1.15: Wprowadzenie 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 zajmujący się tą dziedziną są zainteresowani tym, w jaki sposób komórki przyjmują określone tożsamości, migrują do określonych regionów i łączą się, tworząc funkcjonalny system. Procesy te są ważne dla zrozumienia, jak funkcjonuje układ nerwowy, a także dla diagnozowania i leczenia szerokiego zakresu chorób neurologicznych zakorzenionych w nieprawidłowym rozwoju.

Ten film zabierze Cię w krótką wycieczkę po historii neurobiologii rozwojowej, przedstawi kluczowe pytania w tej dziedzinie i poznasz najważniejsze metody stosowane w celu udzielenia odpowiedzi na te pytania. Na koniec przyjrzymy się niektórym praktycznym zastosowaniom badań neurorozwojowych.

Zacznijmy od kilku przełomowych badań z historii neurobiologii rozwojowej.

Wczesne badania neurorozwojowe sięgają XIX wieku. W latach osiemdziesiątych XIX wieku Wilhelm His rozpoczął badania nad histogenezą, czyli embrionalnym pochodzeniem tkanek. Był jedną z pierwszych osób, które obserwowały, jak rozwijające się neurony wydłużają procesy takie jak aksony i dendryty.

W 1924 roku embriolodzy Hans Spemann i Hilde Mangold badali funkcję klastra komórek znanego jako organizator Spemanna. Odkryli, że przeszczepienie organizatora do innego zarodka indukowało tworzenie się wtórnej tkanki nerwowej.

Następnie, w latach pięćdziesiątych, Rita Levi-Montalcini i Stanley Cohen zaobserwowali, że przeszczepianie kawałków guzów na rozwijające się zarodki kurczaków prowadzi do szybkiego wzrostu neuronów. Spekulowali, że guz wydziela substancję, która powoduje ten wzrost i wkrótce zidentyfikowali to białko jako czynnik wzrostu nerwów lub NGF, który jest niezbędny do przetrwania neuronów.

W innym badaniu dotyczącym przeszczepów Nicole Le Douarin zastąpiła części zarodków piskląt tymi z przepiórek. Śledząc rozwój komórek przepiórczych, wykazała, że wysoce migrująca grupa komórek, znana jako grzebień nerwowy, daje początek dojrzałym nerwom obwodowym.

Kilka lat później Pasko Rakic badał, w jaki sposób komórki ośrodkowego układu nerwowego układają się w wysoce uporządkowane struktury podczas rozwoju. Rakic oznaczył dzielące się komórki w rozwijających się płodach radioaktywnymi nukleotydami, co pozwoliło mu określić, kiedy rodzą się komórki mózgowe i gdzie znajduje się ich ostateczne miejsce przeznaczenia w dojrzałym mózgu.

W ostatnich dekadach XX wieku rozpoczęła się nowa era badań, która koncentrowała się na komórkach i sygnałach molekularnych kierujących rozwojem układu nerwowego.

Na przykład w połowie lat 90. XX wieku Tom Jessell wykazał, że pewne czynniki transkrypcyjne lub białka, które pomagają kontrolować ekspresję genów, wpływają na rozwój unikalnych podtypów neuronów w rozwijającym się rdzeniu kręgowym myszy. Kontynuując te prace, dzisiejsi naukowcy nadal identyfikują nowe geny, które kontrolują rozwój neuronów.

Teraz, gdy widziałeś już kilka historycznych wydarzeń, przyjrzyjmy się kilku kluczowym pytaniom we współczesnej neurobiologii rozwojowej.

Wielu badaczy bada wzorzec i specyfikację losu komórek układu nerwowego. Na przykład interesuje ich genetyczne programowanie, które kieruje wczesnymi komórkami macierzystymi do różnicowania się w neurony lub komórki glejowe, które są komórkami podporowymi układu nerwowego. Mogą również badać wydzielane sygnały, które wpływają na bardziej wyspecjalizowane tożsamości w obrębie klasy komórek lub w określonych lokalizacjach.

Innym ważnym celem jest to, w jaki sposób rozwijające się neurony i glej są w stanie organizować się i łączyć w dojrzały układ nerwowy. Niektórzy badacze badają dynamikę cytoszkieletu komórek migrujących od ich miejsca pochodzenia do miejsca, w którym funkcjonują. Inni są zainteresowani tym, jak sygnały ze środowiska zewnątrzkomórkowego wpływają na zachowania migracyjne.

Neurobiolodzy zajmujący się rozwojem oceniają również, w jaki sposób połączenia między komórkami są tworzone i udoskonalane w trakcie rozwoju. Niektóre badania koncentrują się na funkcji receptorów naprowadzania aksonów, które są białkami powierzchniowymi komórek, które wykrywają zewnętrzne sygnały i kierują rozwijające się aksony lub neuryty do komórek docelowych. Innym celem jest badanie fizycznych i chemicznych połączeń zaangażowanych w synaptogenezę, czyli tworzenie nowych połączeń sygnałowych lub synaps między komórkami.

Przyjrzyjmy się teraz kilku najważniejszym metodom używanym do odpowiedzi na niektóre z tych pytań neurorozwojowych.

Aby zbadać genetyczną kontrolę tożsamości komórki i wzorców układu nerwowego, pomocne jest manipulowanie ekspresją określonych genów w rozwijających się zarodkach. Jedną z popularnych metod jest elektroporacja in utero, w której egzogenne DNA jest dostarczane do mózgu rozwijających się gryzoni. Odsłaniając macicę znieczulonej, ciężarnej myszy DNA może zostać wstrzyknięte do mózgu embrionalnego i zastosowane prąd, aby wtłoczyć DNA do otaczających komórek. W zależności od eksperymentu, elektroporowany materiał może być wykorzystany do promowania ekspresji genów lub zapobiegania jej, co pozwala naukowcom zbadać wpływ poszczególnych białek na rozwój mózgu.

Eksplantowana tkanka ośrodkowego układu nerwowego jest powszechnie stosowana do badania migracji komórek podczas rozwoju. Technika ta polega na wypreparowaniu małych fragmentów mózgu lub rdzenia kręgowego i wyhodowaniu ich in vitro. Główną zaletą tego podejścia jest to, że tkanka jest łatwo dostępna do uchwycenia ruchów komórek za pomocą obrazowania poklatkowego. Dodatkowo, wpływ określonych cząsteczek na migrację można łatwo badać w eksplantatach poprzez zastosowanie czynników wzrostu lub inhibitorów farmakologicznych do pożywek hodowlanych.

Do badania cząsteczek, które są niezbędne do tworzenia sieci neuronowych, można zastosować immunohistochemię. Technika ta wykorzystuje specyficzność przeciwciał do oznaczania lokalizacji określonych białek w komórkach i tkankach. Wizualizacja lokalizacji białek za pomocą mikroskopii fluorescencyjnej może pomóc naukowcom w formułowaniu hipotez dotyczących tego, w jaki sposób cząsteczki te wpływają na powstawanie i funkcjonowanie struktur takich jak synapsa.

Teraz, gdy jesteś już zaznajomiony z niektórymi podejściami do studiowania neuronauki rozwojowej, przyjrzyjmy się zastosowaniom tych badań w dzisiejszych laboratoriach.

Głównym celem badań nad rozwojem neurologicznym jest ustalenie, w jaki sposób określa się tożsamość i morfologię komórki. Aby zbadać genetyczną kontrolę rozwoju neuronów, naukowcy dostarczyli konstrukty genów knockdown do rozwijającego się układu nerwowego piskląt za pomocą elektroporacji. Elektroporowane neurony w cewie nerwowej zostały również oznaczone przez wstrzyknięcie barwnika, dzięki czemu można było porównać morfologię aksonów między komórkami kontrolnymi i genetycznie zmienionymi.

Aby zbadać, w jaki sposób neurony nawiązują połączenia, naukowcy przeprowadzili hodowlę neuronów wyekstrahowanych od młodych młodych szczurów. Po kilku dniach w hodowli komórki utrwalono i wybarwiono przeciwciałami specyficznymi dla białek synaptycznych, co pozwoliło na ilościowe określenie tworzenia synaps w wielu warunkach eksperymentalnych, takich jak nadekspresja genów lub hodowla w zmodyfikowanej pożywce wzrostowej.

Korzystając ze swojej wiedzy na temat programu napędzającego rozwój neuronów, dzisiejsi naukowcy mogą teraz zmusić wczesne komórki embrionalne, takie jak komórki macierzyste, do korzystania ze specyficznych szlaków różnicowania in vitro. Naukowcy potraktowali ludzkie komórki macierzyste pochodną witaminy A, kwasem retinowym, co spowodowało zmniejszoną ekspresję czynników transkrypcyjnych, które utrzymują tożsamość komórek macierzystych i zwiększoną ekspresję markerów neuronalnych. Technika ta zapewnia naukowcom cenne źródło ludzkich neuronów do badania mechanizmów stojących za chorobami neurologicznymi.

Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do neuronauki rozwojowej. W tym filmie omówiono najważniejsze wydarzenia historyczne, kluczowe pytania zadawane przez neurobiologów rozwojowych oraz niektóre z używanych przez nich technik.

Dzięki za oglądanie!