1.4: Введение в нейроанатомию

Изучая нейроанатомию, ученые пытаются нарисовать карту для навигации по сложной системе, которая контролирует наше поведение. На микроскопическом уровне нейроанатомы исследуют отношения между сигнальными клетками, известными как нейроны; поддерживающие клетки, известные как глии; и структура внеклеточного матрикса, которая их поддерживает. С более широкой точки зрения, на уровне органов, нейроанатомия изучает структуры мозга и нервные пути.

В этом видео будет представлен обзор нейроанатомических исследований, знакомящий с историей этой области, ключевыми вопросами, задаваемыми нейроанатомами, и доступными инструментами для ответа на эти вопросы, а затем будет сделан обзор некоторых конкретных экспериментов, изучающих нейроанатомию.

Давайте начнем с обзора истории этой ветви нейронауки. Корни нейроанатомических исследований можно проследить до 4 века до нашей эры, когда Гиппократ выдвинул гипотезу о том, что умственная деятельность находится в мозге, а не в сердце.

Но только в конце XV века, когда Папа Сикст IV отменил стигматизацию вскрытия человека, изучение нейроанатомии получило новое развитие, о чем свидетельствует публикация в 1543 году работы Андреаса Везалия «О функционировании человеческого тела», которая включала подробный отчет об анатомии мозга.

Развивая эту работу, в 1664 году Томас Уиллис опубликовал книгу ? Анатомия мозга?», в которой он представил несколько новых неврологических структур и размышлял об их функциях. Эта работа в настоящее время считается основой современной нейроанатомии.

В конце 16-го века изобретение микроскопа подстегнуло вторую революцию в нейроанатомических исследованиях. Вслед за этим технологическим прорывом, в 1873 году Камилло Гольджи изобрел технику окрашивания для визуализации отдельных нейронов под микроскопом.

Благодаря этим нововведениям в 1888 году Сантьяго Рам-и-Кахаль сформулировал доктрину нейронов: идею о том, что анатомической и функциональной единицей мозга является нейрон.

Возвращаясь к макроскопическому уровню, в 1909 году, Корбиниан Бродман опубликовал серию карт мозга, в которых он разделил кору головного мозга на 52 отдельные области, названные ? Районы Бродмана.? Эти карты были основаны на его наблюдении о том, что различные области коры головного мозга имеют различную цитоархитектуру.

Позже, в 1957 году, Уайлдер Пенфилд и Теодор Расмуссен создали кортикальный гомункулус: более подробную карту выбранных областей Бродмана, показывающую области, контролирующие определенные моторные и сенсорные функции.

Основываясь на этих впечатляющих исторических исследованиях структуры нервной системы на микроскопическом и макроскопическом уровнях, современные нейроанатомы задаются вопросами о том, как структура связана с функцией. Начнем с того, что некоторые исследователи сосредотачиваются именно на цитоархитектуре, или расположении нейронов и глии. Например, чтобы исследовать конкретные ядра или кластеры нейронов в мозге, полезно охарактеризовать обнаруженные там подтипы нейронов и связи, которые эти клетки создают с другими областями мозга.

Учитывая, что цитоархитектоника является динамической, еще один ключевой вопрос в этой области заключается в том, как и почему происходят нейроанатомические изменения.

Например, обучение и память связаны с «нейропластичностью» или изменениями в нейронных путях, такими как изменения в структурных контактных точках между нейронами. Небольшие выступы, называемые дендритными шипами, могут динамически изменяться по размеру, форме и количеству в зависимости от активности.

Понимание структуры нервной системы также имеет решающее значение для объяснения ее дисфункции.

Например, изнурительные нейродегенеративные заболевания связаны с характерными нейроанатомическими изменениями, такими как дегенерация дофаминергических нейронов, наблюдаемая при болезни Паркинсона.

Обсудив ключевые вопросы, которые задают нейроанатомы, давайте рассмотрим инструменты, которые эти ученые используют для поиска ответов.

Во-первых, гистология, или анализ окрашенных срезов тканей, является важным методом изучения цитоархитектуры.

Нейроанатомы имеют в своем распоряжении ряд красителей для визуализации конкретных структур нервной системы.

Гистохимия – это раздел гистологии, основанный на локализации и идентификации химических компонентов. Одним из особенно ценных применений гистохимии является обнаружение индикаторов: молекул, которые вводятся в нейроны для визуализации их связей в нервной системе.

Как мы уже упоминали ранее, появление микроскопа произвело революцию в изучении нейроанатомии. Световой микроскоп позволяет визуализировать гистологически окрашенную нейронную ткань в тысячу раз больше ее первоначального размера, тем самым выявляя цитоархитектуру. Флуоресцентный световой микроскоп позволяет визуализировать иммуномеченные белки в срезах тканей или в культуре, а также позволяет проводить исследования кололокализации, которые включают определение того, находятся ли два белка в непосредственной близости в пределах одного нейрона.

Конфокальная визуализация является усовершенствованным методом флуоресцентной микроскопии, который позволяет проводить оптические срезы нейронной ткани и, следовательно, может быть использован для создания 3D-реконструкций нейронов с целью изучения их морфологии или формы.

2-фотонная визуализация является еще одним типом флуоресцентной визуализации, которая может глубоко проникать в ткани и часто используется для визуализации мозга в реальном времени у животных.

Тем не менее, ни один фотон не может проникать так же хорошо, как электрон, поэтому электронная микроскопия оказалась неоценимой для обеспечения субнанометрового разрешения нейронных структур. В частности, синапс был визуализирован в мельчайших деталях с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Кроме того, путем компиляции изображений, полученных из серийных срезов, визуализированных с помощью электронной микроскопии, были созданы 3D-реконструкции нейронных «объемов». может быть сгенерирован с помощью процесса, известного как томография.

Для мониторинга изменений в нейроанатомических структурах с течением времени нейровизуализация является чрезвычайно полезным инструментом. Магнитно-резонансная томография, или МРТ, широко используется для исследования мозга человека. Этот метод позволяет получить картину мозга в целом с разрешением до 1 мм. МРТ может быть использована для исследования белого вещества с помощью трактографии. С помощью этой техники нейроанатомы визуализируют пучки аксонов, выявляя связи между областями мозга и внутри них.

Чтобы оценить корреляцию между нейроанатомией и болезненными состояниями, ученые часто используют хирургические методы, применяемые к животным моделям. Стереотаксическая хирургия использует трехмерную систему координат и подробные анатомические атласы, что позволяет исследователям физически манипулировать изолированными анатомическими областями. С помощью стереотаксического аппарата и соответствующей анатомической информации можно проводить электрическую стимуляцию, вводить лекарства или другие вещества или создавать поражения в целевых областях мозга.

Далее давайте рассмотрим некоторые варианты применения этих методов. Подробная информация о структуре мозга может быть получена путем анализа сохранившихся мозгов, которые тонко нарезаны на срезы. Чтобы подчеркнуть отличительные структурные особенности, эти участки мозга приматов были окрашены, чтобы показать экспрессию трех белков по всему мозгу. Окрашенные срезы также могут быть изучены при большом увеличении, что позволяет исследователям визуализировать структуру на клеточном уровне.

Опыт может изменить структуру нейронов на клеточном уровне. В этом эксперименте молодые крысы подвергаются воздействию тактильных стимулов на протяжении всего развития. Когда они достигают взрослого возраста, образцы мозга собираются и окрашиваются для визуализации морфологии клеток. Полученные изображения показывают изменения в форме и количестве дендритов, предполагая изменение нейронных связей.

Нейроанатомия имеет решающее значение в клинических условиях, поскольку она способствует диагностике и лечению неврологических и психиатрических заболеваний. Например, изменения в цитоархитектонии тесно связаны с определенными болезненными состояниями. Методы структурной нейровизуализации часто комбинируются с функциональной визуализацией для сравнения активности конкретных областей мозга в норме и при болезни. Например, у пациентов, страдающих от сотрясения мозга, наблюдаются изменения в паттернах нейронной активности, которые коррелируют с их восстановлением после травмы.

Вы только что посмотрели введение в нейроанатомию от JoVE. В этом видео мы проследили историю исследований в области нейроанатомии и представили ключевые вопросы, которые задают нейроанатомы. Мы также рассмотрели исследовательские стратегии на микроскопическом и макроскопическом уровнях и обсудили их применение.

Спасибо за просмотр!