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Advanced Biology

Uma Introdução à Neuroanatomia

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Neuroscience

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An Introduction to Neuroanatomy

1.3: Calcium Imaging in Neurons

1.5: Rodent Stereotaxic Surgery

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10:15 min

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April 30, 2023

Overview

Neuro anatomia é o estudo das estruturas do sistema nervoso e como elas se relacionam com a função. Um foco dos neuroanatomistas são as estruturas macroscópicas dentro dos sistemas nervosos central e periférico, como as dobras corticais na superfície do cérebro. No entanto, os cientistas deste campo também estão interessados nas relações microscópicas entre neurônios e glia – os dois principais tipos celulares do sistema nervoso.

Este vídeo fornece uma breve visão geral da história da pesquisa neuroanatomética, que remonta ao século IV a.C., quando os filósofos propuseram pela primeira vez que a alma reside no cérebro e não no coração. As principais perguntas feitas pelos neuroanatomistas também são revisadas, incluindo tópicos como o papel da citoarquitetura, ou o arranjo de neurônios e glia, desempenha na função cerebral; e como a neuronatomia muda como resultado da experiência ou doença. Em seguida, são descritas algumas das ferramentas disponíveis para responder a essas perguntas, como histologia e ressonância magnética. Finalmente, o vídeo fornece várias aplicações de pesquisas neuroanatométicas, demonstrando como o campo vive nos laboratórios de neurociência de hoje.

Procedure

Através do estudo da neuroanação, os cientistas tentam desenhar um mapa para navegar no complexo sistema que controla nosso comportamento. No nível microscópico, os neuroanatomistas investigam as relações entre as células de sinalização, conhecidas como neurônios; células de manutenção, conhecidas como glia; e a estrutura de matriz extracelular que os sustenta. De uma visão mais ampla, no nível dos órgãos, a neuronatomia examina estruturas cerebrais e vias nervosas.

Este vídeo fornecerá uma visão geral da pesquisa neuroanatomética introduzindo a história do campo, as principais perguntas feitas pelos neuroanatomistas e as ferramentas disponíveis para responder a essas perguntas, seguidas de uma revisão de alguns experimentos específicos que investigam a neuronatomia.

Vamos começar revendo a história deste ramo da neurociência. As raízes da pesquisa neuroanatomética podem ser traçadas desde o século IV a.C., quando Hipócrates hipóteseram que a atividade mental reside no cérebro, em vez do coração.

Mas foi só no final do século XV, quando o Papa Sistigmatizado dissecção humana, que o estudo da neuroananato foi revitalizado, como refletido pela publicação em 1543 de “Sobre o Funcionamento do Corpo Humano”, de Andreas Vesalius, que incluiu um relato detalhado da anatomia cerebral.

Expandindo este trabalho, em 1664, Thomas Willis publicou a “Anatomia do Cérebro”, na qual introduziu várias novas estruturas neurológicas e especulou sobre sua função. Este trabalho é agora considerado a base da neuronatomia moderna.

No final do século XVI, a invenção do microscópio estimulou uma segunda revolução na pesquisa neuroanatomética. Seguindo esse avanço tecnológico, em 1873, Camillo Golgi inventou uma técnica de coloração para visualizar neurônios únicos sob o microscópio.

Graças a essas inovações, em 1888, Santiago Ramón y Cajal formulou a Doutrina do Neurônio: a ideia de que a unidade anatômica e funcional do cérebro é o neurônio.

De volta ao nível macroscópico, em 1909, Korbinian Brodmann publicou uma série de mapas cerebrais, onde dividiu o córtex cerebral em 52 áreas distintas, denominadas “áreas de Brodmann”. Estes mapas foram baseados em sua observação de que várias áreas corticais têm diferentes citoarquitestura.

Mais tarde, em 1957, Wilder Penfield e Theodore Rasmussen geraram o homúnculo cortical: um mapa mais detalhado de uma área seleto de Brodmann mostrando as regiões que controlam funções motoras e sensoriais específicas.

Com base nesses impressionantes estudos históricos da estrutura do sistema nervoso nos níveis microscópico e macroscópico, os neuroanatomistas de hoje fazem perguntas sobre como a estrutura se relaciona com o funcionamento. Para começar, alguns pesquisadores se concentram especificamente na citoarquitetura, ou no arranjo de neurônios e glia. Por exemplo, para investigar núcleos específicos, ou aglomerados de neurônios no cérebro, é útil caracterizar os subtipos neuronais encontrados lá e as conexões que essas células fazem com outras regiões cerebrais.

Dado que a citoarquitetura é dinâmica, outra questão-chave neste campo se concentra em como e por que as mudanças neuroanatomômicas ocorrem.

Por exemplo, o aprendizado e a memória estão associados à “neuroplasticidade”, ou mudanças nas vias neurais, como alterações nos pontos de contato estruturais entre os neurônios. Pequenas saliências, chamadas espinhas dendríticas, podem mudar dinamicamente em tamanho, forma e número de forma dependente da atividade.

Entender a estrutura do sistema nervoso também é fundamental para explicar sua disfunção.

Por exemplo, doenças neurodegenerativas debilitantes estão associadas a alterações neuroanatomômicas características, como a degeneração de neurônios dopaminérgicos observados na doença de Parkinson.

Tendo discutido as principais perguntas que os neuroanatomistas fazem, vamos rever as ferramentas que esses cientistas usam para encontrar respostas.

Primeiro, a histologia, ou a análise de fatias de tecido manchado, é uma técnica essencial para estudar a citoarquitetura.

Neuroanatomistas têm uma série de manchas à sua disposição para visualizar estruturas específicas no sistema nervoso.

Histoquímica é um ramo da histologia baseado na localização e identificação de componentes químicos. Uma aplicação particularmente valiosa da histoquímica é a detecção de rastreadores: moléculas que são introduzidas nos neurônios para visualizar suas conexões dentro do sistema nervoso.

Como mencionamos anteriormente, o advento do microscópio revolucionou a forma como a neuronatomia foi estudada. O microscópio leve permite que o tecido neuronal histologicamente manchado seja imageado em até mil vezes o seu tamanho original, revelando assim a citoarquitetura. O microscópio leve de fluorescência permite que proteínas imunolabeled sejam imagens em seções teciduais, ou na cultura, e permite estudos de colocalização, que envolvem determinar se duas proteínas estão ou não próximas dentro de um único neurônio.

A imagem confocal é um método aprimorado de microscopia de fluorescência que permite a secção óptica do tecido neuronal e, portanto, pode ser usado para gerar reconstruções 3D de neurônios para que sua morfologia, ou forma, possa ser estudada.

A imagem de 2 fótons é outro tipo de imagem de fluorescência, que pode penetrar profundamente no tecido e é frequentemente usada para imagens vivas do cérebro no comportamento de animais.

No entanto, nenhum fóton pode penetrar como um elétron, então a microscopia eletrônica tem sido inestimável para fornecer resolução subnanômetro de estruturas neuronais. Em particular, a sinapse foi visualizada em detalhes requintados usando microscopia eletrônica de transmissão. Além disso, ao compilar as imagens obtidas a partir de seções seriais visualizadas com microscopia eletrônica, reconstruções 3D de “volumes” neuronais podem ser geradas através de um processo conhecido como tomografia.

Para monitorar mudanças nas estruturas neuroanatomológicas ao longo do tempo, a neuroimagem é uma ferramenta extremamente útil. A ressonância magnética, ou ressonância magnética, é extensivamente usada para investigar o cérebro em humanos. Esta técnica fornece uma imagem do cérebro como um todo, até uma resolução de 1 mm. A ressonância magnética pode ser usada para investigar matéria branca através da tractografia. Com essa técnica, os neuroanatomistas visualizam feixes de axônios, revelando conexões entre, e dentro, áreas cerebrais.

Para avaliar as correlações entre os estados de neuroanação e doenças, os cientistas frequentemente fazem uso de técnicas cirúrgicas aplicadas a modelos animais. A cirurgia estereotática usa um sistema de coordenadas tridimensional e atlas anatômicos detalhados para permitir que os pesquisadores manipulem fisicamente áreas anatômicas isoladas. Com um aparelho estereotático e as informações anatômicas apropriadas, é possível fornecer estimulação elétrica, introduzir drogas ou outras substâncias, ou criar lesões em regiões-alvo do cérebro.

Em seguida, vamos rever algumas aplicações desses métodos. Informações detalhadas sobre a estrutura cerebral podem ser obtidas através da análise de cérebros preservados que são finamente cortados em seções. Para destacar características estruturais distintas, estas seções do cérebro de primatas foram manchadas para mostrar a expressão de três proteínas em todo o cérebro. Seções manchadas também podem ser estudadas em alta ampliação, permitindo que os pesquisadores visualizem a estrutura no nível celular.

A experiência pode modificar a estrutura neuronal no nível celular. Neste experimento, ratos jovens são expostos a estímulos táteis durante todo o desenvolvimento. Quando chegam à idade adulta, amostras cerebrais são coletadas e manchadas para visualizar a morfologia celular. As imagens resultantes revelam mudanças na forma e no número de dendritos, sugerindo conectividade neuronal alterada.

A neuronatomia é fundamental nos ambientes clínicos, pois contribui para o diagnóstico e tratamento de doenças neurológicas e psiquiátricas. Por exemplo, mudanças na citoarquitetura estão fortemente ligadas a certos estados da doença. Técnicas estruturais de neuroimagem são frequentemente combinadas com imagens funcionais para comparar a atividade de regiões cerebrais específicas em estados normais e de doenças. Por exemplo, pacientes que sofrem de concussão apresentam alterações nos padrões de atividade neural, que se correlacionam com sua recuperação da lesão.

Você acabou de assistir a introdução de JoVE à neuronatomia. Neste vídeo, refazímos a história da pesquisa de neuronatomia e introduzimos as principais perguntas que os neuroanatomistas fazem. Também exploramos estratégias de pesquisa nos níveis microscópico e macroscópico, e discutimos suas aplicações.

Obrigado por assistir!

Transcript

Through the study of neuroanatomy, scientists attempt to draw a map to navigate the complex system that controls our behavior. On the microscopic level, neuroanatomists investigate the relationships between signaling cells, known as neurons; maintenance cells, known as glia; and the extracellular matrix structure that support them. From a broader view, at the organ level, neuroanatomy examines brain structures and nerve pathways.

This video will provide an overview of neuroanatomical research by introducing the history of the field, key questions asked by neuroanatomists, and the tools available to answer those questions, followed by a review of some specific experiments investigating neuroanatomy.

Let’s begin by reviewing the history of this branch of neuroscience. The roots of neuroanatomical research can be traced back to the 4th century BC, when Hippocrates hypothesized that mental activity resides in the brain, rather than the heart.

But it was not until the end of the 15th century, when Pope Sixtus IV destigmatized human dissection, that the study of neuroanatomy was revitalized, as reflected by the publication in 1543 of Andreas Vesalius’s “On the Workings of the Human Body,” which included a detailed account of brain anatomy.

Expanding on this work, in 1664, Thomas Willis published the “Anatomy of the Brain”, in which he introduced several novel neurological structures and speculated on their function. This work is now considered to be the foundation of modern neuroanatomy.

At the end of the 16th century, the invention of the microscope spurred a second revolution in neuroanatomical research. Following on this technological breakthrough, in 1873, Camillo Golgi invented a staining technique to visualize single neurons under the microscope.

Thanks to these innovations, in 1888, Santiago Ramón y Cajal formulated the Neuron Doctrine: the idea that the anatomical and functional unit of the brain is the neuron.

Back at the macroscopic level, in 1909, Korbinian Brodmann published a series of brain maps, where he divided the cerebral cortex into 52 distinct areas, termed “Brodmann’s areas.” These maps were based on his observation that various cortical areas have different cytoarchitecture.

Later, in 1957, Wilder Penfield and Theodore Rasmussen generated the cortical homunculus: A more detailed map of a select Brodmann areas showing the regions controlling specific motor and sensory functions.

Building upon these impressive historical studies of nervous system structure at the microscopic and macroscopic levels, today’s neuroanatomists ask questions concerning how structure relates to function. To begin, some researchers focus specifically on cytoarchitecture, or the arrangement of neurons and glia. For example, to investigate specific nuclei, or neuron clusters in the brain, it is helpful to characterize the neuronal subtypes found there and the connections those cells make with other brain regions.

Given that cytoarchitecture is dynamic, another key question in this field focuses on how and why neuroanatomical changes take place.

For example, learning and memory are associated with “neuroplasticity,” or changes in neural pathways, like alterations in the structural contact points between neurons. Small protrusions, called dendritic spines, can dynamically change in size, shape, and number in an activity-dependent manner.

Understanding the structure of the nervous system is also pivotal to explaining its dysfunction.

For instance, debilitating neurodegenerative diseases are associated with characteristic neuroanatomical changes, such as the degeneration of dopaminergic neurons observed in Parkinson’s disease.

Having discussed the key questions that neuroanatomists ask, let’s review the tools these scientists use to find answers.

First, histology, or the analysis of stained tissue slices, is an essential technique for studying cytoarchitecture.

Neuroanatomists have a number of stains at their disposal to visualize specific structures in the nervous system.

Histochemistry is a branch of histology based on the localization and identification of chemical components. One particularly valuable application of histochemistry is the detection of tracers: Molecules that are introduced into neurons to visualize their connections within the nervous system.

As we mentioned previously, the advent of the microscope revolutionized the way that neuroanatomy was studied. The light microscope enables histologically-stained neuronal tissue to be imaged at up to a thousand times its original size, thereby revealing cytoarchitecture. The fluorescence light microscope allows for immunolabeled proteins to be imaged in tissue sections, or in culture, and permits colocalization studies, which involve determining whether or not two proteins are in close proximity within a single neuron.

Confocal imaging is an improved method of fluorescence microscopy that permits the optical sectioning of neuronal tissue and can therefore be used to generate 3D reconstructions of neurons so their morphology, or shape, can be studied.

2-photon imaging is another type of fluorescence imaging, which can penetrate deeply into tissue and is often used for live imaging of the brain in behaving animals.

However, no photon can penetrate quite like an electron, so electron microscopy has been invaluable for providing subnanometer resolution of neuronal structures. In particular, the synapse has been visualized in exquisite detail using transmission electron microscopy. Furthermore, by compiling the images obtained from serial sections visualized with electron microscopy, 3D reconstructions of neuronal “volumes” can be generated via a process known as tomography.

To monitor changes in neuroanatomical structures over time, neuroimaging is an extremely useful tool. Magnetic resonance imaging, or MRI, is extensively used to investigate the brain in humans. This technique provides a picture of the brain as a whole, down to a 1 mm resolution. MRI can be used to investigate white matter through tractography. With this technique, neuroanatomists visualize bundles of axons, revealing connections between, and within, brain areas.

In order to assess the correlates between neuroanatomy and disease states, scientists frequently make use of surgical techniques applied to animal models. Stereotactic surgery uses a 3-dimensional coordinate system and detailed anatomical atlases to allow researchers to physically manipulate isolated anatomical areas. With a stereotactic apparatus and the appropriate anatomical information, it is possible to deliver electrical stimulation, introduce drugs or other substances, or create lesions in targeted regions of the brain.

Next, let’s review some applications of these methods. Detailed information about brain structure can be obtained through analysis of preserved brains that are thinly sliced into sections. To highlight distinct structural features, these sections of primate brain were stained to show the expression of three proteins throughout the entire brain. Stained sections can also be studied at high magnification, allowing researchers to visualize structure at the cellular level.

Experience can modify neuronal structure at the cellular level. In this experiment, young rats are exposed to tactile stimuli throughout development. When they reach adulthood, brain samples are collected and stained to visualize cell morphology. The resulting images reveal changes in the shape and number of dendrites, suggesting altered neuronal connectivity.

Neuroanatomy is pivotal in clinical settings, as it contributes to diagnosis and treatment of neurological and psychiatric diseases. For instance, changes in cytoarchitecture are tightly linked to certain disease states. Structural neuroimaging techniques are frequently combined with functional imaging to compare the activity of specific brain regions in normal and disease states. For instance, patients suffering from concussion exhibit changes in neural activity patterns, which correlate with their recovery from the injury.

You’ve just watched JoVE’s introduction to neuroanatomy. In this video, we retraced the history of neuroanatomy research, and introduced the key questions neuroanatomists ask. We have also explored research strategies at the microscopic and macroscopic levels, and discussed their applications.

Thanks for watching!

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