세포 및 분자 신경 과학 소개

가장 숭고한 정서적 경험에 가장 간단한 반사 신경은 모두 뇌의 분자, 유전 및 세포 구조에 뿌리를 두고 있습니다. 신경 과학의 최신 분야 중 하나로서, 세포 및 분자 신경 과학은 유전자, 신호 분자 및 세포 형태학이 신경계에 어떻게 영향을 미치는지 탐구하기 위해 분자 생물학을 활용합니다.

이 비디오는 현장에서 획기적인 발견을 제시하고, 세포 및 분자 신경 과학 연구의 주요 질문을 해결하고, 마지막으로 그 질문에 대답하기 위해 적용 할 수있는 몇 가지 눈에 띄는 방법을 선보일 것입니다.

이 비교적 젊은 분야의 과학적 뿌리를 되돌아 보도록 합시다.

분자 기술이 있기 전에 해부학자와 세포 생물학자는 신경 과학의 초기 역사를 지배했습니다.

그러나 1930년대에 물리학자, 화학자 및 이론가들이 생물학자계급으로 유입되면서 분자 혁명이 시작되어 왓슨과 크릭의 DNA 구조 발견과 중앙 교리의 공식화로 절정에 이르렀으며, DNA가 세포의 기능성 단위로 작용하는 단백질을 어떻게 인코딩하는지 설명했습니다. 처음으로, 신경 과학자는 신경계 기능에 있는 특정 유전자 및 단백질을 관련시 조사할 수 있었습니다.

예를 들어, 1960년대에 Seymour Benzer는 과일 파리의 행동 변화를 특정 유전 돌연변이에 연결할 수 있었고, 운동과 같은 행동을 제어하는 뉴런에서 발현된 주요 유전자를 식별할 수 있었습니다.

같은 기간에, 에릭 칸델은 학습과 같은 복잡한 과정이 또한 분자 기초가 있다는 것을 보여주었습니다. 해양 연체 동물 Aplysia를 사용하여 그는 뉴런 조직 추출물을 분석하고 학습에 중요한 경로에 세포 내 신호 분자 순환 AMP를 연루시켰습니다.

그 후 1980년대에 누마 쇼사쿠 연구실의 구성원은 전압 문이 있는 나트륨 채널과 같은 뉴런 기능의 핵심 분자를 최초로 복제했습니다. 이러한 큰 막 단백질 내의 기능적 영역의 분석은 이후 이온 운동의 제어가 뉴런 발사로 이어지는 방법에 대한 우리의 이해를 향상했습니다.

신경 통신 뒤에 분자 기계장치에 있는 또 다른 중요한 발견은 1990년대에 토마스 Sudhof가 칼슘 이온이 세포막에 신경 전달물질 채워진 소포를 고정하는 단백질의 모양을 변경한다는 것을 발견했을 때, 행동 잠재력이 시냅스에 화학 신호의 정확하게 시간 제방출로 이끌어 내는 방법을 설명했습니다.

신경 생리학에서 행동에 이르기까지 분자 신경 과학의 발견은 많은 신경 과학 분야에 대한 이해를 향상했습니다.

이 생산적인 역사에도 불구하고 아직 배워야 할 것이 많습니다! 오늘 실험실에서 묻는 몇 가지 질문을 검토해 보겠습니다.

연구의 한 영역은 어떤 유전자가 신경 기능에 영향을 미치는지 묻습니다. 예를 들어, 특정 유전자의 뉴클레오티드 확장은 헌팅턴병과 같은 뉴런 건강의 꾸준한 감소를 특징으로 하는 여러 질병에 관여하는 것으로 알려져 있다.

조사 중인 유전자의 또 다른 그룹은 전사 인자를 인코딩합니다: 특정 유전자의 발현을 조절하는 단백질. 신경계 특이적 전사 요인의 DNA 표적을 식별하는 것은 우리가 생각하게 하는 유전 프로그램의 더 나은 보기를 줄 수 있습니다.

대안적으로, 신경 과학자는 분자가 신경 행동을 통제하는 방법을 물어볼 수 있습니다. 예를 들면 그(것)들은 세포막을 통해 이온 운동을 통제하는 분자 기계를 공부할 수 있습니다, 행동 잠재력의 전파의 결과로. 여기에서 연구는 특정 이온 채널을 차단하고 두뇌에 고통 신호의 전송을 중단하는 lidocaine 같이 저희에게 마취를 주었습니다.

대안적으로, 과학자는 시냅스로 알려져 있는 신경 사이 상호 작용의 사이트를 검토할 수 있습니다. 여기에서, 그(것)들은 시냅스의 무결성을 보존에 관여하는 무슨 분자를 물어볼 수 있습니다, 어떻게 이 연결은 질병 상태에서 복구될 수 있습니다.

신경 가소성은 경험에 대한 응답으로 화학적으로 물리적으로 적응하는 신경계의 능력입니다. 이 분야의 일부 연구는 수지상 식목으로 알려진 정교한 신경 구조의 경험에 의존하는 형태학적 변화에 초점을 맞추고 있으며, 이는 수지상 척추라고 하는 매우 역동적인 구조를 통해 시냅스를 형성합니다. 다른 사람들은 경험이 시냅스 막에 신경 전달 물질 수용체의 분포를 수정 할 수있는 방법에 관심이, 이는 장기 전능으로 알려진 현상에서 시냅스의 신호 력을 강화 할 수 있습니다, 또는 LTP.

당신이 볼 수 있듯이, 세포 및 분자 신경 과학자는 현미경보기에서 신경생물학에 접근합니다, 그러나 그(것)들이 공부하는 프로세스의 범위는 광대합니다.

이제 세포 와 분자 신경 과학 실험실에서 묻는 흥미로운 질문 중 일부에 익숙해지므로 대답 할 수있는 도구를 살펴 보겠습니다.

첫째, 신경 기능의 유전 적 제어를 조사하기 위해 과학자들은 자신의 처분에 매우 강력한 기술을 가지고있다. 예를 들어, 마이크로어레이는 수많은 유전자의 발현을 동시에 정량화할 수 있다. 마이크로어레이는 단일 좌초 된 DNA "프로브"의 수만 개의 조각이 부착 된 표면입니다. 뉴런으로부터 추출된 유전 물질은 프로브에 결합할 수 있으며, 형광 마커는 시료에 존재하는 시퀀스를 정확하게 시각화하는 데 사용된다.

대안적으로, 실시간 또는 정량적인 PCR은 PCR 기반 방법을 통해 특정 mRNA 전사체의 상대적 양을 간접적으로 측정할 수 있는 장비를 활용한다. 이 접근법은 개별 적인 유전자의 발현 수준을 검출하기 위해 매우 유용합니다.

마지막으로, 형질 전환 기술은 신경계에서 유전자 기능의 조사를 위한 중요한 공구입니다. 이 방법으로, 연구원은 그들의 게놈의 부분을 제거한 동물을 생성할 수 있습니다, 녹아웃으로 알려져, 또는 그들의 유전 코드에 삽입된 수정된 유전자로, 형질 전환증으로 알려져 있습니다. 이 동물에게서 신경계 조직은 유전자 발현에 있는 변경이 세포 기능에 어떻게 영향을 미치는지 결정하는 다양한 방법으로 분석될 수 있습니다.

신경 신호의 분자 제어를 연구하기 위해, 연구원은 종종 동물의 외부 뇌 조직을 연구하는 것을 선호, 작은 조직 조각또는 1 차 신경 배양이라고 시험관 내에서 성장 해리 세포. 이 단순화 된 시스템의 한 가지 장점은 효율적으로 트랜스포팅에 의해 신경 신호에 관심있는 유전자의 발현을 조작 하는 기능. 이러한 유전 적 조작의 결과는 단백질 국소화의 시각화, 세포 형태 분석 또는 전기 생리학적 기록의 시각화에 의해 관찰 될 수있다.

마지막으로, 이미징 기술의 극적인 발전은 과학자들이 흥미로운 새로운 방법으로 뉴런 가소성을 연구할 수 있게 해주고 있습니다. 예를 들면, 연구원은 살아있는 조직의 깊은 층을 큰 세부사항으로 구상하기 위하여 2광자 현미경 검사를 사용할 수 있습니다. 두개골에 "창"을 만든 후,이 기술은 동물이 경험을 겪기 전과 후에 뇌 세포 형태를 이미지화하는 데 사용할 수 있으므로 연구자들은 신경 수준에서 학습이 어떻게 생겼는지 볼 수 있습니다.

이미징 도구는 또한 보존된 조직에서 신경계의 분자 성분을 조사하는 데 사용됩니다. 형광 현미경 검사는 종종 특정 단백질의 세포 국소화를 표시하는 형광 항체로 염색되는 면역 조직 화학과 함께 사용됩니다.

중요한 질문과 그(것)들에 대답하기 위하여 이용된 공구둘 다 검토한, 세포 및 분자 신경 과학 연구의 몇몇 응용을 살펴 보겠습니다.

첫째, 뉴런의 작은 인구에 마이크로 어레이 기술을 적용하여, 연구원은 특정 신경 아류형에 있는 각종 유전자의 발현에 있는 다름을 검토할 수 있습니다. 여기서, 단일 뉴런은 망막과 세포 RNA로부터 분리되어, 연구원이 다른 기능성 및 형태학적 특성을 가진 세포로부터 mRNA의 발현을 프로파일링할 수 있게 하였다.

분자 기술은 또한 상해에 신경계의 반응을 더 잘 이해하기 위하여 적용될 수 있습니다. 등대 뿌리 신경교, 또는 DRGs, 1 차적인 신경 문화를 위한 성인 마우스에서 제거될 때, 축선은 반드시 절단됩니다. 유전자 침묵 구조와 해리된 DRG 뉴런을 이식함으로써, 개별 단백질이 새로운 축축의 재성장에 미치는 영향을 테스트할 수 있다.

전문 이미징 기술은 신경 전달 물질 수용체와 같은 단백질이 시냅스 막으로 어떻게 운반되는지 연구하는 데 사용할 수 있습니다. 이 실험에서 배양된 뉴런은 형광태그막 단백질을 인코딩하는 유전자로 전염되었다. 공초점 현미경을 사용하여, 막의 작은 지구는 그 때 그 지역에 있는 형광이 파괴되었다는 것을 의미하는 포토표백되었습니다. 여기에 사용되는 표백 계획으로, 형광의 점진적 인 회복, 또는 FRAP는 플라즈마 막으로 새로운 형광 단백질의 수송을 반영한다. 이 운동이 발생하는 속도는 많은 실험 조건에 비해 정량화되고 비교할 수 있습니다.

당신은 세포와 분자 신경 과학에 JoVE의 소개를 보았다. 이 비디오에서 우리는 세포와 분자 신경 과학을 오늘날의 분야로 만든 역사적 발견, 현장에서 몇 가지 중요한 질문 및 그(것)들에 대답하는 데 사용된 기술에 대해 토론했습니다.

언제나처럼, JoVE 과학 교육을보고 주셔서 감사합니다!