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Advanced Biology

Introduzione alla neuroanatomia

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Neuroscience

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JoVE Science Education Neuroscience

An Introduction to Neuroanatomy

1.3: Calcium Imaging in Neurons

1.5: Rodent Stereotaxic Surgery

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10:15 min

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April 30, 2023

Overview

La neuroanatomia è lo studio delle strutture del sistema nervoso e di come si relazionano alla funzione. Un obiettivo dei neuroanatomisti sono le strutture macroscopiche all’interno del sistema nervoso centrale e periferico, come le pieghe corticali sulla superficie del cervello. Tuttavia, gli scienziati in questo campo sono anche interessati alle relazioni microscopiche tra neuroni e glia – i due principali tipi di cellule del sistema nervoso.

Questo video fornisce una breve panoramica della storia della ricerca neuroanatomica, che risale al 4 ° secolo aC, quando i filosofi proposero per la prima volta che l’anima risiedesse nel cervello piuttosto che nel cuore. Vengono anche esaminate le domande chiave poste dai neuroanatomisti, inclusi argomenti come il ruolo che la citoarchitettura, o la disposizione dei neuroni e della glia, gioca nella funzione cerebrale; e come la neuroanatomia cambia a seguito dell’esperienza o della malattia. Successivamente, vengono descritti alcuni degli strumenti disponibili per rispondere a queste domande, come l’istologia e la risonanza magnetica. Infine, il video fornisce diverse applicazioni della ricerca neuroanatomica, dimostrando come il campo vive nei laboratori di neuroscienze di oggi.

Procedure

Attraverso lo studio della neuroanatomia, gli scienziati tentano di disegnare una mappa per navigare nel complesso sistema che controlla il nostro comportamento. A livello microscopico, i neuroanatomisti studiano le relazioni tra le cellule segnalanti, note come neuroni; celle di mantenimento, note come glia; e la struttura della matrice extracellulare che li supporta. Da una visione più ampia, a livello di organi, la neuroanatomia esamina le strutture cerebrali e le vie nervose.

Questo video fornirà una panoramica della ricerca neuroanatomica introducendo la storia del campo, le domande chiave poste dai neuroanatomisti e gli strumenti disponibili per rispondere a tali domande, seguita da una revisione di alcuni esperimenti specifici che indagano la neuroanatomia.

Iniziamo rivedendo la storia di questa branca delle neuroscienze. Le radici della ricerca neuroanatomica possono essere fatte risalire al 4 ° secolo aC, quando Ippocrate ipotizzò che l’attività mentale risiedesse nel cervello, piuttosto che nel cuore.

Ma non fu fino alla fine del 15 ° secolo, quando Papa Sisto IV destigmatizzò la dissezione umana, che lo studio della neuroanatomia fu rivitalizzato, come riflesso dalla pubblicazione nel 1543 di “Sul funzionamento del corpo umano” di Andreas Vesalius, che includeva un resoconto dettagliato dell’anatomia del cervello.

Espandendo questo lavoro, nel 1664, Thomas Willis pubblicò “Anatomia del cervello”, in cui introdusse diverse nuove strutture neurologiche e speculò sulla loro funzione. Questo lavoro è ora considerato il fondamento della moderna neuroanatomia.

Alla fine del 16 ° secolo, l’invenzione del microscopio ha stimolato una seconda rivoluzione nella ricerca neuroanatomica. In seguito a questa svolta tecnologica, nel 1873, Camillo Golgi inventò una tecnica di colorazione per visualizzare i singoli neuroni al microscopio.

Grazie a queste innovazioni, nel 1888, Santiago Ramón y Cajal formulò la Dottrina dei neuroni: l’idea che l’unità anatomica e funzionale del cervello sia il neurone.

Tornato a livello macroscopico, nel 1909, Korbinian Brodmann pubblicò una serie di mappe cerebrali, in cui divise la corteccia cerebrale in 52 aree distinte, denominate “aree di Brodmann”. Queste mappe erano basate sulla sua osservazione che varie aree corticali hanno citoarchitettura diversa.

Più tardi, nel 1957, Wilder Penfield e Theodore Rasmussen generano l’homunculus corticale: una mappa più dettagliata di alcune aree di Brodmann che mostra le regioni che controllano specifiche funzioni motorie e sensoriali.

Basandosi su questi impressionanti studi storici sulla struttura del sistema nervoso a livello microscopico e macroscopico, i neuroanatomisti di oggi si pongono domande su come la struttura si relaziona alla funzione. Per cominciare, alcuni ricercatori si concentrano specificamente sulla citoarchitettura, o sulla disposizione di neuroni e glia. Ad esempio, per studiare nuclei specifici o cluster di neuroni nel cervello, è utile caratterizzare i sottotipi neuronali trovati lì e le connessioni che quelle cellule fanno con altre regioni del cervello.

Dato che la citoarchitettura è dinamica, un’altra domanda chiave in questo campo si concentra su come e perché avvengono i cambiamenti neuroanatomici.

Ad esempio, l’apprendimento e la memoria sono associati alla “neuroplasticità” o ai cambiamenti nei percorsi neurali, come le alterazioni nei punti di contatto strutturali tra i neuroni. Piccole sporgenze, chiamate spine dendritiche, possono cambiare dinamicamente in dimensioni, forma e numero in modo dipendente dall’attività.

Comprendere la struttura del sistema nervoso è anche fondamentale per spiegare la sua disfunzione.

Ad esempio, le malattie neurodegenerative debilitanti sono associate a cambiamenti neuroanatomici caratteristici, come la degenerazione dei neuroni dopaminergici osservata nella malattia di Parkinson.

Dopo aver discusso le domande chiave che i neuroanatomisti pongono, esaminiamo gli strumenti che questi scienziati usano per trovare risposte.

In primo luogo, l’istologia, o l’analisi di fette di tessuto colorato, è una tecnica essenziale per lo studio della citoarchitettura.

I neuroanatomisti hanno una serie di macchie a loro disposizione per visualizzare strutture specifiche nel sistema nervoso.

L’istochimica è una branca dell’istologia basata sulla localizzazione e l’identificazione di componenti chimici. Un’applicazione particolarmente preziosa dell’istochimica è il rilevamento di traccianti: molecole che vengono introdotte nei neuroni per visualizzare le loro connessioni all’interno del sistema nervoso.

Come accennato in precedenza, l’avvento del microscopio ha rivoluzionato il modo in cui è stata studiata la neuroanatomia. Il microscopio ottico consente di immaginare il tessuto neuronale istologicamente colorato fino a mille volte le sue dimensioni originali, rivelando così la citoarchitettura. Il microscopio ottico a fluorescenza consente di visualizzare le proteine immunomarcate nelle sezioni di tessuto o in coltura e consente studi di colocalizzazione, che comportano la determinazione se due proteine sono o meno in stretta vicinanza all’interno di un singolo neurone.

L’imaging confocale è un metodo migliorato di microscopia a fluorescenza che consente il sezionamento ottico del tessuto neuronale e può quindi essere utilizzato per generare ricostruzioni 3D dei neuroni in modo che la loro morfologia, o forma, possa essere studiata.

L’imaging a 2 fotoni è un altro tipo di imaging a fluorescenza, che può penetrare profondamente nei tessuti ed è spesso utilizzato per l’imaging dal vivo del cervello negli animali che si comportano.

Tuttavia, nessun fotone può penetrare come un elettrone, quindi la microscopia elettronica è stata preziosa per fornire la risoluzione subnanometrica delle strutture neuronali. In particolare, la sinapsi è stata visualizzata con dettagli squisiti utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione. Inoltre, compilando le immagini ottenute da sezioni seriali visualizzate al microscopio elettronico, è possibile generare ricostruzioni 3D di “volumi” neuronali tramite un processo noto come tomografia.

Per monitorare i cambiamenti nelle strutture neuroanatomiche nel tempo, il neuroimaging è uno strumento estremamente utile. La risonanza magnetica, o MRI, è ampiamente utilizzata per studiare il cervello negli esseri umani. Questa tecnica fornisce un’immagine del cervello nel suo complesso, fino a una risoluzione di 1 mm. La risonanza magnetica può essere utilizzata per indagare la sostanza bianca attraverso la trattografia. Con questa tecnica, i neuroanatomisti visualizzano fasci di assoni, rivelando connessioni tra e all’interno delle aree cerebrali.

Al fine di valutare i correlati tra neuroanatomia e stati patologici, gli scienziati fanno spesso uso di tecniche chirurgiche applicate a modelli animali. La chirurgia stereotassica utilizza un sistema di coordinate tridimensionali e atlanti anatomici dettagliati per consentire ai ricercatori di manipolare fisicamente aree anatomiche isolate. Con un apparato stereotassico e le informazioni anatomiche appropriate, è possibile fornire stimolazione elettrica, introdurre farmaci o altre sostanze o creare lesioni in regioni mirate del cervello.

Successivamente, esaminiamo alcune applicazioni di questi metodi. Informazioni dettagliate sulla struttura del cervello possono essere ottenute attraverso l’analisi di cervelli conservati che sono sottilmente tagliati in sezioni. Per evidenziare caratteristiche strutturali distinte, queste sezioni del cervello dei primati sono state colorate per mostrare l’espressione di tre proteine in tutto il cervello. Le sezioni colorate possono anche essere studiate ad alto ingrandimento, consentendo ai ricercatori di visualizzare la struttura a livello cellulare.

L’esperienza può modificare la struttura neuronale a livello cellulare. In questo esperimento, i giovani ratti sono esposti a stimoli tattili durante lo sviluppo. Quando raggiungono l’età adulta, i campioni di cervello vengono raccolti e colorati per visualizzare la morfologia cellulare. Le immagini risultanti rivelano cambiamenti nella forma e nel numero di dendriti, suggerendo una connettività neuronale alterata.

La neuroanatomia è fondamentale in ambito clinico, in quanto contribuisce alla diagnosi e al trattamento delle malattie neurologiche e psichiatriche. Ad esempio, i cambiamenti nella citoarchitettura sono strettamente legati a determinati stati patologici. Le tecniche di neuroimaging strutturale sono spesso combinate con l’imaging funzionale per confrontare l’attività di specifiche regioni del cervello in stati normali e patologici. Ad esempio, i pazienti affetti da commozione cerebrale mostrano cambiamenti nei modelli di attività neurale, che sono correlati al loro recupero dalla lesione.

Hai appena visto l’introduzione di JoVE alla neuroanatomia. In questo video, abbiamo ripercorso la storia della ricerca sulla neuroanatomia e introdotto le domande chiave poste dai neuroanatomisti. Abbiamo anche esplorato le strategie di ricerca a livello microscopico e macroscopico e discusso le loro applicazioni.

Grazie per l’attenzione!

Transcript

Through the study of neuroanatomy, scientists attempt to draw a map to navigate the complex system that controls our behavior. On the microscopic level, neuroanatomists investigate the relationships between signaling cells, known as neurons; maintenance cells, known as glia; and the extracellular matrix structure that support them. From a broader view, at the organ level, neuroanatomy examines brain structures and nerve pathways.

This video will provide an overview of neuroanatomical research by introducing the history of the field, key questions asked by neuroanatomists, and the tools available to answer those questions, followed by a review of some specific experiments investigating neuroanatomy.

Let’s begin by reviewing the history of this branch of neuroscience. The roots of neuroanatomical research can be traced back to the 4th century BC, when Hippocrates hypothesized that mental activity resides in the brain, rather than the heart.

But it was not until the end of the 15th century, when Pope Sixtus IV destigmatized human dissection, that the study of neuroanatomy was revitalized, as reflected by the publication in 1543 of Andreas Vesalius’s “On the Workings of the Human Body,” which included a detailed account of brain anatomy.

Expanding on this work, in 1664, Thomas Willis published the “Anatomy of the Brain”, in which he introduced several novel neurological structures and speculated on their function. This work is now considered to be the foundation of modern neuroanatomy.

At the end of the 16th century, the invention of the microscope spurred a second revolution in neuroanatomical research. Following on this technological breakthrough, in 1873, Camillo Golgi invented a staining technique to visualize single neurons under the microscope.

Thanks to these innovations, in 1888, Santiago Ramón y Cajal formulated the Neuron Doctrine: the idea that the anatomical and functional unit of the brain is the neuron.

Back at the macroscopic level, in 1909, Korbinian Brodmann published a series of brain maps, where he divided the cerebral cortex into 52 distinct areas, termed “Brodmann’s areas.” These maps were based on his observation that various cortical areas have different cytoarchitecture.

Later, in 1957, Wilder Penfield and Theodore Rasmussen generated the cortical homunculus: A more detailed map of a select Brodmann areas showing the regions controlling specific motor and sensory functions.

Building upon these impressive historical studies of nervous system structure at the microscopic and macroscopic levels, today’s neuroanatomists ask questions concerning how structure relates to function. To begin, some researchers focus specifically on cytoarchitecture, or the arrangement of neurons and glia. For example, to investigate specific nuclei, or neuron clusters in the brain, it is helpful to characterize the neuronal subtypes found there and the connections those cells make with other brain regions.

Given that cytoarchitecture is dynamic, another key question in this field focuses on how and why neuroanatomical changes take place.

For example, learning and memory are associated with “neuroplasticity,” or changes in neural pathways, like alterations in the structural contact points between neurons. Small protrusions, called dendritic spines, can dynamically change in size, shape, and number in an activity-dependent manner.

Understanding the structure of the nervous system is also pivotal to explaining its dysfunction.

For instance, debilitating neurodegenerative diseases are associated with characteristic neuroanatomical changes, such as the degeneration of dopaminergic neurons observed in Parkinson’s disease.

Having discussed the key questions that neuroanatomists ask, let’s review the tools these scientists use to find answers.

First, histology, or the analysis of stained tissue slices, is an essential technique for studying cytoarchitecture.

Neuroanatomists have a number of stains at their disposal to visualize specific structures in the nervous system.

Histochemistry is a branch of histology based on the localization and identification of chemical components. One particularly valuable application of histochemistry is the detection of tracers: Molecules that are introduced into neurons to visualize their connections within the nervous system.

As we mentioned previously, the advent of the microscope revolutionized the way that neuroanatomy was studied. The light microscope enables histologically-stained neuronal tissue to be imaged at up to a thousand times its original size, thereby revealing cytoarchitecture. The fluorescence light microscope allows for immunolabeled proteins to be imaged in tissue sections, or in culture, and permits colocalization studies, which involve determining whether or not two proteins are in close proximity within a single neuron.

Confocal imaging is an improved method of fluorescence microscopy that permits the optical sectioning of neuronal tissue and can therefore be used to generate 3D reconstructions of neurons so their morphology, or shape, can be studied.

2-photon imaging is another type of fluorescence imaging, which can penetrate deeply into tissue and is often used for live imaging of the brain in behaving animals.

However, no photon can penetrate quite like an electron, so electron microscopy has been invaluable for providing subnanometer resolution of neuronal structures. In particular, the synapse has been visualized in exquisite detail using transmission electron microscopy. Furthermore, by compiling the images obtained from serial sections visualized with electron microscopy, 3D reconstructions of neuronal “volumes” can be generated via a process known as tomography.

To monitor changes in neuroanatomical structures over time, neuroimaging is an extremely useful tool. Magnetic resonance imaging, or MRI, is extensively used to investigate the brain in humans. This technique provides a picture of the brain as a whole, down to a 1 mm resolution. MRI can be used to investigate white matter through tractography. With this technique, neuroanatomists visualize bundles of axons, revealing connections between, and within, brain areas.

In order to assess the correlates between neuroanatomy and disease states, scientists frequently make use of surgical techniques applied to animal models. Stereotactic surgery uses a 3-dimensional coordinate system and detailed anatomical atlases to allow researchers to physically manipulate isolated anatomical areas. With a stereotactic apparatus and the appropriate anatomical information, it is possible to deliver electrical stimulation, introduce drugs or other substances, or create lesions in targeted regions of the brain.

Next, let’s review some applications of these methods. Detailed information about brain structure can be obtained through analysis of preserved brains that are thinly sliced into sections. To highlight distinct structural features, these sections of primate brain were stained to show the expression of three proteins throughout the entire brain. Stained sections can also be studied at high magnification, allowing researchers to visualize structure at the cellular level.

Experience can modify neuronal structure at the cellular level. In this experiment, young rats are exposed to tactile stimuli throughout development. When they reach adulthood, brain samples are collected and stained to visualize cell morphology. The resulting images reveal changes in the shape and number of dendrites, suggesting altered neuronal connectivity.

Neuroanatomy is pivotal in clinical settings, as it contributes to diagnosis and treatment of neurological and psychiatric diseases. For instance, changes in cytoarchitecture are tightly linked to certain disease states. Structural neuroimaging techniques are frequently combined with functional imaging to compare the activity of specific brain regions in normal and disease states. For instance, patients suffering from concussion exhibit changes in neural activity patterns, which correlate with their recovery from the injury.

You’ve just watched JoVE’s introduction to neuroanatomy. In this video, we retraced the history of neuroanatomy research, and introduced the key questions neuroanatomists ask. We have also explored research strategies at the microscopic and macroscopic levels, and discussed their applications.

Thanks for watching!

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