Введение в нейроанатомию
Нейроанатомия — это изучение структур нервной системы и их связи с функциями организма. Одним из направлений работы нейроанатомов является исследовани…
Изучая нейроанатомию, ученые стремятся составить карту для навигации по сложной системе, управляющей нашим поведением. На микроскопическом уровне нейроанатомы исследуют взаимосвязи между сигнальными клетками, называемыми нейронами; вспомогательными клетками, называемыми глией; и структурой внеклеточного матрикса, который их поддерживает. В более широком масштабе, на уровне органов, нейроанатомия изучает структуры мозга и нервные пути.
В этом видео будет представлен обзор нейроанатомических исследований: мы познакомимся с историей данной области, ключевыми вопросами, которые ставят нейроанатомы, и инструментами, доступными для поиска ответов на эти вопросы, после чего следует разбор некоторых конкретных экспериментов по исследованию нейроанатомии.
Начнем с обзора истории данной области нейронауки. Корни нейроанатомических исследований уходят в IV век до н.э., когда Гиппократ выдвинул гипотезу о том, что психическая деятельность сосредоточена в головном мозге, а не в сердце.
Однако изучение нейроанатомии возродилось лишь в конце XV века, когда папа Сикст IV снял запрет на вскрытие человеческих тел, что отразилось в публикации в 1543 году труда Андреаса Везалия "О строении человеческого тела," который включал детальное описание анатомии мозга.
Развивая эту работу, в 1664 году Томас Уиллис опубликовал «Анатомию мозга», в которой представил несколько новых неврологических структур и высказал предположения об их функциях. Этот труд сегодня считается фундаментом современной нейроанатомии.
В конце XVI века изобретение микроскопа спровоцировало вторую революцию в нейроанатомических исследованиях. Вслед за этим технологическим прорывом в 1873 году Камилло Гольджи разработал метод окрашивания для визуализации отдельных нейронов под микроскопом.
Благодаря этим инновациям в 1888 году Сантьяго Рамон и Кахаль сформулировал нейронную доктрину: идею о том, что анатомической и функциональной единицей мозга является нейрон.
Возвращаясь к макроскопическому уровню, в 1909 году Корбиниан Бродманн опубликовал серию карт мозга, на которых разделил кору больших полушарий на 52 отдельные области, названные «полями Бродмана». Эти карты были основаны на его наблюдении, что различные области коры имеют разную цитоархитектонику.
Позже, в 1957 году, Уайлдер Пенфилд и Теодор Расмуссен создали кортикальный гомункулус — более детальную карту отдельных полей Бродмана, демонстрирующую области, контролирующие конкретные моторные и сенсорные функции.
Опираясь на эти впечатляющие исторические исследования структуры нервной системы на микро- и макроскопическом уровнях, современные нейроанатомы задаются вопросами о том, как структура связана с функцией. Для начала некоторые исследователи сосредотачивают внимание именно на цитоархитектонике, то есть на расположении нейронов и глии. Например, чтобы изучить конкретные ядра, или скопления нейронов в мозге, полезно охарактеризовать обнаруженные там нейронные подтипы и связи, которые эти клетки образуют с другими областями мозга.
Поскольку цитоархитектоника динамична, другой ключевой вопрос в этой области касается того, как и почему происходят нейроанатомические изменения.
Например, обучение и память связаны с «нейропластичностью», или изменениями в нейронных путях, такими как изменения в структурных точках контакта между нейронами. Небольшие выступы, называемые дендритными шипиками, могут динамически изменять свой размер, форму и количество в зависимости от активности.
Понимание структуры нервной системы также имеет решающее значение для объяснения ее дисфункции.
Например, изнурительные нейродегенеративные заболевания сопровождаются характерными нейроанатомическими изменениями, такими как дегенерация дофаминергических нейронов, наблюдаемая при болезни Паркинсона.
Обсудив основные вопросы, которые ставят нейроанатомы, давайте рассмотрим инструменты, которые эти ученые используют для поиска ответов.
Во-первых, гистология, или анализ окрашенных срезов тканей, является основным методом изучения цитоархитектоники.
В распоряжении нейроанатомов имеется множество красителей для визуализации специфических структур нервной системы.
Гистохимия — это раздел гистологии, основанный на локализации и идентификации химических компонентов. Одним из особенно ценных применений гистохимии является обнаружение трейсеров — молекул, которые вводятся в нейроны для визуализации их связей в нервной системе.
Как мы упоминали ранее, появление микроскопа произвело революцию в изучении нейроанатомии. Световой микроскоп позволяет получать изображения гистологически окрашенной нейрональной ткани с увеличением до тысячи раз, выявляя тем самым цитоархитектонику. Флуоресцентный микроскоп позволяет визуализировать иммуномаркированные белки в срезах тканей или в культуре, а также проводить исследования колокализации, которые заключаются в определении того, находятся ли два белка в непосредственной близости друг от друга внутри одного нейрона.
Конфокальная микроскопия представляет собой усовершенствованный метод флуоресцентной микроскопии, который позволяет выполнять оптическое секционирование нейрональной ткани и, следовательно, может быть использован для создания 3D-реконструкций нейронов с целью изучения их морфологии, или формы.
Двухфотонная визуализация — это еще один тип флуоресцентной визуализации, который позволяет глубоко проникать в ткань и часто используется для прижизненной визуализации мозга у животных в процессе их деятельности.
Однако ни один фотон не обладает такой проникающей способностью, как электрон, поэтому электронная микроскопия оказалась неоценимой для обеспечения субнанометрового разрешения нейрональных структур. В частности, с помощью просвечивающей электронной микроскопии синапс был визуализирован с исключительной детализацией. Кроме того, путем объединения изображений, полученных из серийных срезов с помощью электронной микроскопии, с помощью процесса, известного как томография, могут быть созданы 3D-реконструкции нейрональных «объемов».
Для мониторинга изменений в нейроанатомических структурах с течением времени крайне полезным инструментом является нейровизуализация. Магнитно-резонансная томография, или МРТ, широко используется для исследования мозга человека. Этот метод дает общую картину мозга с разрешением до 1 mm. МРТ может быть использована для исследования белого вещества с помощью трактографии. С помощью этого метода нейроанатомы визуализируют пучки аксонов, выявляя связи между областями мозга и внутри них.
Для оценки корреляций между нейроанатомией и патологическими состояниями ученые часто используют хирургические методы, применяемые на животных моделях. Стереотаксическая хирургия использует трехмерную систему координат и подробные анатомические атласы, что позволяет исследователям физически воздействовать на изолированные анатомические области. С помощью стереотаксического аппарата и соответствующей анатомической информации можно осуществлять электрическую стимуляцию, вводить лекарства или другие вещества, а также создавать повреждения в целевых областях мозга.
Далее рассмотрим некоторые области применения этих методов. Детальную информацию о структуре мозга можно получить путем анализа фиксированных образцов мозга, разрезанных на тонкие срезы. Для выделения характерных структурных особенностей данные срезы мозга приматов были окрашены для демонстрации экспрессии трех белков во всем мозге. Окрашенные срезы также можно изучать при большом увеличении, что позволяет исследователям визуализировать структуру на клеточном уровне.
Опыт может изменять структуру нейронов на клеточном уровне. В данном эксперименте молодые крысы подвергаются воздействию тактильных стимулов на протяжении всего периода развития. По достижении ими взрослого состояния собираются образцы мозга и окрашиваются для визуализации морфологии клеток. Полученные изображения выявляют изменения формы и количества дендритов, что указывает на изменение нейронных связей.
Нейроанатомия играет ключевую роль в клинической практике, так как она способствует диагностике и лечению неврологических и психических заболеваний. Например, изменения цитоархитектоники тесно связаны с определенными патологическими состояниями. Методы структурной нейровизуализации часто сочетают с функциональной визуализацией для сравнения активности конкретных областей мозга в норме и при патологии. Так, у пациентов с сотрясением мозга наблюдаются изменения паттернов нейронной активности, которые коррелируют с процессом их восстановления после травмы.
Вы только что посмотрели вводное видео JoVE по нейроанатомии. В этом ролике мы проследили историю исследований в области нейроанатомии и представили ключевые вопросы, которые ставят перед собой нейроанатомы. Мы также изучили стратегии исследований на микроскопическом и макроскопическом уровнях и обсудили их применение.
Спасибо за просмотр!
Изучая нейроанатомию, ученые стремятся составить карту для навигации по сложной системе, управляющей нашим поведением. На микроскопическом уровне нейроанатомы исследуют взаимосвязи между сигнальными клетками, называемыми нейронами; вспомогательными клетками, называемыми глией; и структурой внеклеточного матрикса, который их поддерживает. В более широком масштабе, на уровне органов, нейроанатомия изучает структуры мозга и нервные пути.
В этом видео будет представлен обзор нейроанатомических исследований: мы познакомимся с историей данной области, ключевыми вопросами, которые ставят нейроанатомы, и инструментами, доступными для поиска ответов на эти вопросы, после чего следует разбор некоторых конкретных экспериментов по исследованию нейроанатомии.
Начнем с обзора истории данной области нейронауки. Корни нейроанатомических исследований уходят в IV век до н.э., когда Гиппократ выдвинул гипотезу о том, что психическая деятельность сосредоточена в головном мозге, а не в сердце.
Однако изучение нейроанатомии возродилось лишь в конце XV века, когда папа Сикст IV снял запрет на вскрытие человеческих тел, что отразилось в публикации в 1543 году труда Андреаса Везалия "О строении человеческого тела," который включал детальное описание анатомии мозга.
Развивая эту работу, в 1664 году Томас Уиллис опубликовал «Анатомию мозга», в которой представил несколько новых неврологических структур и высказал предположения об их функциях. Этот труд сегодня считается фундаментом современной нейроанатомии.
В конце XVI века изобретение микроскопа спровоцировало вторую революцию в нейроанатомических исследованиях. Вслед за этим технологическим прорывом в 1873 году Камилло Гольджи разработал метод окрашивания для визуализации отдельных нейронов под микроскопом.
Благодаря этим инновациям в 1888 году Сантьяго Рамон и Кахаль сформулировал нейронную доктрину: идею о том, что анатомической и функциональной единицей мозга является нейрон.
Возвращаясь к макроскопическому уровню, в 1909 году Корбиниан Бродманн опубликовал серию карт мозга, на которых разделил кору больших полушарий на 52 отдельные области, названные «полями Бродмана». Эти карты были основаны на его наблюдении, что различные области коры имеют разную цитоархитектонику.
Позже, в 1957 году, Уайлдер Пенфилд и Теодор Расмуссен создали кортикальный гомункулус — более детальную карту отдельных полей Бродмана, демонстрирующую области, контролирующие конкретные моторные и сенсорные функции.
Опираясь на эти впечатляющие исторические исследования структуры нервной системы на микро- и макроскопическом уровнях, современные нейроанатомы задаются вопросами о том, как структура связана с функцией. Для начала некоторые исследователи сосредотачивают внимание именно на цитоархитектонике, то есть на расположении нейронов и глии. Например, чтобы изучить конкретные ядра, или скопления нейронов в мозге, полезно охарактеризовать обнаруженные там нейронные подтипы и связи, которые эти клетки образуют с другими областями мозга.
Поскольку цитоархитектоника динамична, другой ключевой вопрос в этой области касается того, как и почему происходят нейроанатомические изменения.
Например, обучение и память связаны с «нейропластичностью», или изменениями в нейронных путях, такими как изменения в структурных точках контакта между нейронами. Небольшие выступы, называемые дендритными шипиками, могут динамически изменять свой размер, форму и количество в зависимости от активности.
Понимание структуры нервной системы также имеет решающее значение для объяснения ее дисфункции.
Например, изнурительные нейродегенеративные заболевания сопровождаются характерными нейроанатомическими изменениями, такими как дегенерация дофаминергических нейронов, наблюдаемая при болезни Паркинсона.
Обсудив основные вопросы, которые ставят нейроанатомы, давайте рассмотрим инструменты, которые эти ученые используют для поиска ответов.
Во-первых, гистология, или анализ окрашенных срезов тканей, является основным методом изучения цитоархитектоники.
В распоряжении нейроанатомов имеется множество красителей для визуализации специфических структур нервной системы.
Гистохимия — это раздел гистологии, основанный на локализации и идентификации химических компонентов. Одним из особенно ценных применений гистохимии является обнаружение трейсеров — молекул, которые вводятся в нейроны для визуализации их связей в нервной системе.
Как мы упоминали ранее, появление микроскопа произвело революцию в изучении нейроанатомии. Световой микроскоп позволяет получать изображения гистологически окрашенной нейрональной ткани с увеличением до тысячи раз, выявляя тем самым цитоархитектонику. Флуоресцентный микроскоп позволяет визуализировать иммуномаркированные белки в срезах тканей или в культуре, а также проводить исследования колокализации, которые заключаются в определении того, находятся ли два белка в непосредственной близости друг от друга внутри одного нейрона.
Конфокальная микроскопия представляет собой усовершенствованный метод флуоресцентной микроскопии, который позволяет выполнять оптическое секционирование нейрональной ткани и, следовательно, может быть использован для создания 3D-реконструкций нейронов с целью изучения их морфологии, или формы.
Двухфотонная визуализация — это еще один тип флуоресцентной визуализации, который позволяет глубоко проникать в ткань и часто используется для прижизненной визуализации мозга у животных в процессе их деятельности.
Однако ни один фотон не обладает такой проникающей способностью, как электрон, поэтому электронная микроскопия оказалась неоценимой для обеспечения субнанометрового разрешения нейрональных структур. В частности, с помощью просвечивающей электронной микроскопии синапс был визуализирован с исключительной детализацией. Кроме того, путем объединения изображений, полученных из серийных срезов с помощью электронной микроскопии, с помощью процесса, известного как томография, могут быть созданы 3D-реконструкции нейрональных «объемов».
Для мониторинга изменений в нейроанатомических структурах с течением времени крайне полезным инструментом является нейровизуализация. Магнитно-резонансная томография, или МРТ, широко используется для исследования мозга человека. Этот метод дает общую картину мозга с разрешением до 1 mm. МРТ может быть использована для исследования белого вещества с помощью трактографии. С помощью этого метода нейроанатомы визуализируют пучки аксонов, выявляя связи между областями мозга и внутри них.
Для оценки корреляций между нейроанатомией и патологическими состояниями ученые часто используют хирургические методы, применяемые на животных моделях. Стереотаксическая хирургия использует трехмерную систему координат и подробные анатомические атласы, что позволяет исследователям физически воздействовать на изолированные анатомические области. С помощью стереотаксического аппарата и соответствующей анатомической информации можно осуществлять электрическую стимуляцию, вводить лекарства или другие вещества, а также создавать повреждения в целевых областях мозга.
Далее рассмотрим некоторые области применения этих методов. Детальную информацию о структуре мозга можно получить путем анализа фиксированных образцов мозга, разрезанных на тонкие срезы. Для выделения характерных структурных особенностей данные срезы мозга приматов были окрашены для демонстрации экспрессии трех белков во всем мозге. Окрашенные срезы также можно изучать при большом увеличении, что позволяет исследователям визуализировать структуру на клеточном уровне.
Опыт может изменять структуру нейронов на клеточном уровне. В данном эксперименте молодые крысы подвергаются воздействию тактильных стимулов на протяжении всего периода развития. По достижении ими взрослого состояния собираются образцы мозга и окрашиваются для визуализации морфологии клеток. Полученные изображения выявляют изменения формы и количества дендритов, что указывает на изменение нейронных связей.
Нейроанатомия играет ключевую роль в клинической практике, так как она способствует диагностике и лечению неврологических и психических заболеваний. Например, изменения цитоархитектоники тесно связаны с определенными патологическими состояниями. Методы структурной нейровизуализации часто сочетают с функциональной визуализацией для сравнения активности конкретных областей мозга в норме и при патологии. Так, у пациентов с сотрясением мозга наблюдаются изменения паттернов нейронной активности, которые коррелируют с процессом их восстановления после травмы.
Вы только что посмотрели вводное видео JoVE по нейроанатомии. В этом ролике мы проследили историю исследований в области нейроанатомии и представили ключевые вопросы, которые ставят перед собой нейроанатомы. Мы также изучили стратегии исследований на микроскопическом и макроскопическом уровнях и обсудили их применение.
Спасибо за просмотр!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is the main focus of neuroanatomy research?
Neuroanatomy maps the complex nervous system by studying relationships between neurons, glia, and supporting structures at microscopic levels, and brain structures and nerve pathways at macroscopic levels. Neuroanatomists investigate how nervous system structure relates to function, addressing questions about cytoarchitecture, neuroplasticity, and disease-associated changes.
Q2: How did the microscope revolutionize neuroanatomical research?
The microscope's invention in the 16th century enabled visualization of individual neurons. Camillo Golgi's staining technique in 1873 allowed single neurons to be observed, leading Santiago Ramón y Cajal to formulate the Neuron Doctrine—establishing that the neuron is the brain's anatomical and functional unit. This breakthrough transformed understanding of nervous system organization.
Q3: What is cytoarchitecture and why does it matter in neuroanatomy?
Cytoarchitecture refers to the arrangement of neurons and glia within brain regions. Neuroanatomists characterize neuronal subtypes and their connections to understand brain organization. Since cytoarchitecture is dynamic, researchers study how it changes through learning, experience, and disease, revealing links between structural organization and neural function.
Q4: What role does histology play in studying brain structure?
Histology, the analysis of stained tissue slices, is essential for visualizing cytoarchitecture. Neuroanatomists use histochemistry to detect tracers that mark neuronal connections. Light microscopes reveal tissue organization, while confocal imaging generates 3D neuronal reconstructions. These techniques enable researchers to examine brain structure at cellular and subcellular levels.
Q5: How do neuroimaging techniques help neuroanatomists study the brain?
Magnetic resonance imaging provides whole-brain pictures at 1 mm resolution in living humans. MRI tractography visualizes axon bundles, revealing connections between brain areas. Electron microscopy offers subnanometer resolution of synapses and enables 3D reconstructions through tomography. These tools allow researchers to monitor structural changes over time and correlate anatomy with disease states.
Q6: What is stereotactic surgery and how is it used in neuroanatomical research?
Stereotactic surgery uses a 3-dimensional coordinate system and anatomical atlases to precisely target isolated brain regions in animal models. Researchers can deliver electrical stimulation, introduce drugs, or create lesions in specific areas. This technique enables investigation of structure-function relationships and assessment of how neuroanatomical changes correlate with disease or behavior.
Q7: How does neuroplasticity demonstrate the dynamic nature of brain structure?
Neuroplasticity refers to changes in neural pathways and structural contact points between neurons in response to activity and experience. Dendritic spines—small neuronal protrusions—dynamically change in size, shape, and number depending on activity. Research shows that experience modifies neuronal structure at the cellular level, revealing how learning and development reshape brain anatomy.