Een introductie tot de neuroanatomie

Door middel van de studie van de neuroanatomie proberen wetenschappers een kaart te tekenen om te navigeren door het complexe systeem dat ons gedrag aanstuurt. Op microscopisch niveau onderzoeken neuroanatomen de relaties tussen signalerende cellen, bekend als neuronen; ondersteunende cellen, bekend als glia; en de structuur van de extracellulaire matrix die hen ondersteunt. Vanuit een breder perspectief, op orgaanniveau, bestudeert de neuroanatomie hersenstructuren en zenuwbannen.

Deze video biedt een overzicht van neuroanatomisch onderzoek door de geschiedenis van het vakgebied te introduceren, de kernvragen die neuroanatomen stellen te behandelen en de beschikbare instrumenten om die vragen te beantwoorden, gevolgd door een bespreking van enkele specifieke experimenten waarin de neuroanatomie wordt onderzocht.

Laten we beginnen met een overzicht van de geschiedenis van deze tak van de neurowetenschappen. De wortels van het neuroanatomisch onderzoek kunnen worden teruggevoerd tot de 4e eeuw v.Chr., toen Hippocrates hypotheseerde dat mentale activiteit in de hersenen zetelt, in plaats van in het hart.

Pas aan het einde van de 15e eeuw, toen Paus Sixtus IV menselijke dissectie destigmatiseerde, werd de studie van de neuroanatomie hervitaliseerd, wat bleek uit de publicatie in 1543 van "De anatomie van het menselijk lichaam" door Andreas Vesalius, waarin een gedetailleerde beschrijving van de hersenanatomie was opgenomen.

Voortbouwend op dit werk publiceerde Thomas Willis in 1664 de “Anatomy of the Brain”, waarin hij verschillende nieuwe neurologische structuren introduceerde en speculeerde over hun functie. Dit werk wordt nu beschouwd als de basis van de moderne neuroanatomie.

Aan het einde van de 16e eeuw zorgde de uitvinding van de microscoop voor een tweede revolutie in het neuroanatomisch onderzoek. Na deze technologische doorbraak vond Camillo Golgi in 1873 een kleuringstechniek uit om individuele neuronen onder de microscoop te visualiseren.

Dankzij deze innovaties formuleerde Santiago Ramón y Cajal in 1888 de neurdoctrine: het idee dat de anatomische en functionele eenheid van de hersenen het neuron is.

Terugkerend naar het macroscopische niveau publiceerde Korbinian Brodmann in 1909 een reeks hersenkaarten, waarbij hij de cerebrale cortex in 52 verschillende gebieden verdeelde, die “Brodmann-gebieden” werden genoemd. Deze kaarten waren gebaseerd op zijn observatie dat verschillende corticale gebieden een verschillende cytoarchitectuur hebben.

Later, in 1957, creëerden Wilder Penfield en Theodore Rasmussen de corticale homunculus: een meer gedetailleerde kaart van geselecteerde Brodmann-gebieden die de regio's laat zien die specifieke motorische en sensorische functies aansturen.

Voortbouwend op deze indrukwekkende historische studies naar de structuur van het zenuwstelsel op microscopisch en macroscopisch niveau, stellen hedendaagse neuroanatomen vragen over de relatie tussen structuur en functie. Zo richten sommige onderzoekers zich specifiek op de cytoarchitectuur, oftewel de rangschikking van neuronen en glia. Om bijvoorbeeld specifieke kernen, of neuronale clusters in de hersenen, te onderzoeken, is het nuttig om de daar aanwezige neuronale subtypen en de verbindingen die deze cellen maken met andere hersengebieden te karakteriseren.

Aangezien cytoarchitectuur dynamisch is, richt een andere kernvraag in dit vakgebied zich op hoe en waarom neuroanatomische veranderingen plaatsvinden.

Zo zijn leren en geheugen geassocieerd met "neuroplasticiteit", oftewel veranderingen in neurale paden, zoals wijzigingen in de structurele contactpunten tussen neuronen. Kleine uitstulpingen, genaamd dendritische stekels, kunnen op activiteitsafhankelijke wijze dynamisch variëren in grootte, vorm en aantal.

Het begrijpen van de structuur van het zenuwstelsel is daarnaast cruciaal voor het verklaren van dysfuncties.

Slepend neurodegeneratieve ziekten zijn bijvoorbeeld geassocieerd met karakteristieke neuroanatomische veranderingen, zoals de degeneratie van dopaminerge neuronen die wordt waargenomen bij de ziekte van Parkinson.

Nu we de belangrijkste vragen die neuroanatomen stellen hebben besproken, gaan we de instrumenten bekijken die deze wetenschappers gebruiken om antwoorden te vinden.

Ten eerste is histologie, of de analyse van gekleurde weefselcoupes, een essentiële techniek voor het bestuderen van de cytoarchitectuur.

Neuroanatomen hebben verschillende kleuringsmethoden tot hun beschikking om specifieke structuren in het zenuwstelsel te visualiseren.

Histochemie is een tak van de histologie die is gebaseerd op de lokalisatie en identificatie van chemische componenten. Een bijzonder waardevolle toepassing van de histochemie is de detectie van tracers: moleculen die in neuronen worden gebracht om hun verbindingen binnen het zenuwstelsel te visualiseren.

Zoals we eerder hebben vermeld, heeft de komst van de microscoop de manier waarop neuroanatomie werd bestudeerd gerevolutioneerd. De lichtmicroscoop maakt het mogelijk om histologisch gekleurd neuraal weefsel af te beelden tot wel duizendmaal de oorspronkelijke grootte, waardoor de cytoarchitectuur zichtbaar wordt. De fluorescentiemicroscoop maakt het mogelijk om immunogelabelde eiwitten af te beelden in weefselcoupes of in kweek, en maakt colokalisatiestudies mogelijk, waarbij wordt bepaald of twee eiwitten zich in nauwe nabijheid van elkaar bevinden binnen een enkel neuron.

Confocale beeldvorming is een verbeterde methode van fluorescentiemicroscopie die optische doorsneden van neuraal weefsel mogelijk maakt en daarom kan worden gebruikt om 3D-reconstructies van neuronen te genereren, zodat hun morfologie, of vorm, kan worden bestudeerd.

2-fotonen beeldvorming is een ander type fluorescentiebeeldvorming dat diep in weefsel kan doordringen en vaak wordt gebruikt voor live imaging van de hersenen in actieve dieren.

Geen enkel foton kan echter doordringen zoals een elektron, waardoor elektronenmicroscopie onmisbaar is geweest voor het bieden van subnanometerresolutie van neurale structuren. In het bijzonder is de synaps in exquis detail gevisualiseerd met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie. Bovendien kunnen, door de beelden van seriële coupes gevisualiseerd met elektronenmicroscopie samen te voegen, 3D-reconstructies van neurale "volumes" worden gegenereerd via een proces dat bekend staat als tomografie.

Om veranderingen in neuroanatomische structuren in de loop van de tijd te monitoren, is neuroimaging een uiterst nuttig instrument. Magnetic Resonance Imaging, of MRI, wordt uitgebreid gebruikt om de menselijke hersenen te onderzoeken. Deze techniek geeft een beeld van de hersenen als geheel, tot een resolutie van 1 mm. MRI kan worden gebruikt om witte stof te onderzoeken via tractografie. Met deze techniek visualiseren neuroanatomen bundels axonen, waardoor verbindingen tussen en binnen hersengebieden worden onthuld.

Om de correlaties tussen neuroanatomie en ziektebeelden te beoordelen, maken wetenschappers regelmatig gebruik van chirurgische technieken toegepast op diermodellen. Stereotactische chirurgie maakt gebruik van een 3-dimensionaal coördinatensysteem en gedetailleerde anatomische atlasen om onderzoekers in staat te stellen geïsoleerde anatomische gebieden fysiek te manipuleren. Met een stereotactisch apparaat en de juiste anatomische informatie is het mogelijk om elektrische stimulatie toe te dienen, medicijnen of andere stoffen te introduceren, of laesies te creëren in specifieke regio's van de hersenen.

Laten we nu enkele toepassingen van deze methoden bekijken. Gedetailleerde informatie over de hersenstructuur kan worden verkregen door analyse van gepreserveerde hersenen die in dunne coupes zijn gesneden. Om specifieke structurele kenmerken te accentueren, zijn deze coupes van primatenhersenen gekleurd om de expressie van drie eiwitten in de gehele hersenen weer te geven. Gekleurde coupes kunnen ook bij hoge vergroting worden bestudeerd, waardoor onderzoekers de structuur op cellulair niveau kunnen visualiseren.

Ervaring kan de neuronale structuur op cellulair niveau beïnvloeden. In dit experiment worden jonge ratten tijdens de ontwikkeling blootgesteld aan tactiele stimuli. Wanneer ze de volwassen leeftijd bereiken, worden hersenmonsters verzameld en gekleurd om de celmorfologie te visualiseren. De resulterende beelden onthullen veranderingen in de vorm en het aantal dendrieten, wat wijst op een gewijzigde neuronale connectiviteit.

Neuroanatomie is essentieel in klinische omgevingen, aangezien het bijdraagt aan de diagnose en behandeling van neurologische en psychiatrische aandoeningen. Zo zijn veranderingen in de cytoarchitectuur nauw verbonden met bepaalde ziektebeelden. Structurele neuro-imagingtechnieken worden vaak gecombineerd met functionele imaging om de activiteit van specifieke hersengebieden in normale en pathologische toestanden te vergelijken. Zo vertonen patiënten met een hersenschudding veranderingen in de patronen van neuronale activiteit, die correleren met hun herstel van het letsel.

U heeft zojuist de introductie van JoVE tot de neuroanatomie bekeken. In deze video hebben we de geschiedenis van het neuroanatomisch onderzoek teruggeblikt en de belangrijkste vragen geïntroduceerd die neuroanatomologen stellen. We hebben daarnaast onderzoeksstrategieën op microscopisch en macroscopisch niveau verkend en hun toepassingen besproken.

Bedankt voor het kijken!