Introduzione alle neuroscienze cellulari e molecolari

I riflessi più semplici alle esperienze emotive più sublimi sono tutti radicati nelle strutture molecolari, genetiche e cellulari del cervello. Come uno dei campi più recenti delle neuroscienze, le neuroscienze cellulari e molecolari sfruttano la biologia molecolare per esplorare come i geni, le molecole di segnalazione e la morfologia cellulare influenzano il sistema nervoso

Questo video presenterà scoperte di riferimento nel campo, affronterà domande chiave nella ricerca sulle neuroscienze cellulari e molecolari e infine mostrerà alcuni metodi importanti che possono essere applicati per rispondere a tali domande.

Iniziamo dando uno sguardo alle radici scientifiche di questo campo relativamente giovane.

Prima che ci fossero tecniche molecolari, anatomisti e biologi cellulari dominavano la storia antica delle neuroscienze.

Tuttavia, nel 1930, un afflusso di fisici, chimici e teorici nei ranghi dei biologi iniziò la rivoluzione molecolare, culminando nella scoperta di Watson e Crick della struttura del DNA e nella formalizzazione del dogma centrale, che spiegava come il DNA codifica le proteine che agiscono come unità funzionali delle cellule. Per la prima volta, i neuroscienziati sono stati in grado di studiare il ruolo che geni e proteine specifici hanno svolto nella funzione del sistema nervoso.

Ad esempio, nel 1960, Seymour Benzer è stato in grado di collegare i cambiamenti comportamentali nei moscerini della frutta a specifiche mutazioni genetiche, identificando geni chiave espressi nei neuroni che controllano il comportamento, come la locomozione.

Nello stesso periodo, Eric Kandel ha dimostrato che processi complessi come l'apprendimento avevano anche una base molecolare. Utilizzando il mollusco marino Aplysia ha analizzato estratti di tessuto neuronale e ha implicato la molecola di segnalazione intracellulare AMP ciclica in un percorso critico per l'apprendimento.

Poi, nel 1980, i membri del laboratorio di Shosaku Numa furono i primi a clonare molecole chiave nella funzione neuronale, come il canale del sodio voltaggio-prezzo. Le analisi dei domini funzionali all'interno di queste grandi proteine di membrana hanno da allora migliorato la nostra comprensione di come il controllo dei movimenti ionici porta al fuoco dei neuroni.

Un'altra importante scoperta nei meccanismi molecolari alla base della comunicazione neuronale è arrivata nel 1990, quando Thomas Sudhof ha scoperto che gli ioni calcio alterano la forma delle proteine che ancorano le vescicole piene di neurotrasmettitori alla membrana cellulare, spiegando come i potenziali d'azione portano al rilascio preciso di segnali chimici nella sinapsi.

Dalla neurofisiologia al comportamento, le scoperte nelle neuroscienze molecolari hanno migliorato la nostra comprensione di molte discipline neuroscientifiche.

Nonostante questa storia produttiva, c'è ancora molto da imparare! Esaminiamo alcune domande che vengono poste nei laboratori oggi.

Un'area di ricerca chiede quali geni influenzano la funzione neuronale. Ad esempio, le espansioni nucleotidiche in geni specifici sono note per essere coinvolte in diverse malattie caratterizzate da un costante declino della salute dei neuroni, come la malattia di Huntington.

Un altro gruppo di geni in fase di studio codifica per fattori di trascrizione: proteine che regolano l'espressione di geni specifici. Identificare i bersagli del DNA dei fattori di trascrizione specifici del sistema nervoso può darci una visione migliore del programma genetico che ci fa pensare.

In alternativa, i neuroscienziati possono chiedersi come le molecole regolano il comportamento neuronale. Ad esempio possono studiare il meccanismo molecolare che regola i movimenti ioniche attraverso la membrana cellulare, con conseguente propagazione dei potenziali d'azione. La ricerca qui ci ha dato anestetici come la lidocaina, che blocca specifici canali ionici e arresta la trasmissione dei segnali del dolore al cervello.

In alternativa, gli scienziati possono esaminare i siti di interazione tra i neuroni, noti come sinapsi. Qui, possono chiedere quali molecole sono coinvolte nel preservare l'integrità della sinapsi e come queste connessioni possono essere ripristinate negli stati patologici.

La plasticità neuronale è la capacità del sistema nervoso di adattarsi chimicamente e fisicamente in risposta all'esperienza. Alcune ricerche in questo campo si concentrano sui cambiamenti morfologici dipendenti dall'esperienza in elaborate strutture neuronali, note come pergole dendritiche, che formano sinapsi attraverso strutture altamente dinamiche denominate spine dendritiche. Altri sono interessati a come l'esperienza può modificare la distribuzione dei recettori dei neurotrasmettitori sulle membrane sinaptiche, che possono rafforzare il potere di segnalazione di una sinapsi in un fenomeno noto come potenziamento a lungo termine o LTP.

Come puoi vedere, i neuroscienziati cellulari e molecolari si avvicinano alla neurobiologia da una visione microscopica, ma la gamma di processi che studiano è ampia.

Ora che hai familiarità con alcune delle domande interessanti che vengono poste nei laboratori di neuroscienze cellulari e molecolari, diamo un'occhiata agli strumenti disponibili per rispondere.

In primo luogo, per studiare il controllo genetico della funzione neuronale, gli scienziati hanno a disposizione alcune tecniche molto potenti. Ad esempio, i microarray possono quantificare l'espressione di un numero enorme di geni contemporaneamente. Un microarray è una superficie con decine di migliaia di frammenti di "sonde" di DNA a singolo filamento ad esso attaccate. Il materiale genetico estratto da un neurone è autorizzato a legarsi alle sonde e i marcatori fluorescenti vengono utilizzati per visualizzare con precisione quali sequenze sono presenti nel campione.

In alternativa, la PCR in tempo reale o quantitativa, utilizza apparecchiature in grado di misurare indirettamente la quantità relativa di specifici trascritti di mRNA tramite un metodo basato sulla PCR. Questo approccio è estremamente utile per rilevare i livelli di espressione dei singoli geni.

Ultimo ma non meno importante, la tecnologia transgenica è uno strumento importante per lo studio della funzione genica nel sistema nervoso. Con questo metodo, i ricercatori possono produrre animali con porzioni dei loro genomi rimosse, note come knockout, o con geni modificati inseriti nel loro codice genetico, noti come transgenici. I tessuti del sistema nervoso di questi animali possono essere analizzati in vari modi per determinare in che modo i cambiamenti nell'espressione genica influiscono sulla funzione cellulare.

Per studiare il controllo molecolare della segnalazione neuronale, i ricercatori spesso preferiscono studiare il tessuto cerebrale al di fuori dell'animale, sia in piccoli pezzi di tessuto che in cellule dissociate coltivate in vitro chiamate colture neuronali primarie. Un vantaggio di questo sistema semplificato è la capacità di manipolare in modo efficiente l'espressione dei geni di interesse nella segnalazione neuronale mediante trasfezione. I risultati di queste manipolazioni genetiche possono quindi essere osservati mediante la visualizzazione della localizzazione delle proteine, l'analisi della morfologia cellulare o le registrazioni elettrofisiologiche.

Infine, i progressi drammatici nella tecnologia di imaging stanno permettendo agli scienziati di studiare la plasticità neuronale in nuovi modi entusiasmanti. Ad esempio, i ricercatori possono utilizzare la microscopia a due fotoni per visualizzare strati profondi di tessuti viventi in grande dettaglio. Dopo aver creato una "finestra" nel cranio, questa tecnica può essere utilizzata per visualizzare la morfologia delle cellule cerebrali prima e dopo che gli animali subiscono un'esperienza, consentendo ai ricercatori di vedere come appare l'apprendimento a livello neuronale.

Gli strumenti di imaging sono anche utilizzati per studiare i componenti molecolari del sistema nervoso nei tessuti conservati. La microscopia a fluorescenza viene spesso utilizzata in combinazione con l'immunoistochimica, in cui i campioni sono colorati con anticorpi fluorescenti che segnano la localizzazione cellulare di proteine specifiche.

Dopo aver esaminato sia le domande importanti che gli strumenti utilizzati per rispondere, diamo un'occhiata ad alcune applicazioni della ricerca sulle neuroscienze cellulari e molecolari.

In primo luogo, applicando tecniche di microarray a una piccola popolazione di neuroni, i ricercatori possono esaminare le differenze nell'espressione di vari geni in specifici sottotipi neuronali. Qui, i singoli neuroni sono stati isolati dalla retina e l'RNA cellulare è stato estratto, consentendo ai ricercatori di profilare l'espressione di mRNA da cellule con caratteristiche funzionali e morfologiche diverse.

Le tecniche molecolari possono anche essere applicate per comprendere meglio la risposta del sistema nervoso alle lesioni. Quando i gangli della radice dorsale, o DRG, vengono rimossi dai topi adulti per la coltura neuronale primaria, gli assoni vengono necessariamente recisi. Trasfetturando i neuroni DRG dissociati con costrutti di silenziamento genico, è possibile testare l'effetto delle singole proteine sulla ricrescita di nuovi assoni.

Tecniche di imaging specializzate possono essere utilizzate per studiare come le proteine come i recettori dei neurotrasmettitori vengono trasportate da e verso la membrana sinaptica. In questo esperimento, i neuroni coltivati sono stati trasfettate con un gene che codifica per una proteina di membrana marcata fluorescentemente. Usando un microscopio confocale, piccole regioni della membrana sono state poi fotosbiancate, il che significa che i fluorofori in quell'area sono stati distrutti. Con lo schema di sbiancamento qui utilizzato, il progressivo recupero della fluorescenza, o FRAP, riflette il trasporto di nuove proteine fluorescenti nella membrana plasmatica. La velocità con cui si verifica questo movimento può essere quantificata e confrontata su molte condizioni sperimentali.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE alle neuroscienze cellulari e molecolari. In questo video abbiamo discusso le scoperte storiche che hanno reso le neuroscienze cellulari e molecolari il campo che è oggi, alcune domande chiave nel campo e le tecniche utilizzate per rispondere.

Come sempre, grazie per aver guardato JoVE Science Education!