Uma Introdução à Neurobiologia do Desenvolvimento

A neurobiologia do desenvolvimento explora como algumas células embrionárias primitivas podem se transformar em um sistema nervoso intrincadamente organizado que controla um organismo inteiro.

Cientistas neste campo estão interessados em como as células assumem identidades específicas, migram para regiões definidas e se conectam para formar um sistema funcional. Esses processos são importantes para entender como funciona o sistema nervoso, bem como o diagnóstico e tratamento de uma ampla gama de doenças neurológicas enraizadas no desenvolvimento anormal.

Este vídeo irá levá-lo em um breve passeio pela história da neurobiologia do desenvolvimento, delinear questões-chave no campo e explorar métodos proeminentes usados para responder a essas perguntas. Finalmente, vamos dar uma olhada em algumas aplicações práticas de pesquisa neurodesenvolvimentar.

Vamos começar com alguns estudos marcantes da história da neurobiologia do desenvolvimento.

As primeiras pesquisas neurodesenvolvimentais datam do século XIX. Na década de 1880, Wilhelm His estabeleceu o estudo da histogênese, ou as origens embrionárias do tecido. Ele foi uma das primeiras pessoas a ver neurônios em desenvolvimento estender processos como axônios e dendritos.

Em 1924, os embriologistas Hans Spemann e Hilde Mangold estudaram a função de um aglomerado de células conhecida como organizadora de Spemann. Eles descobriram que o transplante do organizador para outro embrião induziu a formação de tecido neural secundário.

Então, na década de 1950, Rita Levi-Montalcini e Stanley Cohen observaram que o transplante de pedaços de tumores no desenvolvimento de embriões de frango levou ao rápido crescimento dos neurônios. Eles especularam que o tumor secretou uma substância que causou esse crescimento, e logo identificaram essa proteína como fator de crescimento nervoso, ou NGF, que é essencial para a sobrevivência dos neurônios.

Em outro estudo de transplante, Nicole Le Douarin substituiu partes de embriões de filhotes por as de codornas. Ao rastrear as células de codorna através do desenvolvimento, ela mostrou que um grupo altamente migratório de células, conhecidas como crista neural, dá origem a nervos periféricos maduros.

Alguns anos depois, Pasko Rakic estudou como as células do sistema nervoso central se organizam em estruturas altamente ordenadas durante o desenvolvimento. Rakic rotulou células divisórias no desenvolvimento de fetos com nucleotídeos radioativos, permitindo-lhe determinar quando as células cerebrais nasceram e onde seu destino final estava no cérebro maduro.

Durante as últimas décadas do século XX, surgiu uma nova era de pesquisas que se concentraram nos sinais celulares e moleculares que orientavam o desenvolvimento do sistema nervoso.

Por exemplo, em meados dos anos 90, Tom Jessell mostrou que certos fatores de transcrição, ou proteínas que ajudam a controlar a expressão genética, influenciaram o desenvolvimento de subtipos únicos de neurônios na medula espinhal do camundongo em desenvolvimento. Seguindo este trabalho, os pesquisadores de hoje ainda estão identificando novos genes que controlam o desenvolvimento neural.

Agora que você viu alguns destaques históricos, vamos passar por cima de algumas questões-chave na neurobiologia do desenvolvimento moderno.

Muitos pesquisadores estudam a padronização e a especificação do destino das células do sistema nervoso. Por exemplo, eles estão interessados na programação genética que orienta as células-tronco precoces a se diferenciarem em neurônios ou glia, que são as células de suporte do sistema nervoso. Eles também podem investigar sinais secretos que influenciam identidades mais especializadas dentro de uma classe de células ou em locais específicos.

Outro grande foco é como os neurônios e a glia são capazes de se organizar e se reunir no sistema nervoso maduro. Alguns pesquisadores estudam a dinâmica citoesquelélada das células que migram de sua origem para o local em que funcionam. Outros estão interessados em como os sinais do ambiente extracelular influenciam o comportamento migratório.

Neurocientistas de desenvolvimento também avaliam como as conexões entre as células são formadas e refinadas ao longo do desenvolvimento. Alguns estudos se concentram na função dos receptores de orientação do axônio, que são proteínas de superfície celular que detectam pistas externas e guiam o desenvolvimento de axônios, ou neurites, para suas células-alvo. Outro foco é o estudo das conexões físicas e químicas envolvidas na sinápgeno, que é a formação de novas conexões de sinalização, ou sinapses, entre as células.

Agora, vamos olhar para alguns métodos proeminentes usados para responder algumas dessas perguntas neurodesenvolvimentista.

Para estudar o controle genético da identidade celular e da padronização do sistema nervoso, é útil manipular a expressão de genes específicos no desenvolvimento de embriões. Um método popular está na eletroporação utepla, na qual o DNA exógeno é entregue no cérebro de roedores em desenvolvimento. Ao expor o útero de um DNA de camundongos anestêmido e gestante pode ser injetado nos cérebros embrionários e a corrente aplicada para forçar o DNA nas células circundantes. Dependendo do experimento, o material eletroporado pode ser usado para promover a expressão genética ou preveni-lo, permitindo que os pesquisadores examinem o impacto das proteínas individuais no desenvolvimento cerebral.

O tecido do sistema nervoso central explantado é comumente usado para estudar a migração celular durante o desenvolvimento. Esta técnica envolve dissecar pequenos pedaços do cérebro ou medula espinhal e esculcá-los in vitro. Uma grande vantagem para essa abordagem é que o tecido é altamente acessível para capturar movimentos celulares através de imagens de lapso de tempo. Além disso, os efeitos de moléculas específicas sobre a migração podem ser facilmente estudados em explants através da aplicação de fatores de crescimento ou inibidores farmacológicos para a mídia cultural.

Para estudar as moléculas essenciais para a formação de redes neuronais, a imunohistoquímica pode ser usada. Esta técnica aproveita a especificidade dos anticorpos para marcar a localização de proteínas específicas em células e tecidos. A visualização da localização de proteínas usando microscopia fluorescente pode ajudar os pesquisadores a fazer hipóteses sobre como essas moléculas influenciam a formação e função de estruturas como a sinapse.

Agora que você está familiarizado com algumas abordagens para estudar neurociência de desenvolvimento, vamos olhar para aplicações desta pesquisa em laboratórios hoje.

Um dos principais objetivos do estudo do neurodesenvolvimento é descobrir como a identidade celular e a morfologia são determinadas. Para estudar o controle genético do desenvolvimento de neurônios, esses pesquisadores entregaram construções de knockdown genético no sistema nervoso de filhotes em desenvolvimento através da eletroporação. Os neurônios eletroporados dentro do tubo neural também foram rotulados por injeção de corante, de modo que a morfologia do axônio poderia ser comparada entre o controle e células geneticamente alteradas.

Para estudar como os neurônios estabelecem conexões, esses pesquisadores cultivaram neurônios extraídos de filhotes de ratos jovens. Após vários dias na cultura, as células foram fixadas e manchadas com anticorpos específicos de proteínas sinápticas, permitindo quantificação da formação de sinapse em múltiplas condições experimentais, como superexpressão genética, ou cultura em meio de crescimento modificado.

Usando seu conhecimento do programa que impulsiona o desenvolvimento neural, os pesquisadores de hoje podem agora forçar células embrionárias precoces, como células-tronco, para baixo caminhos específicos de diferenciação in vitro. Esses pesquisadores trataram células-tronco humanas com o derivado de vitamina A, ácido retinóico, que resultou em redução da expressão de fatores de transcrição que mantêm a identidade das células-tronco e a expressão aprimorada dos marcadores neuronais. Essa técnica fornece aos pesquisadores uma valiosa fonte de neurônios humanos para investigar os mecanismos por trás da doença neurológica.

Você acabou de assistir a introdução de JoVE à neurociência do desenvolvimento. Este vídeo analisou destaques históricos, perguntas-chave feitas por neurocientistas do desenvolvimento e algumas das técnicas que eles usam.

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