Нейробиология развития изучает, как несколько ранних эмбриональных клеток могут трансформироваться в сложно организованную нервную систему, которая контролирует весь организм.
Ученых в этой области интересует, как клетки приобретают определенную идентичность, мигрируют в определенные области и соединяются, образуя функциональную систему. Эти процессы важны для понимания того, как функционирует нервная система, а также для диагностики и лечения широкого спектра неврологических заболеваний, вызванных аномальным развитием.
В этом видео вы совершите краткий экскурс в историю нейробиологии развития, изложите ключевые вопросы в этой области и изучите основные методы, используемые для ответа на эти вопросы. Наконец, мы рассмотрим некоторые практические применения исследований в области нейроразвития.
Давайте начнем с некоторых знаковых исследований из истории нейробиологии развития.
Ранние исследования в области развития нервной системы восходят к 19 веку. В 1880-х годах Вильгельм Гис положил начало изучению гистогенеза, или эмбрионального происхождения тканей. Он был одним из первых, кто наблюдал, как развивающиеся нейроны удлиняют такие процессы, как аксоны и дендриты.
В 1924 году эмбриологи Ганс Шпеман и Хильде Мангольд изучили функцию кластера клеток, известного как организатор Шпемана. Они обнаружили, что трансплантация организатора другому эмбриону индуцировала образование вторичной нервной ткани.
Затем, в 1950-х годах, Рита Леви-Монтальчини и Стэнли Коэн заметили, что пересадка частей опухолей развивающимся куриным эмбрионам приводит к быстрому росту нейронов. Они предположили, что опухоль выделяет вещество, которое вызывает этот рост, и вскоре определили этот белок как фактор роста нервов, или NGF, который необходим для выживания нейронов.
В другом исследовании трансплантации Николь Ле Дуарен заменила части эмбрионов цыплят на эмбрионы перепелов. Отслеживая развитие перепелиных клеток, она показала, что высокомигрирующая группа клеток, известная как нервный гребень, дает начало зрелым периферическим нервам.
Несколько лет спустя Пасько Ракич изучал, как клетки центральной нервной системы выстраиваются в высокоупорядоченные структуры в процессе развития. Ракич помечал делящиеся клетки развивающихся плодов радиоактивными нуклеотидами, что позволило ему определить, когда родились клетки мозга и где их конечное предназначение находилось в зрелом мозге.
В последние десятилетия 20-го века наступила новая эра исследований, сосредоточенных на клеточных и молекулярных сигналах, управляющих развитием нервной системы.
Например, в середине 90-х годов Том Джесселл показал, что определенные факторы транскрипции, или белки, которые помогают контролировать экспрессию генов, влияют на развитие уникальных подтипов нейронов в развивающемся спинном мозге мышей. Продолжая эту работу, современные исследователи все еще выявляют новые гены, которые контролируют развитие нейронов.
Теперь, когда вы ознакомились с некоторыми историческими событиями, давайте рассмотрим некоторые ключевые вопросы современной нейробиологии развития.
Многие исследователи изучают паттерны и спецификацию судьбы клеток нервной системы. Например, их интересует генетическое программирование, которое направляет ранние стволовые клетки на дифференцировку в нейроны или глию, которые являются поддерживающими клетками нервной системы. Они также могут исследовать секретируемые сигналы, которые влияют на более специализированные идентичности в пределах класса клеток или в определенных местах.
Еще один важный аспект заключается в том, как развивающиеся нейроны и глия способны самоорганизовываться и собираться в зрелую нервную систему. Некоторые исследователи изучают цитоскелетную динамику клеток, мигрирующих от их происхождения к месту, где они функционируют. Других интересует, как сигналы из внеклеточной среды влияют на миграционное поведение.
Нейробиологи также оценивают, как формируются и совершенствуются связи между клетками в ходе развития. Некоторые исследования сосредоточены на функции рецепторов аксонов, которые представляют собой белки клеточной поверхности, обнаруживающие внешние сигналы и направляющие развивающиеся аксоны, или нейриты, к их клеткам-мишеням. Еще одним направлением является изучение физических и химических связей, участвующих в синаптогенезе, который представляет собой образование новых сигнальных связей, или синапсов, между клетками.
Теперь давайте рассмотрим несколько основных методов, используемых для ответа на некоторые из этих вопросов нейроразвития.
Для изучения генетического контроля клеточной идентичности и структуры нервной системы полезно манипулировать экспрессией конкретных генов в развивающихся эмбрионах. Одним из популярных методов является внутриутробная электропорация, при которой экзогенная ДНК доставляется в мозг развивающихся грызунов. Подвергая матку обезболенной беременной мыши, ДНК может быть введена в эмбриональный мозг и под действием тока может быть введена в окружающие клетки. В зависимости от эксперимента, электропорированный материал может быть использован либо для стимулирования экспрессии генов, либо для ее предотвращения, что позволяет исследователям изучить влияние отдельных белков на развитие мозга.
Эксплантированная ткань центральной нервной системы обычно используется для изучения миграции клеток во время развития. Эта техника включает в себя рассечение небольших кусочков головного или спинного мозга и их культивирование in vitro. Основным преимуществом этого подхода является то, что ткань легко доступна для захвата движений клеток с помощью покадровой визуализации. Кроме того, влияние специфических молекул на миграцию может быть легко изучено в эксплантах путем применения факторов роста или фармакологических ингибиторов к питательным средам.
Для изучения молекул, которые имеют важное значение для формирования нейронных сетей, может быть использована иммуногистохимия. Этот метод использует специфичность антител для обозначения местоположения конкретных белков в клетках и тканях. Визуализация локализации белка с помощью флуоресцентной микроскопии может помочь исследователям выдвинуть гипотезы о том, как эти молекулы влияют на формирование и функцию таких структур, как синапс.
Теперь, когда вы знакомы с некоторыми подходами к изучению нейробиологии развития, давайте рассмотрим применение этих исследований в лабораториях сегодня.
Основная цель изучения нейроразвития состоит в том, чтобы выяснить, как определяется идентичность и морфология клеток. Чтобы изучить генетический контроль развития нейронов, эти исследователи ввели генные нокдауны в развивающуюся нервную систему цыплят с помощью электропорации. Электропорированные нейроны в нервной трубке также были помечены с помощью инъекции красителя, так что морфология аксонов могла быть сравнена между контрольными и генетически измененными клетками.
Чтобы изучить, как нейроны устанавливают связи, эти исследователи культивировали нейроны, извлеченные из молодых крысят. После нескольких дней в культуре клетки фиксировали и окрашивали антителами, специфичными к синаптическим белкам, что позволяло количественно оценить образование синапсов в различных экспериментальных условиях, таких как сверхэкспрессия генов или культивирование в модифицированной питательной среде.
Используя свои знания о программе, управляющей развитием нейронов, современные исследователи теперь могут пробить ранние эмбриональные клетки, такие как стволовые клетки, по специфическим путям дифференцировки in vitro. Эти исследователи обрабатывали стволовые клетки человека производным витамина А, ретиноевой кислотой, что привело к снижению экспрессии транскрипционных факторов, поддерживающих идентичность стволовых клеток, и усилению экспрессии нейрональных маркеров. Этот метод предоставляет исследователям ценный источник человеческих нейронов для изучения механизмов неврологических заболеваний.
Вы только что посмотрели введение JoVE в нейробиологию развития. В этом видео были рассмотрены исторические события, ключевые вопросы, заданные нейробиологами развития, и некоторые методы, которые они используют.
Спасибо за просмотр!
Нейробиология развития — это область, которая изучает, как формируется нервная система, начиная с ранних эмбриональных стадий и заканчивая взрослой жи…
Нейробиология развития изучает, как несколько ранних эмбриональных клеток могут трансформироваться в сложно организованную нервную систему, которая контролирует весь организм.
Ученых в этой области интересует, как клетки приобретают определенную идентичность, мигрируют в определенные области и соединяются, образуя функциональную систему. Эти процессы важны для понимания того, как функционирует нервная система, а также для диагностики и лечения широкого спектра неврологических заболеваний, вызванных аномальным развитием.
В этом видео вы совершите краткий экскурс в историю нейробиологии развития, изложите ключевые вопросы в этой области и изучите основные методы, используемые для ответа на эти вопросы. Наконец, мы рассмотрим некоторые практические применения исследований в области нейроразвития.
Давайте начнем с некоторых знаковых исследований из истории нейробиологии развития.
Ранние исследования в области развития нервной системы восходят к 19 веку. В 1880-х годах Вильгельм Гис положил начало изучению гистогенеза, или эмбрионального происхождения тканей. Он был одним из первых, кто наблюдал, как развивающиеся нейроны удлиняют такие процессы, как аксоны и дендриты.
В 1924 году эмбриологи Ганс Шпеман и Хильде Мангольд изучили функцию кластера клеток, известного как организатор Шпемана. Они обнаружили, что трансплантация организатора другому эмбриону индуцировала образование вторичной нервной ткани.
Затем, в 1950-х годах, Рита Леви-Монтальчини и Стэнли Коэн заметили, что пересадка частей опухолей развивающимся куриным эмбрионам приводит к быстрому росту нейронов. Они предположили, что опухоль выделяет вещество, которое вызывает этот рост, и вскоре определили этот белок как фактор роста нервов, или NGF, который необходим для выживания нейронов.
В другом исследовании трансплантации Николь Ле Дуарен заменила части эмбрионов цыплят на эмбрионы перепелов. Отслеживая развитие перепелиных клеток, она показала, что высокомигрирующая группа клеток, известная как нервный гребень, дает начало зрелым периферическим нервам.
Несколько лет спустя Пасько Ракич изучал, как клетки центральной нервной системы выстраиваются в высокоупорядоченные структуры в процессе развития. Ракич помечал делящиеся клетки развивающихся плодов радиоактивными нуклеотидами, что позволило ему определить, когда родились клетки мозга и где их конечное предназначение находилось в зрелом мозге.
В последние десятилетия 20-го века наступила новая эра исследований, сосредоточенных на клеточных и молекулярных сигналах, управляющих развитием нервной системы.
Например, в середине 90-х годов Том Джесселл показал, что определенные факторы транскрипции, или белки, которые помогают контролировать экспрессию генов, влияют на развитие уникальных подтипов нейронов в развивающемся спинном мозге мышей. Продолжая эту работу, современные исследователи все еще выявляют новые гены, которые контролируют развитие нейронов.
Теперь, когда вы ознакомились с некоторыми историческими событиями, давайте рассмотрим некоторые ключевые вопросы современной нейробиологии развития.
Многие исследователи изучают паттерны и спецификацию судьбы клеток нервной системы. Например, их интересует генетическое программирование, которое направляет ранние стволовые клетки на дифференцировку в нейроны или глию, которые являются поддерживающими клетками нервной системы. Они также могут исследовать секретируемые сигналы, которые влияют на более специализированные идентичности в пределах класса клеток или в определенных местах.
Еще один важный аспект заключается в том, как развивающиеся нейроны и глия способны самоорганизовываться и собираться в зрелую нервную систему. Некоторые исследователи изучают цитоскелетную динамику клеток, мигрирующих от их происхождения к месту, где они функционируют. Других интересует, как сигналы из внеклеточной среды влияют на миграционное поведение.
Нейробиологи также оценивают, как формируются и совершенствуются связи между клетками в ходе развития. Некоторые исследования сосредоточены на функции рецепторов аксонов, которые представляют собой белки клеточной поверхности, обнаруживающие внешние сигналы и направляющие развивающиеся аксоны, или нейриты, к их клеткам-мишеням. Еще одним направлением является изучение физических и химических связей, участвующих в синаптогенезе, который представляет собой образование новых сигнальных связей, или синапсов, между клетками.
Теперь давайте рассмотрим несколько основных методов, используемых для ответа на некоторые из этих вопросов нейроразвития.
Для изучения генетического контроля клеточной идентичности и структуры нервной системы полезно манипулировать экспрессией конкретных генов в развивающихся эмбрионах. Одним из популярных методов является внутриутробная электропорация, при которой экзогенная ДНК доставляется в мозг развивающихся грызунов. Подвергая матку обезболенной беременной мыши, ДНК может быть введена в эмбриональный мозг и под действием тока может быть введена в окружающие клетки. В зависимости от эксперимента, электропорированный материал может быть использован либо для стимулирования экспрессии генов, либо для ее предотвращения, что позволяет исследователям изучить влияние отдельных белков на развитие мозга.
Эксплантированная ткань центральной нервной системы обычно используется для изучения миграции клеток во время развития. Эта техника включает в себя рассечение небольших кусочков головного или спинного мозга и их культивирование in vitro. Основным преимуществом этого подхода является то, что ткань легко доступна для захвата движений клеток с помощью покадровой визуализации. Кроме того, влияние специфических молекул на миграцию может быть легко изучено в эксплантах путем применения факторов роста или фармакологических ингибиторов к питательным средам.
Для изучения молекул, которые имеют важное значение для формирования нейронных сетей, может быть использована иммуногистохимия. Этот метод использует специфичность антител для обозначения местоположения конкретных белков в клетках и тканях. Визуализация локализации белка с помощью флуоресцентной микроскопии может помочь исследователям выдвинуть гипотезы о том, как эти молекулы влияют на формирование и функцию таких структур, как синапс.
Теперь, когда вы знакомы с некоторыми подходами к изучению нейробиологии развития, давайте рассмотрим применение этих исследований в лабораториях сегодня.
Основная цель изучения нейроразвития состоит в том, чтобы выяснить, как определяется идентичность и морфология клеток. Чтобы изучить генетический контроль развития нейронов, эти исследователи ввели генные нокдауны в развивающуюся нервную систему цыплят с помощью электропорации. Электропорированные нейроны в нервной трубке также были помечены с помощью инъекции красителя, так что морфология аксонов могла быть сравнена между контрольными и генетически измененными клетками.
Чтобы изучить, как нейроны устанавливают связи, эти исследователи культивировали нейроны, извлеченные из молодых крысят. После нескольких дней в культуре клетки фиксировали и окрашивали антителами, специфичными к синаптическим белкам, что позволяло количественно оценить образование синапсов в различных экспериментальных условиях, таких как сверхэкспрессия генов или культивирование в модифицированной питательной среде.
Используя свои знания о программе, управляющей развитием нейронов, современные исследователи теперь могут пробить ранние эмбриональные клетки, такие как стволовые клетки, по специфическим путям дифференцировки in vitro. Эти исследователи обрабатывали стволовые клетки человека производным витамина А, ретиноевой кислотой, что привело к снижению экспрессии транскрипционных факторов, поддерживающих идентичность стволовых клеток, и усилению экспрессии нейрональных маркеров. Этот метод предоставляет исследователям ценный источник человеческих нейронов для изучения механизмов неврологических заболеваний.
Вы только что посмотрели введение JoVE в нейробиологию развития. В этом видео были рассмотрены исторические события, ключевые вопросы, заданные нейробиологами развития, и некоторые методы, которые они используют.
Спасибо за просмотр!
Нейробиология развития изучает, как несколько ранних эмбриональных клеток могут трансформироваться в сложно организованную нервную систему, которая контролирует весь организм.
Ученых в этой области интересует, как клетки приобретают определенную идентичность, мигрируют в определенные области и соединяются, образуя функциональную систему. Эти процессы важны для понимания того, как функционирует нервная система, а также для диагностики и лечения широкого спектра неврологических заболеваний, вызванных аномальным развитием.
В этом видео вы совершите краткий экскурс в историю нейробиологии развития, изложите ключевые вопросы в этой области и изучите основные методы, используемые для ответа на эти вопросы. Наконец, мы рассмотрим некоторые практические применения исследований в области нейроразвития.
Давайте начнем с некоторых знаковых исследований из истории нейробиологии развития.
Ранние исследования в области развития нервной системы восходят к 19 веку. В 1880-х годах Вильгельм Гис положил начало изучению гистогенеза, или эмбрионального происхождения тканей. Он был одним из первых, кто наблюдал, как развивающиеся нейроны удлиняют такие процессы, как аксоны и дендриты.
В 1924 году эмбриологи Ганс Шпеман и Хильде Мангольд изучили функцию кластера клеток, известного как организатор Шпемана. Они обнаружили, что трансплантация организатора другому эмбриону индуцировала образование вторичной нервной ткани.
Затем, в 1950-х годах, Рита Леви-Монтальчини и Стэнли Коэн заметили, что пересадка частей опухолей развивающимся куриным эмбрионам приводит к быстрому росту нейронов. Они предположили, что опухоль выделяет вещество, которое вызывает этот рост, и вскоре определили этот белок как фактор роста нервов, или NGF, который необходим для выживания нейронов.
В другом исследовании трансплантации Николь Ле Дуарен заменила части эмбрионов цыплят на эмбрионы перепелов. Отслеживая развитие перепелиных клеток, она показала, что высокомигрирующая группа клеток, известная как нервный гребень, дает начало зрелым периферическим нервам.
Несколько лет спустя Пасько Ракич изучал, как клетки центральной нервной системы выстраиваются в высокоупорядоченные структуры в процессе развития. Ракич помечал делящиеся клетки развивающихся плодов радиоактивными нуклеотидами, что позволило ему определить, когда родились клетки мозга и где их конечное предназначение находилось в зрелом мозге.
В последние десятилетия 20-го века наступила новая эра исследований, сосредоточенных на клеточных и молекулярных сигналах, управляющих развитием нервной системы.
Например, в середине 90-х годов Том Джесселл показал, что определенные факторы транскрипции, или белки, которые помогают контролировать экспрессию генов, влияют на развитие уникальных подтипов нейронов в развивающемся спинном мозге мышей. Продолжая эту работу, современные исследователи все еще выявляют новые гены, которые контролируют развитие нейронов.
Теперь, когда вы ознакомились с некоторыми историческими событиями, давайте рассмотрим некоторые ключевые вопросы современной нейробиологии развития.
Многие исследователи изучают паттерны и спецификацию судьбы клеток нервной системы. Например, их интересует генетическое программирование, которое направляет ранние стволовые клетки на дифференцировку в нейроны или глию, которые являются поддерживающими клетками нервной системы. Они также могут исследовать секретируемые сигналы, которые влияют на более специализированные идентичности в пределах класса клеток или в определенных местах.
Еще один важный аспект заключается в том, как развивающиеся нейроны и глия способны самоорганизовываться и собираться в зрелую нервную систему. Некоторые исследователи изучают цитоскелетную динамику клеток, мигрирующих от их происхождения к месту, где они функционируют. Других интересует, как сигналы из внеклеточной среды влияют на миграционное поведение.
Нейробиологи также оценивают, как формируются и совершенствуются связи между клетками в ходе развития. Некоторые исследования сосредоточены на функции рецепторов аксонов, которые представляют собой белки клеточной поверхности, обнаруживающие внешние сигналы и направляющие развивающиеся аксоны, или нейриты, к их клеткам-мишеням. Еще одним направлением является изучение физических и химических связей, участвующих в синаптогенезе, который представляет собой образование новых сигнальных связей, или синапсов, между клетками.
Теперь давайте рассмотрим несколько основных методов, используемых для ответа на некоторые из этих вопросов нейроразвития.
Для изучения генетического контроля клеточной идентичности и структуры нервной системы полезно манипулировать экспрессией конкретных генов в развивающихся эмбрионах. Одним из популярных методов является внутриутробная электропорация, при которой экзогенная ДНК доставляется в мозг развивающихся грызунов. Подвергая матку обезболенной беременной мыши, ДНК может быть введена в эмбриональный мозг и под действием тока может быть введена в окружающие клетки. В зависимости от эксперимента, электропорированный материал может быть использован либо для стимулирования экспрессии генов, либо для ее предотвращения, что позволяет исследователям изучить влияние отдельных белков на развитие мозга.
Эксплантированная ткань центральной нервной системы обычно используется для изучения миграции клеток во время развития. Эта техника включает в себя рассечение небольших кусочков головного или спинного мозга и их культивирование in vitro. Основным преимуществом этого подхода является то, что ткань легко доступна для захвата движений клеток с помощью покадровой визуализации. Кроме того, влияние специфических молекул на миграцию может быть легко изучено в эксплантах путем применения факторов роста или фармакологических ингибиторов к питательным средам.
Для изучения молекул, которые имеют важное значение для формирования нейронных сетей, может быть использована иммуногистохимия. Этот метод использует специфичность антител для обозначения местоположения конкретных белков в клетках и тканях. Визуализация локализации белка с помощью флуоресцентной микроскопии может помочь исследователям выдвинуть гипотезы о том, как эти молекулы влияют на формирование и функцию таких структур, как синапс.
Теперь, когда вы знакомы с некоторыми подходами к изучению нейробиологии развития, давайте рассмотрим применение этих исследований в лабораториях сегодня.
Основная цель изучения нейроразвития состоит в том, чтобы выяснить, как определяется идентичность и морфология клеток. Чтобы изучить генетический контроль развития нейронов, эти исследователи ввели генные нокдауны в развивающуюся нервную систему цыплят с помощью электропорации. Электропорированные нейроны в нервной трубке также были помечены с помощью инъекции красителя, так что морфология аксонов могла быть сравнена между контрольными и генетически измененными клетками.
Чтобы изучить, как нейроны устанавливают связи, эти исследователи культивировали нейроны, извлеченные из молодых крысят. После нескольких дней в культуре клетки фиксировали и окрашивали антителами, специфичными к синаптическим белкам, что позволяло количественно оценить образование синапсов в различных экспериментальных условиях, таких как сверхэкспрессия генов или культивирование в модифицированной питательной среде.
Используя свои знания о программе, управляющей развитием нейронов, современные исследователи теперь могут пробить ранние эмбриональные клетки, такие как стволовые клетки, по специфическим путям дифференцировки in vitro. Эти исследователи обрабатывали стволовые клетки человека производным витамина А, ретиноевой кислотой, что привело к снижению экспрессии транскрипционных факторов, поддерживающих идентичность стволовых клеток, и усилению экспрессии нейрональных маркеров. Этот метод предоставляет исследователям ценный источник человеческих нейронов для изучения механизмов неврологических заболеваний.
Вы только что посмотрели введение JoVE в нейробиологию развития. В этом видео были рассмотрены исторические события, ключевые вопросы, заданные нейробиологами развития, и некоторые методы, которые они используют.
Спасибо за просмотр!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is the main focus of developmental neurobiology research?
Developmental neurobiology explores how a few early embryonic cells transform into an intricately organized nervous system. Scientists study how cells take on specific identities, migrate to defined regions, and connect to form functional networks. Understanding these processes is crucial for comprehending nervous system function and treating neurological diseases rooted in abnormal development.
Q2: How did nerve growth factor contribute to understanding neural development?
In the 1950s, Rita Levi-Montalcini and Stanley Cohen discovered that tumor transplants onto chicken embryos caused rapid neuron growth. They identified the responsible protein as nerve growth factor, or NGF, which is essential to neuron survival. This landmark finding revealed how secreted substances regulate neural development and established NGF as a critical developmental signal.
Q3: What role does the neural crest play in nervous system development?
The neural crest is a highly migratory group of cells that gives rise to mature peripheral nerves. Nicole Le Douarin demonstrated this by replacing chick embryo parts with quail tissue and tracking quail cells through development. This work revealed how specific cell populations migrate during development to form distinct nervous system structures.
Q4: What are the key questions developmental neuroscientists investigate today?
Modern developmental neuroscientists study patterning and fate specification, examining how stem cells differentiate into neurons or glia. They investigate cell migration, axon guidance, and synaptogenesis—the formation of new signaling connections between cells. Researchers also explore how secreted signals and extracellular environment cues influence neural development and cell organization.
Q5: How does in utero electroporation help researchers study brain development?
In utero electroporation delivers exogenous DNA into developing rodent brains by injecting DNA into embryonic tissue and applying electrical current to force it into surrounding cells. This technique allows researchers to promote or prevent specific gene expression, enabling examination of individual proteins' impact on brain development. It provides direct access to intact developing neural tissue for genetic manipulation.
Q6: Why is explant culture useful for studying neural cell migration?
Explant culture involves dissecting small pieces of brain or spinal cord and culturing them in vitro, making tissue highly accessible for time-lapse imaging of cell movements. Researchers can easily apply growth factors or pharmacological inhibitors to study how specific molecules affect migration. This approach preserves tissue organization while allowing detailed observation of developmental processes.
Q7: How can immunohistochemistry reveal mechanisms of synapse formation?
Immunohistochemistry uses antibodies to mark specific proteins in cells and tissues with high specificity. Fluorescent microscopy visualization of protein localization helps researchers form hypotheses about how molecules influence synapse formation and function. This technique enables quantification of synaptic proteins and assessment of synaptogenesis under different experimental conditions.
Chapters in this video
0:00
Overview
1:06
Historical Highlights
3:38
Key Questions
5:14
Prominent Methods
7:16
Applications
9:00
Summary
Videos from this collection: