Wprowadzenie do neuroanatomii

Poprzez badanie neuroanatomii naukowcy starają się stworzyć mapę pozwalającą nawigować po złożonym systemie kontrolującym nasze zachowanie. Na poziomie mikroskopowym neuroanatomi badają zależności między komórkami sygnałowymi, znanymi jako neurony, komórkami podporowymi, znanymi jako glej, oraz strukturą macierzy zewnątrzkomórkowej, która je wspiera. Z szerszej perspektywy, na poziomie organów, neuroanatomia bada struktury mózgu i drogi nerwowe.

Niniejsze wideo zapewni przegląd badań neuroanatomicznych, wprowadzając w historię tej dziedziny, kluczowe pytania zadawane przez neuroanatomów oraz narzędzia dostępne w celu uzyskania odpowiedzi na te pytania, a następnie przedstawi przegląd wybranych konkretnych eksperymentów badających neuroanatomię.

Zacznijmy od przeglądu historii tej dziedziny neuronauki. Korzenie badań neuroanatomicznych sięgają IV wieku p.n.e., kiedy Hipokrates postawił hipotezę, że aktywność psychiczna znajduje się w mózgu, a nie w sercu.

Jednak dopiero pod koniec XV wieku, gdy papież Sykstus IV zniósł stygmatyzację sekcji zwłok ludzi, badania nad neuroanatomią zostały ożywione, czego dowodem była publikacja w 1543 roku dzieła Andreasa Vesaliusa "O budowie ciała ludzkiego," które zawierało szczegółowy opis anatomii mózgu.

Rozwijając te prace, w 1664 roku Thomas Willis opublikował „Anatomię mózgu”, w której wprowadził kilka nowych struktur neurologicznych i spekulował na temat ich funkcji. Praca ta jest obecnie uważana za fundament nowoczesnej neuroanatomii.

Pod koniec XVI wieku wynalezienie mikroskopu zapoczątkowało drugą rewolucję w badaniach neuroanatomicznych. W następstwie tego przełomu technologicznego, w 1873 roku Camillo Golgi opracował technikę barwienia pozwalającą na wizualizację pojedynczych neuronów pod mikroskopem.

Dzięki tym innowacjom w 1888 roku Santiago Ramón y Cajal sformułował doktrynę neuronową: koncepcję, według której anatomiczną i funkcjonalną jednostką mózgu jest neuron.

Wracając do poziomu makroskopowego, w 1909 roku Korbinian Brodmann opublikował serię map mózgu, na których podzielił korę mózgową na 52 odrębne obszary, nazwane „polami Brodmanna”. Mapy te opierały się na jego obserwacji, że poszczególne obszary kory wykazują różną cytoarchitekturę.

Później, w 1957 roku, Wilder Penfield i Theodore Rasmussen stworzyli homunkulusa korowego: bardziej szczegółową mapę wybranych pól Brodmanna, pokazującą regiony kontrolujące konkretne funkcje motoryczne i sensoryczne.

Opierając się na tych imponujących badaniach historycznych nad strukturą układu nerwowego na poziomie mikroskopowym i makroskopowym, współcześni neuroanatomi skupiają się na pytaniach dotyczących związku między strukturą a funkcją. Na początek niektórzy badacze koncentrują się konkretnie na cytoarchitekturze, czyli rozmieszczeniu neuronów i gleju. Na przykład w celu zbadania konkretnych jąder, czyli skupisk neuronów w mózgu, pomocne jest scharakteryzowanie występujących w nich podtypów neuronów oraz połączeń, jakie komórki te tworzą z innymi obszarami mózgu.

Biorąc pod uwagę, że cytoarchitektura jest dynamiczna, kolejne kluczowe pytanie w tej dziedzinie dotyczy tego, w jaki sposób i dlaczego dochodzi do zmian neuroanatomicznych.

Przykładowo, uczenie się i pamięć są związane z „neuroplastycznością”, czyli zmianami w szlakach neuronalnych, takimi jak modyfikacje strukturalnych punktów kontaktu między neuronami. Małe wypustki, zwane kolcami dendrytycznymi, mogą dynamicznie zmieniać swój rozmiar, kształt i liczbę w sposób zależny od aktywności.

Zrozumienie struktury układu nerwowego jest również kluczowe dla wyjaśnienia jego dysfunkcji.

Na przykład wyniszczające choroby neurodegeneracyjne wiążą się z charakterystycznymi zmianami neuroanatomicznymi, takimi jak degeneracja neuronów dopaminergicznych obserwowana w chorobie Parkinsona.

Po omówieniu kluczowych pytań, jakie stawiają neuroanatomicy, przejrzyjmy narzędzia, których używają ci naukowcy, aby znaleźć odpowiedzi.

Po pierwsze, histologia, czyli analiza barwionych skrawków tkanek, jest niezbędną techniką badania cytoarchitektoniki.

Neuroanatomicy mają do dyspozycji szereg barwień pozwalających na wizualizację konkretnych struktur w układzie nerwowym.

Histochemia jest gałęzią histologii opierającą się na lokalizacji i identyfikacji składników chemicznych. Jednym z szczególnie cennych zastosowań histochemii jest wykrywanie tracerów: cząsteczek wprowadzanych do neuronów w celu wizualizacji ich połączeń w układzie nerwowym.

Jak wspomniano wcześniej, pojawienie się mikroskopu zrewolucjonizowało sposób badania neuroanatomii. Mikroskop świetlny umożliwia obrazowanie histologicznie barwionej tkanki neuronalnej z powiększeniem do tysiąca razy, co pozwala na ujawnienie cytoarchitektoniki. Mikroskop fluorescencyjny pozwala na obrazowanie immunoznakowanych białek w skrawkach tkanek lub w hodowli i umożliwia badania kolokalizacji, które polegają na ustaleniu, czy dwa białka znajdują się w bliskim sąsiedztwie w obrębie jednego neuronu.

Obrazowanie konfokalne jest ulepszoną metodą mikroskopii fluorescencyjnej, która umożliwia optyczne przecinanie tkanki neuronalnej, a dzięki temu może być wykorzystywana do generowania rekonstrukcji 3D neuronów, co pozwala na badanie ich morfologii, czyli kształtu.

Obrazowanie dwufotonowe to kolejny rodzaj obrazowania fluorescencyjnego, który może głęboko penetrować tkankę i jest często stosowany do obrazowania mózgu na żywo u zwierząt w trakcie aktywności.

Jednak żaden foton nie penetruje tkanki tak jak elektron, dlatego mikroskopia elektronowa okazała się nieoceniona w zapewnianiu rozdzielczości subnanometrycznej struktur neuronalnych. W szczególności synapsa została z wizualizowana w wyjątkowych szczegółach przy użyciu transmisyjnej mikroskopii elektronowej. Ponadto, poprzez kompilację obrazów uzyskanych z sekcji seryjnych wizualizowanych za pomocą mikroskopii elektronowej, można generować rekonstrukcje 3D „objętości” neuronalnych za pomocą procesu znanego jako tomografia.

Aby monitorować zmiany w strukturach neuroanatomicznych w czasie, niezwykle użytecznym narzędziem jest neuroobrazowanie. Obrazowanie rezonansem magnetycznym, czyli MRI, jest szeroko stosowane do badania mózgu u ludzi. Technika ta dostarcza obrazu mózgu jako całości, z rozdzielczością do 1 mm. MRI może być wykorzystywane do badania istoty białej za pomocą traktografii. Dzięki tej technice neuroanatomicy wizualizują pęczki aksonów, ujawniając połączenia między obszarami mózgu oraz w ich obrębie.

W celu oceny korelacji między neuroanatomią a stanami chorobowymi naukowcy często korzystają z technik chirurgicznych stosowanych w modelach zwierzęcych. Chirurgia stereotaktyczna wykorzystuje trójwymiarowy układ współrzędnych i szczegółowe atlasy anatomiczne, co pozwala badaczom na fizyczną manipulację izolowanymi obszarami anatomicznymi. Przy użyciu aparatu stereotaktycznego i odpowiednich informacji anatomicznych możliwe jest dostarczenie stymulacji elektrycznej, wprowadzenie leków lub innych substancji, bądź wywołanie uszkodzeń w celowanych obszarach mózgu.

Następnie przejrzyjmy niektóre zastosowania tych metod. Szczegółowe informacje o strukturze mózgu można uzyskać poprzez analizę utrwalonych mózgów, które są cięte na cienkie sekcje. Aby wyróżnić poszczególne cechy strukturalne, sekcje mózgu naczelnych zostały zabarwione w celu wykazania ekspresji trzech białek w całym mózgu. Zabarwione sekcje można badać również przy dużym powiększeniu, co pozwala badaczom na wizualizację struktury na poziomie komórkowym.

Doświadczenie może modyfikować strukturę neuronalną na poziomie komórkowym. W tym eksperymencie młode szczury są poddawane bodźcom dotykowym w trakcie rozwoju. Po osiągnięciu przez nie wieku dorosłego pobierane są próbki mózgu i barwione w celu wizualizacji morfologii komórek. Otrzymane obrazy ujawniają zmiany w kształcie i liczbie dendrytów, co sugeruje zmienioną łączność neuronalną.

Neuroanatomia odgrywa kluczową rolę w warunkach klinicznych, ponieważ przyczynia się do diagnostyki i leczenia chorób neurologicznych i psychiatrycznych. Na przykład zmiany w cytoarchitekturze są ściśle powiązane z określonymi stanami chorobowymi. Techniki strukturalnego obrazowania neurologicznego są często łączone z obrazowaniem funkcjonalnym, aby porównać aktywność konkretnych obszarów mózgu w stanach prawidłowych i chorobowych. Przykładowo, pacjenci cierpiący na wstrząśnienie mózgu wykazują zmiany w wzorcach aktywności neuronalnej, które korelują z procesem ich rekonwalescencji po urazie.

Właśnie obejrzeli Państwo wprowadzenie JoVE do neuroanatomii. W tym filmie prześledziliśmy historię badań neuroanatomicznych i przedstawiliśmy kluczowe pytania, jakie stawiają neuroanatomowie. Przeanalizowaliśmy również strategie badawcze na poziomie mikroskopowym i makroskopowym oraz omówiliśmy ich zastosowania.

Dziękujemy za uwagę!