1.15: Uma Introdução à Neurobiologia do Desenvolvimento

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

Os 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 a compreensão do funcionamento do sistema nervoso, bem como para o diagnóstico e tratamento de uma ampla gama de doenças neurológicas enraizadas no desenvolvimento anormal.

Este vídeo levará você a um breve tour pela história da neurobiologia do desenvolvimento, delineará questões-chave no campo e explorará métodos proeminentes usados para responder a essas perguntas. Finalmente, vamos dar uma olhada em algumas aplicações práticas da pesquisa do neurodesenvolvimento.

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

As primeiras pesquisas sobre o neurodesenvolvimento datam do século 19. Na década de 1880, Wilhelm His estabeleceu o estudo da histogênese, ou as origens embrionárias do tecido. Ele foi uma das primeiras pessoas a observar o desenvolvimento de neurônios estender processos como axônios e dendritos.

Em 1924, os embriologistas Hans Spemann e Hilde Mangold estudaram a função de um aglomerado de células conhecido como organizador 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 em embriões de galinha em desenvolvimento levava a um rápido crescimento de neurônios. Eles especularam que o tumor secretava uma substância que causava 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 pintinhos por embriões de codornas. Ao rastrear as células de codorna durante o desenvolvimento, ela mostrou que um grupo de células altamente migratório, conhecido 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 em divisão em fetos em desenvolvimento 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 20, surgiu uma nova era de pesquisa que se concentrou nos sinais celulares e moleculares que orientam 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 gênica, influenciaram o desenvolvimento de subtipos únicos de neurônios na medula espinhal de camundongos em desenvolvimento. Após este trabalho, os pesquisadores de hoje ainda estão identificando novos genes que controlam o desenvolvimento neural.

Agora que você viu alguns destaques históricos, vamos examinar algumas questões-chave na neurobiologia do desenvolvimento moderna.

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

Outro foco importante é como os neurônios e a glia em desenvolvimento são capazes de se organizar e se reunir no sistema nervoso maduro. Alguns pesquisadores estudam a dinâmica do citoesqueleto 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.

Os neurocientistas do 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 da superfície celular que detectam pistas externas e guiam os axônios em desenvolvimento, ou neurites, para suas células-alvo. Outro foco é o estudo das conexões físicas e químicas envolvidas na sinaptogênese, que é a formação de novas conexões de sinalização, ou sinapses, entre as células.

Agora, vejamos alguns métodos proeminentes usados para responder a algumas dessas questões de neurodesenvolvimento.

Para estudar o controle genético da identidade celular e do padrão do sistema nervoso, é útil manipular a expressão de genes específicos em embriões em desenvolvimento. Um método popular é a eletroporação no útero, na qual o DNA exógeno é entregue ao cérebro de roedores em desenvolvimento. Ao expor o útero de um camundongo anestesiado, o DNA de uma fêmea grávida pode ser injetado no cérebro embrionário e a corrente aplicada para forçar o DNA nas células circundantes. Dependendo do experimento, o material eletroporado pode ser usado para promover a expressão gênica ou preveni-la, permitindo que os pesquisadores examinem o impacto de proteínas individuais no desenvolvimento do cérebro.

O tecido do sistema nervoso central explantado é comumente usado para estudar a migração celular durante o desenvolvimento. Essa técnica envolve dissecar pequenos pedaços de cérebro ou medula espinhal e cultivá-los in vitro. Uma grande vantagem dessa abordagem é que o tecido é altamente acessível para capturar movimentos celulares por meio de imagens de lapso de tempo. Além disso, os efeitos de moléculas específicas na migração podem ser facilmente estudados em explantes por meio da aplicação de fatores de crescimento ou inibidores farmacológicos aos meios de cultura.

Para estudar as moléculas essenciais para a formação de redes neuronais, a imuno-histoquímica pode ser usada. Essa técnica aproveita a especificidade dos anticorpos para marcar a localização de proteínas específicas nas 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 a função de estruturas como a sinapse.

Agora que você está familiarizado com algumas abordagens para estudar a neurociência do desenvolvimento, vamos dar uma olhada nas aplicações dessa pesquisa em laboratórios hoje.

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

Para estudar como os neurônios estabelecem conexões, esses pesquisadores cultivaram neurônios extraídos de filhotes de ratos jovens. Após vários dias em cultura, as células foram fixadas e coradas com anticorpos específicos para proteínas sinápticas, permitindo a quantificação da formação de sinapses sob várias condições experimentais, como superexpressão gênica ou cultura em meio de crescimento modificado.

Usando seu conhecimento do programa que impulsiona o desenvolvimento neural, os pesquisadores de hoje podem agora forçar as células embrionárias iniciais, como as células-tronco, a percorrer vias específicas de diferenciação in vitro. Esses pesquisadores trataram células-tronco humanas com o derivado da vitamina A, ácido retinóico, o que resultou na redução da expressão de fatores de transcrição que mantêm a identidade das células-tronco e aumentaram a expressão de marcadores neuronais. Essa técnica fornece aos pesquisadores uma fonte valiosa 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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