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!