינויים בביטוי הגנים משפיעים על תפקוד התא.
כדי לחקור את השליטה המולקולרית של איתות עצבי, חוקרים מעדיפים לעתים קרובות לחקור רקמת המוח מחוץ לחיה, בין אם בחתיכות רקמות קטנות או בתאים מנותקים הגדלים במבחנה הנקראת תרביות עצביות ראשוניות. אחד היתרונות של מערכת פשוטה זו הוא היכולת לתפעל ביעילות את הביטוי של גנים בעלי עניין באיתות עצבי על ידי טרנספקטציה. לאחר מכן ניתן לראות את התוצאות של מניפולציות גנטיות אלה על ידי הדמיה של לוקליזציה של חלבונים, ניתוח של מורפולוגיה של תאים, או הקלטות אלקטרופיזיולוגיות.
לבסוף, ההתקדמות הדרמטית בטכנולוגיית ההדמיה מאפשרת למדענים לחקור פלסטיות עצבית בדרכים חדשות ומלהיבות. לדוגמה, חוקרים יכולים להשתמש במיקרוסקופיה של שני פוטונים כדי לדמיין שכבות עמוקות של רקמות חיות בפירוט רב. לאחר יצירת "חלון" בגולגולת, טכניקה זו יכולה לשמש כדי לדמיין מורפולוגיה של תאי המוח לפני ואחרי שבעלי חיים עוברים חוויה, ומאפשרים לחוקרים לראות איך נראית למידה ברמה העצבית.
כלי הדמיה משמשים גם כדי לחקור רכיבים מולקולריים של מערכת העצבים ברקמות משומרות. מיקרוסקופיית פלואורסצנטיות משמשת לעתים קרובות בשילוב עם אימונוהיסטוכימיה, שבה דגימות מוכתמות בנוגדנים פלואורסצנטיים המסמנים לוקליזציה תאית של חלבונים ספציפיים.
לאחר שבדקנו הן שאלות חשובות והן את הכלים המשמשים כדי לענות עליהן, בואו נסתכל על כמה יישומים של מחקר מדעי המוח התאי והמולקולרי.
ראשית, על ידי יישום טכניקות microarray על אוכלוסייה קטנה של נוירונים, חוקרים יכולים לבחון את ההבדלים בביטוי של גנים שונים בסוגים עצביים ספציפיים. כאן, נוירונים בודדים היו מבודדים מהרשתית ורנ"א הסלולר הוצא, המאפשר לחוקרים פרופיל הביטוי של mRNAs מתאים עם מאפיינים פונקציונליים ומורפולוגיים שונים.
טכניקות מולקולריות ניתן ליישם גם כדי להבין טוב יותר את התגובה של מערכת העצבים לפציעה. כאשר גרעיני שורש הגב, או DRGs, מוסרים מעכברים בוגרים לתרבות העצבית העיקרית, אקסונים מנותקים בהכרח. על ידי שינוי נוירוני DRG מנותקים עם מבנים השתקת גנים, ניתן לבדוק את ההשפעה של חלבונים בודדים על גידול מחדש של אקסונים חדשים.
טכניקות הדמיה מיוחדות ניתן להשתמש כדי ללמוד כיצד חלבונים כמו קולטני נוירוטרנסמיטר מועברים אל וממנה קרום סינפטי. בניסוי זה, נוירונים מתורבתים הועברו עם גן קידוד חלבון ממברנה מתויג פלואורסצנטרית. באמצעות מיקרוסקופ קונפוקלי, אזורים קטנים של הממברנה היו אז מצולמת, כלומר פלואורופורים באזור זה נהרסו. עם ערכת ההלבנה המשמשת כאן, ההתאוששות המתקדמת של פלואורסצנטיות, או FRAP, משקפת את ההובלה של חלבונים פלואורסצנטיים חדשים לתוך קרום הפלזמה. ניתן לכמת ולהשוות את הקצב שבו מתרחשת תנועה זו על פני תנאי ניסוי רבים.
הרגע צפית בהקדמה של ג'וב למדעי המוח התאיים והמולקולריים. בסרטון זה דנו בתגליות ההיסטוריות שהפכו את מדעי המוח התאיים והמולקולריים לתחום שהוא היום, כמה שאלות מרכזיות בתחום, והטכניקות המשמשות כדי לענות עליהן.
כמו תמיד, תודה שצפית בחינוך מדעי JoVE!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is cellular and molecular neuroscience?
Cellular and molecular neuroscience is a subdiscipline that leverages molecular biology to explore how genes, signaling molecules, and cellular morphology influence the nervous system. It combines techniques from molecular biology with neuroscience to understand normal brain function and pathological conditions. This field emerged in the 1930s when physicists, chemists, and theoreticians joined biologists, enabling investigation of specific genes and proteins in nervous system function.
Q2: How do microarrays measure gene expression in neurons?
Microarrays are surfaces with tens of thousands of single-stranded DNA probes attached. Genetic material extracted from neurons binds to these probes, and fluorescent markers visualize which sequences are present. This technique allows simultaneous quantification of expression across a huge number of genes, making it powerful for profiling neuronal subtypes and identifying differences in gene expression patterns.
Q3: What role do calcium ions play in neurotransmitter release?
Calcium ions alter the shape of proteins that anchor neurotransmitter-filled vesicles to the cell membrane. This discovery by Thomas Sudhof in the 1990s explained how action potentials lead to precisely timed release of chemical signals into the synapse. Understanding this molecular mechanism revealed the link between neuronal electrical activity and chemical communication between neurons.
Q4: How do researchers study neuronal plasticity using imaging?
Two-photon microscopy allows visualization of deep layers in living tissues with great detail. After creating a window in the skull, researchers can image brain cell morphology before and after animals undergo experiences, revealing what learning looks like at the neuronal level. This imaging approach enables direct observation of experience-dependent changes in dendritic arbors and synaptic structures.
Q5: What is transfection and why is it useful in neuronal research?
Transfection is a method to efficiently manipulate gene expression in neurons by introducing modified genetic material into cells. Researchers use transfection to study molecular control of neuronal signaling in primary neuronal cultures grown in vitro. Results can be observed through protein localization visualization, cell morphology analysis, or electrophysiological recordings to determine how genetic changes affect cellular function.
Q6: How do voltage-gated sodium channels relate to neuronal firing?
Voltage-gated sodium channels are key molecules in neuron function that control ion movements across the cell membrane. When these channels were first cloned in the 1980s, analysis of their functional domains improved understanding of how ion movement regulation leads to neuron firing. This discovery was foundational to understanding the molecular basis of neuronal electrical activity and action potential propagation.
Q7: What does FRAP reveal about protein transport in neurons?
FRAP, or fluorescence recovery after photobleaching, measures protein transport to and from synaptic membranes. Cultured neurons are transfected with fluorescently tagged membrane proteins, then small membrane regions are photobleached to destroy fluorophores. Progressive fluorescence recovery reflects transport of new proteins into the plasma membrane, and the rate of movement can be quantified and compared across experimental conditions.
פרקים בסרטון זה
0:00
Overview
0:53
The History of Molecular Neuroscience
3:26
Key Questions
5:49
Prominent Methods
9:02
Applications
10:55
Summary