Введение в нейробиологию развития

Нейробиология развития изучает то, как несколько ранних эмбриональных клеток могут преобразоваться в сложно организованную нервную систему, управляющую всем организмом.

Ученых в этой области интересует, как клетки приобретают определенную идентичность, мигрируют в заданные области и соединяются для формирования функциональной системы. Эти процессы важны для понимания принципов работы нервной системы, а также для диагностики и лечения широкого спектра неврологических заболеваний, вызванных нарушениями развития.

В этом видео мы кратко обзорим историю нейробиологии развития, обозначим ключевые вопросы данной области и рассмотрим основные методы, используемые для поиска ответов на эти вопросы. В завершение мы рассмотрим некоторые практические применения исследований в области нейроразвития.

Начнем с некоторых знаковых исследований из истории нейробиологии развития.

Ранние исследования нейроразвития восходят к XIX веку. В 1880-х годах Вильгельм Хис основал изучение гистогенеза, или эмбрионального происхождения тканей. Он был одним из первых, кто наблюдал за тем, как развивающиеся нейроны отращивают отростки, такие как аксоны и дендриты.

В 1924 году эмбриологи Ганс Шпеман и Хильда Мангольд изучили функцию группы клеток, известной как организатор Шпемана. Они обнаружили, что трансплантация организатора в другой эмбрион индуцирует формирование вторичной нервной ткани.

Затем в 1950-х годах Рита Леви-Монтальчини и Стэнли Коэн заметили, что пересадка фрагментов опухолей развивающимся эмбрионам цыплят приводила к быстрому росту нейронов. Они предположили, что опухоль секретирует вещество, вызывающее этот рост, и вскоре идентифицировали этот белок как фактор роста нервов, или NGF, который необходим для выживания нейронов.

В другом исследовании по трансплантации Николь Ле Дуарен заменила части эмбрионов цыплят частями эмбрионов перепела. Отслеживая клетки перепела в процессе развития, она показала, что высокоподвижная группа клеток, известная как нейральный гребень, дает начало зрелым периферическим нервам.

Несколько лет спустя Паско Ракич изучал, как клетки центральной нервной системы организуются в высокоупорядоченные структуры в ходе развития. Ракич маркировал делящиеся клетки в развивающихся плодах радиоактивными нуклеотидами, что позволило ему определить, когда рождались клетки мозга и где находилось их конечное местоположение в зрелом мозге.

В последние десятилетия XX века наступила новая эра исследований, сосредоточенных на клеточных и молекулярных сигналах, направляющих развитие нервной системы.

Например, в середине 90-х годов Том Джесселл показал, что определенные факторы транскрипции, или белки, помогающие контролировать экспрессию генов, влияли на развитие уникальных подтипов нейронов в развивающемся спинном мозге мыши. Опираясь на эту работу, современные исследователи до сих пор выявляют новые гены, контролирующие нейральное развитие.

Теперь, когда вы ознакомились с некоторыми историческими вехами, давайте рассмотрим ключевые вопросы современной нейробиологии развития.

Многие исследователи изучают паттернирование и спецификацию судьбы клеток нервной системы. Например, их интересует генетическое программирование, которое направляет дифференцировку ранних стволовых клеток в нейроны или глию — поддерживающие клетки нервной системы. Также они могут исследовать секретируемые сигналы, которые влияют на формирование более специализированных типов клеток внутри одного класса или в определенных локализациях.

Другим важным аспектом является то, как развивающиеся нейроны и глия способны организовываться и объединяться в зрелую нервную систему. Некоторые исследователи изучают динамику цитоскелета клеток, мигрирующих из места их происхождения к месту их функционирования. Других интересует, как сигналы из внеклеточной среды влияют на миграционное поведение.

Специалисты по нейробиологии развития также оценивают, как связи между клетками формируются и уточняются в процессе развития. Некоторые исследования сосредоточены на функции рецепторов наведения аксонов — белков клеточной поверхности, которые распознают внешние сигналы и направляют развивающиеся аксоны или нейриты к клеткам-мишеням. Другим направлением является изучение физических и химических связей, участвующих в синаптогенезе, то есть формировании новых сигнальных связей, или синапсов, между клетками.

Теперь рассмотрим несколько основных методов, используемых для поиска ответов на некоторые из этих вопросов нейроразвития.

Для изучения генетического контроля клеточной идентичности и паттернирования нервной системы полезно манипулировать экспрессией специфических генов в развивающихся эмбрионах. Одним из популярных методов является электропорация in utero, при которой экзогенная ДНК доставляется в мозг развивающихся грызунов. Путем обеспечения доступа к матке анестезированной беременной мыши ДНК вводится в мозг эмбриона, после чего подается ток для принудительного проникновения ДНК в окружающие клетки. В зависимости от целей эксперимента электропорированный материал может использоваться либо для стимуляции экспрессии гена, либо для ее подавления, что позволяет исследователям изучать влияние отдельных белков на развитие мозга.

Для изучения миграции клеток в процессе развития часто используют эксплантаты тканей центральной нервной системы. Этот метод включает выделение небольших фрагментов головного или спинного мозга и их культивирование in vitro. Основным преимуществом данного подхода является высокая доступность ткани для регистрации перемещений клеток с помощью таймлапс-визуализации. Кроме того, влияние специфических молекул на миграцию в эксплантатах можно легко изучать, добавляя факторы роста или фармакологические ингибиторы в культуральную среду.

Для изучения молекул, необходимых для формирования нейронных сетей, можно использовать иммуногистохимию. Этот метод основан на специфичности антител для маркировки локализации определенных белков в клетках и тканях. Визуализация локализации белков с помощью флуоресцентной микроскопии помогает исследователям формулировать гипотезы о том, как эти молекулы влияют на формирование и функционирование таких структур, как синапс.

Теперь, когда вы ознакомились с некоторыми подходами к изучению нейробиологии развития, давайте рассмотрим применение этих исследований в современных лабораториях.

Одной из главных целей изучения нейроразвития является выяснение того, как определяются идентичность и морфология клеток. Чтобы изучить генетический контроль развития нейронов, исследователи ввели конструкции для нокдауна генов в развивающуюся нервную систему цыпленка с помощью электропорации. Электропорированные нейроны внутри нейральной трубки также были помечены путем инъекции красителя, что позволило сравнить морфологию аксонов контрольных и генетически модифицированных клеток.

Чтобы изучить, как нейроны устанавливают связи, эти исследователи культивировали нейроны, выделенные из молодых крысят. После нескольких дней культивирования клетки фиксировали и окрашивали антителами, специфичными к синаптическим белкам, что позволило количественно оценить формирование синапсов при различных экспериментальных условиях, таких как гиперэкспрессия генов или культивирование в модифицированной ростовой среде.

Используя знания о программе, управляющей нейральным развитием, современные исследователи теперь могут направлять ранние эмбриональные клетки, такие как стволовые клетки, по специфическим путям дифференцировки in vitro. Эти исследователи обрабатывали стволовые клетки человека производным витамина A, ретиноевой кислотой, что привело к снижению экспрессии факторов транскрипции, поддерживающих идентичность стволовых клеток, и усилению экспрессии нейрональных маркеров. Этот метод предоставляет исследователям ценный источник нейронов человека для изучения механизмов развития неврологических заболеваний.

Вы только что посмотрели вводное видео JoVE по нейробиологии развития. В этом видео были рассмотрены основные вехи истории, ключевые вопросы, которые исследуют специалисты в области нейробиологии развития, а также некоторые используемые ими методы.

Спасибо за просмотр!