Een introductie tot de ontwikkelingsneurobiologie

De ontwikkelingsneurobiologie onderzoekt hoe enkele vroege embryonale cellen kunnen transformeren tot een complex georganiseerd zenuwstelsel dat een heel organisme aanstuurt.

Wetenschappers in dit vakgebied zijn geïnteresseerd in hoe cellen specifieke identiteiten verkrijgen, naar bepaalde regio's migreren en verbindingen maken om een functioneel systeem te vormen. Deze processen zijn essentieel voor het begrijpen van de werking van het zenuwstelsel, evenals voor de diagnose en behandeling van een breed scala aan neurologische ziekten die voortkomen uit een abnormale ontwikkeling.

Deze video neemt u mee op een korte tour door de geschiedenis van de ontwikkelingsneurobiologie, schetst de belangrijkste vragen in het vakgebied en verkent prominente methoden die worden gebruikt om deze vragen te beantwoorden. Tot slot kijken we naar enkele praktische toepassingen van neuro-ontwikkelingsonderzoek.

Laten we beginnen met enkele baanbrekende studies uit de geschiedenis van de ontwikkelingsneurobiologie.

Vroeg onderzoek naar neuro-ontwikkeling dateert uit de 19e eeuw. In de jaren 1880 legde Wilhelm His de basis voor de studie van histogenese, ofwel de embryonale oorsprong van weefsel. Hij was een van de eersten die observeerde hoe ontwikkelende neuronen uitlopers zoals axonen en dendrieten vormden.

In 1924 bestudeerden embryologen Hans Spemann en Hilde Mangold de functie van een groep cellen die bekend staat als de Spemann-organisator. Zij ontdekten dat transplantatie van de organisator naar een ander embryo de vorming van secundair neuraal weefsel induceerde.

In de jaren 50 observeerden Rita Levi-Montalcini en Stanley Cohen dat het transplanteren van tumorfragmenten op ontwikkelende kippenembryo's leidde tot snelle neuronale groei. Zij speculeerden dat de tumor een stof uitscheidde die deze groei veroorzaakte, en identificeerden dit eiwit spoedig als nerve growth factor, of NGF, dat essentieel is voor het overleven van neuronen.

In een andere transplantatiestudie verving Nicole Le Douarin delen van kippenembryo's door die van kwiklaars. Door de kwailcellen tijdens de ontwikkeling te volgen, toonde zij aan dat een zeer migrerende groep cellen, bekend als de neurale lijst, aanleiding geeft tot rijpe perifere zenuwen.

Enkele jaren later bestudeerde Pasko Rakic hoe cellen van het centrale zenuwstelsel zich tijdens de ontwikkeling organiseren in zeer geordende structuren. Rakic labelde delende cellen in ontwikkelende foetussen met radioactieve nucleotiden, waardoor hij kon bepalen wanneer hersencellen werden gevormd en wat hun uiteindelijke bestemming was in de volwassen hersenen.

Tijdens de laatste decennia van de 20e eeuw ontstond een nieuw tijdperk van onderzoek dat zich richtte op de cellulaire en moleculaire signalen die de ontwikkeling van het zenuwstelsel sturen.

In het midden van de jaren 90 toonde Tom Jessell bijvoorbeeld aan dat bepaalde transcriptiefactoren, of eiwitten die helpen de genexpressie te reguleren, de ontwikkeling van unieke subtypen neuronen in het ontwikkelende ruggenmerg van de muis beïnvloedden. Voortbouwend op dit werk identificeren onderzoekers vandaag de dag nog steeds nieuwe genen die de neurale ontwikkeling controleren.

Nu u enkele historische hoogtepunten heeft gezien, gaan we over naar enkele kernvragen in de moderne ontwikkelingsneurobiologie.

Veel onderzoekers bestuderen de patroonvorming en lotsbestemming van cellen in het zenuwstelsel. Ze zijn bijvoorbeeld geïnteresseerd in de genetische programmering die vroege stamcellen aanstuurt om te differentiëren in ofwel neuronen of glia, de ondersteunende cellen van het zenuwstelsel. Ze kunnen ook uitgescheiden signalen onderzoeken die meer gespecialiseerde identiteiten beïnvloeden binnen een klasse cellen of op specifieke locaties.

Een andere belangrijke focus is hoe ontwikkelende neuronen en glia in staat zijn zichzelf te organiseren en samen te voegen tot het volwassen zenuwstelsel. Sommige onderzoekers bestuderen de cytoskeletdynamiek van cellen die migreren van hun oorsprong naar de plaats waar ze functioneren. Anderen zijn geïnteresseerd in hoe signalen uit de extracellulaire omgeving het migratiegedrag beïnvloeden.

Ontwikkelingsneurobiologen evalueren ook hoe verbindingen tussen cellen worden gevormd en verfijnd tijdens de ontwikkeling. Sommige studies richten zich op de functie van axonbegeleidingsreceptoren, celoppervlakte-eiwitten die externe signalen detecteren en ontwikkelende axonen, of neurieten, naar hun doelcellen leiden. Een andere focus is de studie van de fysieke en chemische verbindingen die betrokken zijn bij synaptogenese, de vorming van nieuwe signaleringsverbindingen, of synapsen, tussen cellen.

Laten we nu kijken naar een paar prominente methoden die worden gebruikt om enkele van deze neurodevelopmentele vragen te beantwoorden.

Om de genetische controle van celidentiteit en de patroonvorming van het zenuwstelsel te bestuderen, is het nuttig om de expressie van specifieke genen in ontwikkelende embryo's te manipuleren. Een populaire methode is in utero elektroporatie, waarbij exogeen DNA in de hersenen van ontwikkelende knaagdieren wordt gebracht. Door de baarmoeder van een geanestheseerde, drachtige muis bloot te leggen, kan DNA in de embryonale hersenen worden geïnjecteerd en kan er een stroom worden aangelegd om het DNA in de omliggende cellen te dwingen. Afhankelijk van het experiment kan het geëlectroporeerde materiaal worden gebruikt om genexpressie ofwel te bevorderen of te voorkomen, waardoor onderzoekers de impact van individuele eiwitten op de hersenontwikkeling kunnen onderzoeken.

Geëxplanteerde weefsels van het centrale zenuwstelsel worden veelvuldig gebruikt om celmigratie tijdens de ontwikkeling te bestuderen. Deze techniek houdt in dat kleine stukjes hersenen of ruggenmerg worden gedisseceerd en in vitro worden gekweekt. Een groot voordeel van deze benadering is dat het weefsel zeer toegankelijk is voor het vastleggen van celbewegingen via time-lapse imaging. Daarnaast kunnen de effecten van specifieke moleculen op migratie in explantaten eenvoudig worden bestudeerd door groeifactoren of farmacologische inhibitoren aan het kweekmedium toe te voegen.

Om de moleculen te bestuderen die essentieel zijn voor de vorming van neuronale netwerken, kan immunohistochemie worden gebruikt. Deze techniek maakt gebruik van de specificiteit van antilichamen om de locatie van specifieke eiwitten in cellen en weefsels te markeren. Visualisatie van de eiwitlokalisatie met behulp van fluorescentiemicroscopie kan onderzoekers helpen hypothesen op te stellen over hoe deze moleculen de vorming en functie van structuren zoals de synaps beïnvloeden.

Nu u bekend bent met enkele benaderingen voor het bestuderen van de ontwikkelingsneurowetenschappen, kijken we naar toepassingen van dit onderzoek in huidige laboratoria.

Een belangrijk doel van de studie naar neuro-ontwikkeling is het achterhalen hoe celidentiteit en morfologie worden bepaceerd. Om de genetische controle van neuronale ontwikkeling te bestuderen, brachten deze onderzoekers via electroporatie gene knockdown-constructen in het ontwikkelende zenuwstelsel van een kuiken. Geelectroporeerde neuronen binnen de neurale buis werden daarnaast gelabeld door injectie van kleurstof, zodat de axonmorfologie vergeleken kon worden tussen controlecellen en genetisch gewijzigde cellen.

Om te bestuderen hoe neuronen verbindingen leggen, kweekten deze onderzoekers neuronen die waren geëxtraheerd uit jonge ratpups. Na enkele dagen in cultuur werden de cellen gefixeerd en gekleurd met antilichamen specifiek voor synaptische eiwitten, waardoor kwantificering van synapsvorming onder meerdere experimentele condities mogelijk was, zoals gen-overexpressie of kweek in een aangepast groeimedium.

Door gebruik te maken van hun kennis over het programma dat de neurale ontwikkeling aanstuurt, kunnen hedendaagse onderzoekers vroege embryonale cellen, zoals stamcellen, in vitro dwingen om specifieke differentiatiepaden te volgen. Deze onderzoekers behandelden menselijke stamcellen met het vitamine A-derivaat retinoïnozuur, wat resulteerde in een verminderde expressie van transcriptiefactoren die de stamcelidentiteit in stand houden en een verhoogde expressie van neuronale markers. Deze techniek biedt onderzoekers een waardevolle bron van menselijke neuronen voor het onderzoeken van de mechanismen achter neurologische ziekten.

U heeft zojuist de introductie van JoVE tot de ontwikkelingsneurowetenschappen bekeken. Deze video gaf een overzicht van historische hoogtepunten, kernvragen die door ontwikkelingsneurowetenschappers worden gesteld en enkele van de technieken die zij gebruiken.

Bedankt voor het kijken!