Un'introduzione alla neurobiologia dello sviluppo

La neurobiologia dello sviluppo esplora come alcune cellule embrionali precoci possono trasformarsi in un sistema nervoso organizzato in modo complesso che controlla un intero organismo.

Gli scienziati in questo campo sono interessati a come le cellule assumono identità specifiche, migrano in regioni definite e si connettono per formare un sistema funzionale. Questi processi sono importanti per capire come funziona il sistema nervoso, nonché la diagnosi e il trattamento di una vasta gamma di malattie neurologiche radicate in uno sviluppo anormale.

Questo video ti porterà in un breve tour della storia della neurobiologia dello sviluppo, delineerà le domande chiave nel campo ed esplorerà i metodi di spicco utilizzati per rispondere a tali domande. Infine, daremo un'occhiata ad alcune applicazioni pratiche della ricerca sul neurosviluppo.

Iniziamo con alcuni studi di riferimento dalla storia della neurobiologia dello sviluppo.

La prima ricerca sullo sviluppo neurologico risale al 19 ° secolo. Nel 1880, Wilhelm His stabilì lo studio dell'istogenesi, o delle origini embrionali del tessuto. È stato una delle prime persone a guardare lo sviluppo di neuroni estendere processi come assoni e dendriti.

Nel 1924, gli embriologi Hans Spemann e Hilde Mangold studiarono la funzione di un gruppo di cellule noto come l'organizzatore di Spemann. Hanno scoperto che il trapianto dell'organizzatore su un altro embrione ha indotto la formazione di tessuto neurale secondario.

Poi, nel 1950, Rita Levi-Montalcini e Stanley Cohen osservarono che il trapianto di pezzi di tumori sullo sviluppo di embrioni di pollo portava a una rapida crescita dei neuroni. Hanno ipotizzato che il tumore secernesse una sostanza che ha causato questa crescita e presto hanno identificato quella proteina come fattore di crescita nervosa, o NGF, che è essenziale per la sopravvivenza dei neuroni.

In un altro studio sui trapianti, Nicole Le Douarin ha sostituito parti di embrioni di pulcino con quelli di quaglie. Seguendo le cellule di quaglia attraverso lo sviluppo, ha dimostrato che un gruppo altamente migratorio di cellule, noto come cresta neurale, dà origine a nervi periferici maturi.

Alcuni anni dopo, Pasko Rakic ha studiato come le cellule del sistema nervoso centrale si dispongono in strutture altamente ordinate durante lo sviluppo. Rakic ha etichettato le cellule in divisione nello sviluppo di feti con nucleotidi radioattivi, permettendogli di determinare quando sono nate le cellule cerebrali e dove la loro destinazione finale era nel cervello maturo.

Durante gli ultimi decenni del 20 ° secolo, è emersa una nuova era di ricerca che si è concentrata sui segnali cellulari e molecolari che guidano lo sviluppo del sistema nervoso.

Ad esempio, a metà degli anni '90, Tom Jessell ha dimostrato che alcuni fattori di trascrizione, o proteine che aiutano a controllare l'espressione genica, hanno influenzato lo sviluppo di sottotipi unici di neuroni nel midollo spinale del topo in via di sviluppo. A seguito di questo lavoro, i ricercatori di oggi stanno ancora identificando nuovi geni che controllano lo sviluppo neurale.

Ora che hai visto alcuni punti salienti storici, esaminiamo alcune domande chiave nella moderna neurobiologia dello sviluppo.

Molti ricercatori studiano il pattern e le specifiche del destino delle cellule del sistema nervoso. Ad esempio, sono interessati alla programmazione genetica che guida le prime cellule staminali a differenziarsi in neuroni o glia, che sono le cellule di supporto del sistema nervoso. Possono anche studiare segnali secreti che influenzano identità più specializzate all'interno di una classe di cellule o in luoghi specifici.

Un altro obiettivo importante è come i neuroni in via di sviluppo e la glia sono in grado di organizzarsi e assemblarsi nel sistema nervoso maturo. Alcuni ricercatori studiano la dinamica citoscheletriche delle cellule che migrano dalla loro origine al sito in cui funzionano. Altri sono interessati a come i segnali provenienti dall'ambiente extracellulare influenzano il comportamento migratorio.

I neuroscienziati dello sviluppo valutano anche come le connessioni tra le cellule si formano e si perfezionano nel corso dello sviluppo. Alcuni studi si concentrano sulla funzione dei recettori di guida degli assoni, che sono proteine di superficie cellulare che rilevano segnali esterni e guidano gli assoni in via di sviluppo, o neuriti, alle loro cellule bersaglio. Un altro focus è lo studio delle connessioni fisiche e chimiche coinvolte nella sinaptogenesi, che è la formazione di nuove connessioni di segnalazione, o sinapsi, tra le cellule.

Ora, diamo un'occhiata ad alcuni metodi importanti utilizzati per rispondere ad alcune di queste domande sul neurosviluppo.

Per studiare il controllo genetico dell'identità cellulare e del pattern del sistema nervoso, è utile manipolare l'espressione di geni specifici nello sviluppo degli embrioni. Un metodo popolare è l'elettroporazione in utero, in cui il DNA esogeno viene consegnato nel cervello dei roditori in via di sviluppo. Esponendo l'utero di un DNA di topo anestetizzato e gravido può essere iniettato nel cervello embrionale e la corrente applicata per forzare il DNA nelle cellule circostanti. A seconda dell'esperimento, il materiale elettroporated può essere utilizzato per promuovere l'espressione genica o prevenirla, consentendo ai ricercatori di esaminare l'impatto delle singole proteine sullo sviluppo del cervello.

Il tessuto del sistema nervoso centrale espiantato è comunemente usato per studiare la migrazione cellulare durante lo sviluppo. Questa tecnica prevede la dissezione di piccoli pezzi di cervello o midollo spinale e la loro coltura in vitro. Uno dei principali vantaggi di questo approccio è che il tessuto è altamente accessibile per catturare i movimenti cellulari tramite l'imaging time-lapse. Inoltre, gli effetti di molecole specifiche sulla migrazione possono essere facilmente studiati negli espianti attraverso l'applicazione di fattori di crescita o inibitori farmacologici ai mezzi di coltura.

Per studiare le molecole essenziali per la formazione delle reti neuronali, è possibile utilizzare l'immunoistochimica. Questa tecnica sfrutta la specificità degli anticorpi per marcare la posizione di proteine specifiche nelle cellule e nei tessuti. La visualizzazione della localizzazione delle proteine utilizzando la microscopia fluorescente può aiutare i ricercatori a fare ipotesi su come queste molecole influenzano la formazione e la funzione di strutture come la sinapsi.

Ora che hai familiarità con alcuni approcci allo studio delle neuroscienze dello sviluppo, diamo un'occhiata alle applicazioni di questa ricerca nei laboratori di oggi.

Uno degli obiettivi principali dello studio del neurosviluppo è capire come vengono determinate l'identità e la morfologia cellulare. Per studiare il controllo genetico dello sviluppo dei neuroni, questi ricercatori hanno fornito costrutti di knockdown genico nel sistema nervoso del pulcino in via di sviluppo tramite elettroporazione. I neuroni elettropoati all'interno del tubo neurale sono stati anche etichettati mediante iniezione di colorante, in modo che la morfologia degli assoni potesse essere confrontata tra il controllo e le cellule geneticamente modificate.

Per studiare come i neuroni stabiliscono connessioni, questi ricercatori hanno coltivato neuroni estratti da giovani cuccioli di ratto. Dopo diversi giorni in coltura, le cellule sono state fissate e colorate con anticorpi specifici per le proteine sinaptiche, consentendo la quantificazione della formazione di sinapsi in più condizioni sperimentali, come la sovraespressione genica o la coltura in mezzo di crescita modificato.

Utilizzando la loro conoscenza del programma che guida lo sviluppo neurale, i ricercatori di oggi possono ora forzare le prime cellule embrionali, come le cellule staminali, lungo specifici percorsi di differenziazione in vitro. Questi ricercatori hanno trattato le cellule staminali umane con il derivato della vitamina A, l'acido retinoico, che ha portato a una ridotta espressione dei fattori di trascrizione che mantengono l'identità delle cellule staminali e una maggiore espressione dei marcatori neuronali. Questa tecnica fornisce ai ricercatori una preziosa fonte di neuroni umani per studiare i meccanismi alla base delle malattie neurologiche.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE alle neuroscienze dello sviluppo. Questo video ha esaminato i punti salienti storici, le domande chiave poste dai neuroscienziati dello sviluppo e alcune delle tecniche che usano.

Grazie per l'attenzione!