Wstęp do neurobiologii rozwojowej
Neurobiologia rozwojowa bada, w jaki sposób kilka wczesnych komórek embrionalnych może przekształcić się w misternie zorganizowany układ nerwowy, który kontroluje cały organizm.
Naukowcy w tej dziedzinie interesują się tym, jak komórki przyjmują specyficzne tożsamości, migrują do określonych obszarów i łączą się, tworząc funkcjonalny system. Procesy te są istotne dla zrozumienia funkcjonowania układu nerwowego, a także dla diagnostyki i leczenia szerokiej gamy chorób neurologicznych wynikających z nieprawidłowego rozwoju.
Niniejsze wideo przeprowadzi Państwa przez krótki przegląd historii neurobiologii rozwojowej, nakreśli kluczowe pytania w tej dziedzinie i przedstawi najważniejsze metody stosowane w celu znalezienia odpowiedzi na te pytania. Na koniec przyjrzymy się niektórym praktycznym zastosowaniom badań nad rozwojem neurologicznym.
Zacznijmy od kilku przełomowych badań z historii neurobiologii rozwoju.
Wczesne badania nad rozwojem neurologicznym sięgają XIX wieku. W latach 80. XIX wieku Wilhelm His zapoczątkował badanie histogenezy, czyli embrionalnego pochodzenia tkanek. Był jedną z pierwszych osób, które obserwowały, jak rozwijające się neurony wysyłają wypustki, takie jak aksony i dendryty.
W 1924 roku embrolodzy Hans Spemann i Hilde Mangold zbadali funkcję skupiska komórek znanego jako organizator Spemanna. Odkryli, że transplantacja organizatora do innego embrionu indukuje tworzenie wtórnej tkanki nerwowej.
Następnie w latach 50. XX wieku Rita Levi-Montalcini i Stanley Cohen zaobserwowali, że przeszczepianie fragmentów guzów na rozwijające się embriony kurcząt prowadzi do szybkiego wzrostu neuronów. Przypuścili, że guz wydziela substancję powodującą ten wzrost, a wkrótce zidentyfikowali to białko jako czynnik wzrostu nerwów, czyli NGF, który jest niezbędny do przeżycia neuronów.
W innym badaniu nad transplantacją Nicole Le Douarin zastąpiła części embrionów kurczaka częściami pochodzącymi od przepiórki. Śledząc komórki przepiórki w trakcie rozwoju, wykazała, że wysoce migrująca grupa komórek, znana jako grzebień neuronalny, daje początek dojrzałym nerwom obwodowym.
Kilka lat później Pasko Rakic badał, w jaki sposób komórki ośrodkowego układu nerwowego układają się w wysoko uporządkowane struktury podczas rozwoju. Rakic znakował dzielące się komórki w rozwijających się płodach radioaktywnymi nukleotydami, co pozwoliło mu określić, kiedy powstawały komórki mózgowe i gdzie znajdowało się ich docelowe miejsce w dojrzałym mózgu.
W ostatnich dekadach XX wieku rozpoczęła się nowa era badań, skupiona na sygnałach komórkowych i molekularnych kierujących rozwojem układu nerwowego.
Na przykład w połowie lat 90. Tom Jessell wykazał, że niektóre czynniki transkrypcyjne, czyli białka pomagające kontrolować ekspresję genów, wpływały na rozwój unikalnych podtypów neuronów w rozwijającym się rdzeniu kręgowym myszy. Kontynuując te prace, współcześni badacze wciąż identyfikują nowe geny kontrolujące rozwój neuronalny.
Po zapoznaniu się z kilkoma najważniejszymi wydarzeniami historycznymi, przeanalizujmy kluczowe pytania w nowoczesnej neurobiologii rozwoju.
Wielu badaczy zajmuje się analizą wzorowania i specyfikacji losów komórek układu nerwowego. Przykładowo, interesują ich programy genetyczne, które kierują wczesnymi komórkami macierzystymi w procesie różnicowania się w neurony lub glej, czyli komórki wspierające układ nerwowy. Mogą oni również badać wydzielane sygnały, które wpływają na kształtowanie bardziej wyspecjalizowanych tożsamości w obrębie danej klasy komórek lub w konkretnych lokalizacjach.
Kolejnym głównym obszarem zainteresowań jest to, w jaki sposób rozwijające się neurony i komórki glejowe są w stanie organizować się i składać w dojrzały układ nerwowy. Niektórzy badacze analizują dynamikę cytoszkieletu komórek migrujących z miejsca ich pochodzenia do miejsca, w którym pełnią swoją funkcję. Inni interesują się tym, jak sygnały z środowiska zewnątrzkomórkowego wpływają na zachowanie migracyjne.
Neurobiolodzy rozwoju oceniają również, w jaki sposób połączenia między komórkami są tworzone i udoskonalane w trakcie rozwoju. Niektóre badania koncentrują się na funkcji receptorów prowadzenia aksonów, które są białkami powierzchniowymi komórek wykrywającymi zewnętrzne sygnały i kierującymi rozwijające się aksony, lub neuryty, do komórek docelowych. Innym obszarem badań są fizyczne i chemiczne połączenia uczestniczące w synaptogenezie, czyli procesie tworzenia nowych połączeń sygnałowych, czyli synaps, między komórkami.
Przyjrzyjmy się teraz kilku czołowym metodom stosowanym w celu odpowiedzi na niektóre z tych pytań dotyczących rozwoju neurologicznego.
Aby badać genetyczną kontrolę tożsamości komórek i wzorcowania układu nerwowego, pomocne jest manipulowanie ekspresją konkretnych genów w rozwijających się embrionach. Jedną z popularnych metod jest elektroporacja in utero, w której egzogenne DNA jest dostarczane do mózgu rozwijających się gryzoni. Poprzez odsłonięcie macicy znieczulonej, ciężarnej myszy, DNA może zostać wstrzyknięte do embrionalnych mózgów, a następnie przyłożony prąd wymusza wniknięcie DNA do otaczających komórek. W zależności od eksperymentu, materiał poddany elektroporacji może służyć albo do promowania ekspresji genu, albo do jej zapobiegania, co pozwala badaczom analizować wpływ poszczególnych białek na rozwój mózgu.
Do badania migracji komórek podczas rozwoju powszechnie wykorzystuje się eksplanty tkanek ośrodkowego układu nerwowego. Technika ta polega na wycięciu małych fragmentów mózgu lub rdzenia kręgowego i hodowaniu ich in vitro. Główną zaletą tego podejścia jest wysoka dostępność tkanki do rejestrowania ruchów komórek za pomocą obrazowania poklatkowego (time-lapse imaging). Ponadto wpływ konkretnych cząsteczek na migrację można łatwo badać w eksplantach poprzez dodawanie czynników wzrostu lub inhibitorów farmakologicznych do pożywki hodowlanej.
Do badania cząsteczek niezbędnych do formowania sieci neuronalnych można wykorzystać immunohistochemię. Technika ta wykorzystuje specyficzność przeciwciał do znakowania lokalizacji konkretnych białek w komórkach i tkankach. Wizualizacja lokalizacji białek przy użyciu mikroskopii fluorescencyjnej może pomóc badaczom w formułowaniu hipotez dotyczących tego, jak cząsteczki te wpływają na formowanie i funkcję struktur takich jak synapsa.
Skoro znają już Państwo niektóre podejścia do badania neuronauki rozwojowej, przyjrzyjmy się zastosowaniom tych badań w dzisiejszych laboratoriach.
Głównym celem badań nad neurorozwojem jest ustalenie, w jaki sposób określana jest tożsamość i morfologia komórek. Aby zbadać genetyczną kontrolę rozwoju neuronów, badacze ci wprowadzili konstrukty do wyciszania genów do rozwijającego się układu nerwowego kurczaka za pomocą elektroporacji. Neurony poddane elektroporacji wewnątrz cewy nerwowej zostały również oznakowane poprzez wstrzyknięcie barwnika, co pozwoliło na porównanie morfologii aksonów między komórkami kontrolnymi a genetycznie zmodyfikowanymi.
Aby zbadać sposób, w jaki neurony tworzą połączenia, badacze ci hodowali neurony wyizolowane z młodych szczurów. Po kilku dniach hodowli komórki utrwalono i zabarwiono przeciwciałami specyficznymi dla białek synaptycznych, co umożliwiło kwantyfikację tworzenia synaps w wielu warunkach eksperymentalnych, takich jak nadekspresja genu lub hodowla w zmodyfikowanej pożywce wzrostowej.
Wykorzystując wiedzę na temat programów sterujących rozwojem nerwowym, współcześni badacze mogą teraz wymuszać różnicowanie wczesnych komórek zarodkowych, takich jak komórki macierzyste, w określonych kierunkach in vitro. Badacze ci potraktowali ludzkie komórki macierzyste pochodną witaminy A, kwasem retinowym, co doprowadziło do zmniejszenia ekspresji czynników transkrypcyjnych utrzymujących tożsamość komórek macierzystych oraz zwiększenia ekspresji markerów neuronalnych. Technika ta zapewnia badaczom cenne źródło ludzkich neuronów do badania mechanizmów leżących u podstaw chorób neurologicznych.
Właśnie obejrzeli Państwo wprowadzenie JoVE do neuronauki rozwojowej. W tym filmie omówiono najważniejsze wydarzenia historyczne, kluczowe pytania stawiane przez neuronaukowców zajmujących się rozwojem oraz niektóre z wykorzystywanych przez nich technik.
Dziękujemy za uwagę!
Neurobiologia rozwojowa to dziedzina badająca sposób, w jaki tworzy się układ nerwowy, od wczesnych etapów embrionalnych aż po wiek dorosły. Choć wiad…
Neurobiologia rozwojowa bada, w jaki sposób kilka wczesnych komórek embrionalnych może przekształcić się w misternie zorganizowany układ nerwowy, który kontroluje cały organizm.
Naukowcy w tej dziedzinie interesują się tym, jak komórki przyjmują specyficzne tożsamości, migrują do określonych obszarów i łączą się, tworząc funkcjonalny system. Procesy te są istotne dla zrozumienia funkcjonowania układu nerwowego, a także dla diagnostyki i leczenia szerokiej gamy chorób neurologicznych wynikających z nieprawidłowego rozwoju.
Niniejsze wideo przeprowadzi Państwa przez krótki przegląd historii neurobiologii rozwojowej, nakreśli kluczowe pytania w tej dziedzinie i przedstawi najważniejsze metody stosowane w celu znalezienia odpowiedzi na te pytania. Na koniec przyjrzymy się niektórym praktycznym zastosowaniom badań nad rozwojem neurologicznym.
Zacznijmy od kilku przełomowych badań z historii neurobiologii rozwoju.
Wczesne badania nad rozwojem neurologicznym sięgają XIX wieku. W latach 80. XIX wieku Wilhelm His zapoczątkował badanie histogenezy, czyli embrionalnego pochodzenia tkanek. Był jedną z pierwszych osób, które obserwowały, jak rozwijające się neurony wysyłają wypustki, takie jak aksony i dendryty.
W 1924 roku embrolodzy Hans Spemann i Hilde Mangold zbadali funkcję skupiska komórek znanego jako organizator Spemanna. Odkryli, że transplantacja organizatora do innego embrionu indukuje tworzenie wtórnej tkanki nerwowej.
Następnie w latach 50. XX wieku Rita Levi-Montalcini i Stanley Cohen zaobserwowali, że przeszczepianie fragmentów guzów na rozwijające się embriony kurcząt prowadzi do szybkiego wzrostu neuronów. Przypuścili, że guz wydziela substancję powodującą ten wzrost, a wkrótce zidentyfikowali to białko jako czynnik wzrostu nerwów, czyli NGF, który jest niezbędny do przeżycia neuronów.
W innym badaniu nad transplantacją Nicole Le Douarin zastąpiła części embrionów kurczaka częściami pochodzącymi od przepiórki. Śledząc komórki przepiórki w trakcie rozwoju, wykazała, że wysoce migrująca grupa komórek, znana jako grzebień neuronalny, daje początek dojrzałym nerwom obwodowym.
Kilka lat później Pasko Rakic badał, w jaki sposób komórki ośrodkowego układu nerwowego układają się w wysoko uporządkowane struktury podczas rozwoju. Rakic znakował dzielące się komórki w rozwijających się płodach radioaktywnymi nukleotydami, co pozwoliło mu określić, kiedy powstawały komórki mózgowe i gdzie znajdowało się ich docelowe miejsce w dojrzałym mózgu.
W ostatnich dekadach XX wieku rozpoczęła się nowa era badań, skupiona na sygnałach komórkowych i molekularnych kierujących rozwojem układu nerwowego.
Na przykład w połowie lat 90. Tom Jessell wykazał, że niektóre czynniki transkrypcyjne, czyli białka pomagające kontrolować ekspresję genów, wpływały na rozwój unikalnych podtypów neuronów w rozwijającym się rdzeniu kręgowym myszy. Kontynuując te prace, współcześni badacze wciąż identyfikują nowe geny kontrolujące rozwój neuronalny.
Po zapoznaniu się z kilkoma najważniejszymi wydarzeniami historycznymi, przeanalizujmy kluczowe pytania w nowoczesnej neurobiologii rozwoju.
Wielu badaczy zajmuje się analizą wzorowania i specyfikacji losów komórek układu nerwowego. Przykładowo, interesują ich programy genetyczne, które kierują wczesnymi komórkami macierzystymi w procesie różnicowania się w neurony lub glej, czyli komórki wspierające układ nerwowy. Mogą oni również badać wydzielane sygnały, które wpływają na kształtowanie bardziej wyspecjalizowanych tożsamości w obrębie danej klasy komórek lub w konkretnych lokalizacjach.
Kolejnym głównym obszarem zainteresowań jest to, w jaki sposób rozwijające się neurony i komórki glejowe są w stanie organizować się i składać w dojrzały układ nerwowy. Niektórzy badacze analizują dynamikę cytoszkieletu komórek migrujących z miejsca ich pochodzenia do miejsca, w którym pełnią swoją funkcję. Inni interesują się tym, jak sygnały z środowiska zewnątrzkomórkowego wpływają na zachowanie migracyjne.
Neurobiolodzy rozwoju oceniają również, w jaki sposób połączenia między komórkami są tworzone i udoskonalane w trakcie rozwoju. Niektóre badania koncentrują się na funkcji receptorów prowadzenia aksonów, które są białkami powierzchniowymi komórek wykrywającymi zewnętrzne sygnały i kierującymi rozwijające się aksony, lub neuryty, do komórek docelowych. Innym obszarem badań są fizyczne i chemiczne połączenia uczestniczące w synaptogenezie, czyli procesie tworzenia nowych połączeń sygnałowych, czyli synaps, między komórkami.
Przyjrzyjmy się teraz kilku czołowym metodom stosowanym w celu odpowiedzi na niektóre z tych pytań dotyczących rozwoju neurologicznego.
Aby badać genetyczną kontrolę tożsamości komórek i wzorcowania układu nerwowego, pomocne jest manipulowanie ekspresją konkretnych genów w rozwijających się embrionach. Jedną z popularnych metod jest elektroporacja in utero, w której egzogenne DNA jest dostarczane do mózgu rozwijających się gryzoni. Poprzez odsłonięcie macicy znieczulonej, ciężarnej myszy, DNA może zostać wstrzyknięte do embrionalnych mózgów, a następnie przyłożony prąd wymusza wniknięcie DNA do otaczających komórek. W zależności od eksperymentu, materiał poddany elektroporacji może służyć albo do promowania ekspresji genu, albo do jej zapobiegania, co pozwala badaczom analizować wpływ poszczególnych białek na rozwój mózgu.
Do badania migracji komórek podczas rozwoju powszechnie wykorzystuje się eksplanty tkanek ośrodkowego układu nerwowego. Technika ta polega na wycięciu małych fragmentów mózgu lub rdzenia kręgowego i hodowaniu ich in vitro. Główną zaletą tego podejścia jest wysoka dostępność tkanki do rejestrowania ruchów komórek za pomocą obrazowania poklatkowego (time-lapse imaging). Ponadto wpływ konkretnych cząsteczek na migrację można łatwo badać w eksplantach poprzez dodawanie czynników wzrostu lub inhibitorów farmakologicznych do pożywki hodowlanej.
Do badania cząsteczek niezbędnych do formowania sieci neuronalnych można wykorzystać immunohistochemię. Technika ta wykorzystuje specyficzność przeciwciał do znakowania lokalizacji konkretnych białek w komórkach i tkankach. Wizualizacja lokalizacji białek przy użyciu mikroskopii fluorescencyjnej może pomóc badaczom w formułowaniu hipotez dotyczących tego, jak cząsteczki te wpływają na formowanie i funkcję struktur takich jak synapsa.
Skoro znają już Państwo niektóre podejścia do badania neuronauki rozwojowej, przyjrzyjmy się zastosowaniom tych badań w dzisiejszych laboratoriach.
Głównym celem badań nad neurorozwojem jest ustalenie, w jaki sposób określana jest tożsamość i morfologia komórek. Aby zbadać genetyczną kontrolę rozwoju neuronów, badacze ci wprowadzili konstrukty do wyciszania genów do rozwijającego się układu nerwowego kurczaka za pomocą elektroporacji. Neurony poddane elektroporacji wewnątrz cewy nerwowej zostały również oznakowane poprzez wstrzyknięcie barwnika, co pozwoliło na porównanie morfologii aksonów między komórkami kontrolnymi a genetycznie zmodyfikowanymi.
Aby zbadać sposób, w jaki neurony tworzą połączenia, badacze ci hodowali neurony wyizolowane z młodych szczurów. Po kilku dniach hodowli komórki utrwalono i zabarwiono przeciwciałami specyficznymi dla białek synaptycznych, co umożliwiło kwantyfikację tworzenia synaps w wielu warunkach eksperymentalnych, takich jak nadekspresja genu lub hodowla w zmodyfikowanej pożywce wzrostowej.
Wykorzystując wiedzę na temat programów sterujących rozwojem nerwowym, współcześni badacze mogą teraz wymuszać różnicowanie wczesnych komórek zarodkowych, takich jak komórki macierzyste, w określonych kierunkach in vitro. Badacze ci potraktowali ludzkie komórki macierzyste pochodną witaminy A, kwasem retinowym, co doprowadziło do zmniejszenia ekspresji czynników transkrypcyjnych utrzymujących tożsamość komórek macierzystych oraz zwiększenia ekspresji markerów neuronalnych. Technika ta zapewnia badaczom cenne źródło ludzkich neuronów do badania mechanizmów leżących u podstaw chorób neurologicznych.
Właśnie obejrzeli Państwo wprowadzenie JoVE do neuronauki rozwojowej. W tym filmie omówiono najważniejsze wydarzenia historyczne, kluczowe pytania stawiane przez neuronaukowców zajmujących się rozwojem oraz niektóre z wykorzystywanych przez nich technik.
Dziękujemy za uwagę!
Zaloguj się lub , aby uzyskać dostęp do pełnej treści. Dowiedz się więcej o dostępie Twojej instytucji do treści JoVE tutaj
Neurobiologia rozwojowa bada, w jaki sposób kilka wczesnych komórek embrionalnych może przekształcić się w misternie zorganizowany układ nerwowy, który kontroluje cały organizm.
Naukowcy w tej dziedzinie interesują się tym, jak komórki przyjmują specyficzne tożsamości, migrują do określonych obszarów i łączą się, tworząc funkcjonalny system. Procesy te są istotne dla zrozumienia funkcjonowania układu nerwowego, a także dla diagnostyki i leczenia szerokiej gamy chorób neurologicznych wynikających z nieprawidłowego rozwoju.
Niniejsze wideo przeprowadzi Państwa przez krótki przegląd historii neurobiologii rozwojowej, nakreśli kluczowe pytania w tej dziedzinie i przedstawi najważniejsze metody stosowane w celu znalezienia odpowiedzi na te pytania. Na koniec przyjrzymy się niektórym praktycznym zastosowaniom badań nad rozwojem neurologicznym.
Zacznijmy od kilku przełomowych badań z historii neurobiologii rozwoju.
Wczesne badania nad rozwojem neurologicznym sięgają XIX wieku. W latach 80. XIX wieku Wilhelm His zapoczątkował badanie histogenezy, czyli embrionalnego pochodzenia tkanek. Był jedną z pierwszych osób, które obserwowały, jak rozwijające się neurony wysyłają wypustki, takie jak aksony i dendryty.
W 1924 roku embrolodzy Hans Spemann i Hilde Mangold zbadali funkcję skupiska komórek znanego jako organizator Spemanna. Odkryli, że transplantacja organizatora do innego embrionu indukuje tworzenie wtórnej tkanki nerwowej.
Następnie w latach 50. XX wieku Rita Levi-Montalcini i Stanley Cohen zaobserwowali, że przeszczepianie fragmentów guzów na rozwijające się embriony kurcząt prowadzi do szybkiego wzrostu neuronów. Przypuścili, że guz wydziela substancję powodującą ten wzrost, a wkrótce zidentyfikowali to białko jako czynnik wzrostu nerwów, czyli NGF, który jest niezbędny do przeżycia neuronów.
W innym badaniu nad transplantacją Nicole Le Douarin zastąpiła części embrionów kurczaka częściami pochodzącymi od przepiórki. Śledząc komórki przepiórki w trakcie rozwoju, wykazała, że wysoce migrująca grupa komórek, znana jako grzebień neuronalny, daje początek dojrzałym nerwom obwodowym.
Kilka lat później Pasko Rakic badał, w jaki sposób komórki ośrodkowego układu nerwowego układają się w wysoko uporządkowane struktury podczas rozwoju. Rakic znakował dzielące się komórki w rozwijających się płodach radioaktywnymi nukleotydami, co pozwoliło mu określić, kiedy powstawały komórki mózgowe i gdzie znajdowało się ich docelowe miejsce w dojrzałym mózgu.
W ostatnich dekadach XX wieku rozpoczęła się nowa era badań, skupiona na sygnałach komórkowych i molekularnych kierujących rozwojem układu nerwowego.
Na przykład w połowie lat 90. Tom Jessell wykazał, że niektóre czynniki transkrypcyjne, czyli białka pomagające kontrolować ekspresję genów, wpływały na rozwój unikalnych podtypów neuronów w rozwijającym się rdzeniu kręgowym myszy. Kontynuując te prace, współcześni badacze wciąż identyfikują nowe geny kontrolujące rozwój neuronalny.
Po zapoznaniu się z kilkoma najważniejszymi wydarzeniami historycznymi, przeanalizujmy kluczowe pytania w nowoczesnej neurobiologii rozwoju.
Wielu badaczy zajmuje się analizą wzorowania i specyfikacji losów komórek układu nerwowego. Przykładowo, interesują ich programy genetyczne, które kierują wczesnymi komórkami macierzystymi w procesie różnicowania się w neurony lub glej, czyli komórki wspierające układ nerwowy. Mogą oni również badać wydzielane sygnały, które wpływają na kształtowanie bardziej wyspecjalizowanych tożsamości w obrębie danej klasy komórek lub w konkretnych lokalizacjach.
Kolejnym głównym obszarem zainteresowań jest to, w jaki sposób rozwijające się neurony i komórki glejowe są w stanie organizować się i składać w dojrzały układ nerwowy. Niektórzy badacze analizują dynamikę cytoszkieletu komórek migrujących z miejsca ich pochodzenia do miejsca, w którym pełnią swoją funkcję. Inni interesują się tym, jak sygnały z środowiska zewnątrzkomórkowego wpływają na zachowanie migracyjne.
Neurobiolodzy rozwoju oceniają również, w jaki sposób połączenia między komórkami są tworzone i udoskonalane w trakcie rozwoju. Niektóre badania koncentrują się na funkcji receptorów prowadzenia aksonów, które są białkami powierzchniowymi komórek wykrywającymi zewnętrzne sygnały i kierującymi rozwijające się aksony, lub neuryty, do komórek docelowych. Innym obszarem badań są fizyczne i chemiczne połączenia uczestniczące w synaptogenezie, czyli procesie tworzenia nowych połączeń sygnałowych, czyli synaps, między komórkami.
Przyjrzyjmy się teraz kilku czołowym metodom stosowanym w celu odpowiedzi na niektóre z tych pytań dotyczących rozwoju neurologicznego.
Aby badać genetyczną kontrolę tożsamości komórek i wzorcowania układu nerwowego, pomocne jest manipulowanie ekspresją konkretnych genów w rozwijających się embrionach. Jedną z popularnych metod jest elektroporacja in utero, w której egzogenne DNA jest dostarczane do mózgu rozwijających się gryzoni. Poprzez odsłonięcie macicy znieczulonej, ciężarnej myszy, DNA może zostać wstrzyknięte do embrionalnych mózgów, a następnie przyłożony prąd wymusza wniknięcie DNA do otaczających komórek. W zależności od eksperymentu, materiał poddany elektroporacji może służyć albo do promowania ekspresji genu, albo do jej zapobiegania, co pozwala badaczom analizować wpływ poszczególnych białek na rozwój mózgu.
Do badania migracji komórek podczas rozwoju powszechnie wykorzystuje się eksplanty tkanek ośrodkowego układu nerwowego. Technika ta polega na wycięciu małych fragmentów mózgu lub rdzenia kręgowego i hodowaniu ich in vitro. Główną zaletą tego podejścia jest wysoka dostępność tkanki do rejestrowania ruchów komórek za pomocą obrazowania poklatkowego (time-lapse imaging). Ponadto wpływ konkretnych cząsteczek na migrację można łatwo badać w eksplantach poprzez dodawanie czynników wzrostu lub inhibitorów farmakologicznych do pożywki hodowlanej.
Do badania cząsteczek niezbędnych do formowania sieci neuronalnych można wykorzystać immunohistochemię. Technika ta wykorzystuje specyficzność przeciwciał do znakowania lokalizacji konkretnych białek w komórkach i tkankach. Wizualizacja lokalizacji białek przy użyciu mikroskopii fluorescencyjnej może pomóc badaczom w formułowaniu hipotez dotyczących tego, jak cząsteczki te wpływają na formowanie i funkcję struktur takich jak synapsa.
Skoro znają już Państwo niektóre podejścia do badania neuronauki rozwojowej, przyjrzyjmy się zastosowaniom tych badań w dzisiejszych laboratoriach.
Głównym celem badań nad neurorozwojem jest ustalenie, w jaki sposób określana jest tożsamość i morfologia komórek. Aby zbadać genetyczną kontrolę rozwoju neuronów, badacze ci wprowadzili konstrukty do wyciszania genów do rozwijającego się układu nerwowego kurczaka za pomocą elektroporacji. Neurony poddane elektroporacji wewnątrz cewy nerwowej zostały również oznakowane poprzez wstrzyknięcie barwnika, co pozwoliło na porównanie morfologii aksonów między komórkami kontrolnymi a genetycznie zmodyfikowanymi.
Aby zbadać sposób, w jaki neurony tworzą połączenia, badacze ci hodowali neurony wyizolowane z młodych szczurów. Po kilku dniach hodowli komórki utrwalono i zabarwiono przeciwciałami specyficznymi dla białek synaptycznych, co umożliwiło kwantyfikację tworzenia synaps w wielu warunkach eksperymentalnych, takich jak nadekspresja genu lub hodowla w zmodyfikowanej pożywce wzrostowej.
Wykorzystując wiedzę na temat programów sterujących rozwojem nerwowym, współcześni badacze mogą teraz wymuszać różnicowanie wczesnych komórek zarodkowych, takich jak komórki macierzyste, w określonych kierunkach in vitro. Badacze ci potraktowali ludzkie komórki macierzyste pochodną witaminy A, kwasem retinowym, co doprowadziło do zmniejszenia ekspresji czynników transkrypcyjnych utrzymujących tożsamość komórek macierzystych oraz zwiększenia ekspresji markerów neuronalnych. Technika ta zapewnia badaczom cenne źródło ludzkich neuronów do badania mechanizmów leżących u podstaw chorób neurologicznych.
Właśnie obejrzeli Państwo wprowadzenie JoVE do neuronauki rozwojowej. W tym filmie omówiono najważniejsze wydarzenia historyczne, kluczowe pytania stawiane przez neuronaukowców zajmujących się rozwojem oraz niektóre z wykorzystywanych przez nich technik.
Dziękujemy za uwagę!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is the main focus of developmental neurobiology research?
Developmental neurobiology explores how a few early embryonic cells transform into an intricately organized nervous system. Scientists study how cells take on specific identities, migrate to defined regions, and connect to form functional networks. Understanding these processes is crucial for comprehending nervous system function and treating neurological diseases rooted in abnormal development.
Q2: How did nerve growth factor contribute to understanding neural development?
In the 1950s, Rita Levi-Montalcini and Stanley Cohen discovered that tumor transplants onto chicken embryos caused rapid neuron growth. They identified the responsible protein as nerve growth factor, or NGF, which is essential to neuron survival. This landmark finding revealed how secreted substances regulate neural development and established NGF as a critical developmental signal.
Q3: What role does the neural crest play in nervous system development?
The neural crest is a highly migratory group of cells that gives rise to mature peripheral nerves. Nicole Le Douarin demonstrated this by replacing chick embryo parts with quail tissue and tracking quail cells through development. This work revealed how specific cell populations migrate during development to form distinct nervous system structures.
Q4: What are the key questions developmental neuroscientists investigate today?
Modern developmental neuroscientists study patterning and fate specification, examining how stem cells differentiate into neurons or glia. They investigate cell migration, axon guidance, and synaptogenesis—the formation of new signaling connections between cells. Researchers also explore how secreted signals and extracellular environment cues influence neural development and cell organization.
Q5: How does in utero electroporation help researchers study brain development?
In utero electroporation delivers exogenous DNA into developing rodent brains by injecting DNA into embryonic tissue and applying electrical current to force it into surrounding cells. This technique allows researchers to promote or prevent specific gene expression, enabling examination of individual proteins' impact on brain development. It provides direct access to intact developing neural tissue for genetic manipulation.
Q6: Why is explant culture useful for studying neural cell migration?
Explant culture involves dissecting small pieces of brain or spinal cord and culturing them in vitro, making tissue highly accessible for time-lapse imaging of cell movements. Researchers can easily apply growth factors or pharmacological inhibitors to study how specific molecules affect migration. This approach preserves tissue organization while allowing detailed observation of developmental processes.
Q7: How can immunohistochemistry reveal mechanisms of synapse formation?
Immunohistochemistry uses antibodies to mark specific proteins in cells and tissues with high specificity. Fluorescent microscopy visualization of protein localization helps researchers form hypotheses about how molecules influence synapse formation and function. This technique enables quantification of synaptic proteins and assessment of synaptogenesis under different experimental conditions.
Rozdziały w tym filmie
0:00
Overview
1:06
Historical Highlights
3:38
Key Questions
5:14
Prominent Methods
7:16
Applications
9:00
Summary