Eine Einführung in die Neuroanatomie

Neuroscience
 

Summary

Die Neuroanatomie ist das Studium der Strukturen des Nervensystems und wie sie zur Funktion beitragen. Ein Schwerpunkt der Neuroanatomen sind die makroskopischen Strukturen innerhalb des zentralen und peripheren Nervensystems, wie die kortikalen Falten auf der Oberfläche des Gehirns. Allerdings sind die Wissenschaftler in diesem Bereich auch an den mikroskopischen Beziehungen zwischen Neuronen und Gliazellen interessiert - die beiden wichtigsten Zelltypen des Nervensystems.

Dieses Video gibt einen kurzen Überblick über die Geschichte der neuroanatomischen Forschung die bis zum 4. Jahrhundert vor Christus zurückreicht, als die Philosophen zunächst vorgeschlagen haben, dass sich die Seele im Gehirn befindet anstatt im Herzen. Die Schlüsselfragen, die von Neuroanatomen gefragt werden, werden ebenfalls überprüft, darunter Themen wie die Funktion der Zytoarchitektur oder die Anordnung der Neuronen und Gliazellen bei der Gehirnfunktion mitspielen; und das neuroanatomische Veränderungen eine Folge von Erfahrungen oder Krankheiten sind. Als nächstes werden einige der verfügbaren Verfahren beschrieben, um diese Fragen zu beantworten wie die Histologie und die Magnetresonanztomographie. Schließlich zeigt das Video mehrere Anwendungen der neuroanatomischen Forschung und zeigt wie der Bereich in den heutigen neurowissenschaftlichen Laboren weiterlebt.

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JoVE Science Education Database. Grundlagen der Neurowissenschaften. Eine Einführung in die Neuroanatomie. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Durch das Studium der Neuroanatomie versuchen Wissenschaftler eine Karte zu erstellen, um das komplexe System das unser Verhalten steuert zu navigieren. Auf mikroskopischer Ebene untersuchen Neuroanatomen den Zusammenhang zwischen signalgebenden Zellen, bekannt als Neuronen; Versorgungszellen, bekannt als Gliazellen und die extrazelluläre Matrix-Struktur, die die Zellen unterstützt. Aus einer weiteren Ansicht, auf Organebene, untersucht die Neuroanatomie die Gehirnstrukturen und die Nervenbahnen.

Dieses Video gibt einen Überblick über die neuroanatomische Forschung mit der Einführung in die Geschichte dieses Bereiches, Schlüsselfragen, die von den Neuroanatomen gefragt werden und die verfügbaren Instrumente, um diese Fragen zu beantworten, gefolgt von einem Überblick über einige besondere Experimente in der Neuroanatomie.

Nun wollen wir die Geschichte dieses Teilgebietes der Neurowissenschaften besprechen. Die Wurzeln der neuroanatomischen Forschung lassen sich bis ins 4. Jahrhundert vor Christus zurückverfolgen als Hippokrates vermutete, dass sich die geistige Aktivität im Gehirn anstatt des Herzens befindet.

Aber es war nicht bis zum Ende des 15. Jahrhunderts, als Papst Sixtus IV die menschliche Sezierung vom Sigma befreite, als das Studium der Neuroanatomie wiederbelebt wurde, widergespiegelt durch die Veröffentlichung von Andreas Vesalius im Jahre 1543 "Über die Funktionsweise des menschlichen Körpers", die eine detaillierte Darstellung der Anatomie des Gehirns beinhaltete.

In Erweiterung zu dieser Arbeit veröffentlichte Thomas Willis im Jahre 1664 die "Anatomie des Gehirns" in der er mehrere neue neurologische Strukturen vorstellte und auf ihre Funktion spekulierte. Dieses Werk wird heute als Grundlage der modernen Neuroanatomie betrachtet.

Am Ende des 16. Jahrhunderts hat die Erfindung des Mikroskops eine zweite Revolution in der neuroanatomischen Forschung angeregt. Im Anschluss an diesen technologischen Durchbruch erfand Camillo Golgi im Jahre 1873 eine Färbetechnik um einzelne Nervenzellen unter dem Mikroskop sichtbar zu machen.

Dank dieser Innovationen im Jahre 1888 formulierte Santiago Ramon y Cajal die Neuronen-Doktrin: Der Gedanke ist, das Neuron die anatomische und funktionelle Einheit des Gehirns ist.

Zurück auf der makroskopischen Ebene veröffentlichte Korbinian Brodmann im Jahr 1909 eine Reihe von Gehirnkarten in der er die Großhirnrinde in 52 verschiedene Bereiche unterteilte die als "Brodmann-Areale" bezeichnet werden. Diese Karten basierten auf seiner Beobachtung, dass die verschiedenen kortikalen Areale eine unterschiedliche Zytoarchitektur haben.

Später im Jahr 1957 erstellten Wilder Penfield und Theodore Rasmussen den kortikalen Homunkulus: Eine detailliertere Karte eines ausgewählten Brodmann Bereiches, der die Regionen der spezifischen motorischen und sensorischen Funktionen zeigt.

Aufbauend auf diese eindrucksvollen historischen Studien der Struktur des Nervensystems auf mikroskopischer und makroskopischer Ebene, Fragen die heutigen Neuroanatomen, wie sich die Struktur auf die Funktion bezieht. Zunächst haben sich einige Forscher besonders auf die Zytoarchitektur oder die Anordnung der Neuronen und Glia konzentriert. Zum Beispiel ist es hilfreich um bestimmte Zellkerne oder Nervenzellverbände im Gehirn zu untersuchen, die neuronalen Subtypen

die dort gefunden werden und die Verbindungen die Zellen mit anderen Hirnregionen herstellen zu charakterisieren.

Da die Zytoarchitektur dynamisch ist, konzentriert sich eine weitere Schlüsselfrage auf den Bereich, wie und warum neuroanatomische Veränderungen stattfinden.

Beispielsweise wird Lernen und das Gedächtnis mit "Neuroplastizität" oder mit Veränderungen in den Nervenbahnen assoziiert, wie zum Beispiel die Änderungen in den Strukturkontaktpunkten zwischen den Nervenzellen. Kleine Vorsprünge, dendritische Dornen genannt, können sich dynamisch in der Größe, Form und Anzahl abhängig von der Tätigkeit ändern.

Das Verständnis der Struktur des Nervensystems ist auch entscheidend zur Aufklärung ihrer Dysfunktion.

Zum Beispiel sind lähmende neurodegenerative Erkrankungen mit charakteristischen neuroanatomischen Veränderungen verbunden wie die Degeneration der dopaminergen Neuronen die bei der Parkinson-Krankheit beobachtet wird.

Nachdem wir die wichtigsten Fragen, die von Neuroanatomen gefragt werden, diskutiert haben, wollen wir die Hilfsmittel besprechen, die Wissenschaftler nutzen, um Antworten zu finden.

Erstens, Histologie, oder die Analyse von gefärbten Gewebeschnitten ist eine wesentliche Technik zur Untersuchung der Zytoarchitektur.

Neuroanatomen haben eine Reihe von Färbungen zur Verfügung um bestimmte Strukturen im Nervensystem zu visualisieren.

Die Histochemie ist ein Teilgebiet der Histologie auf der Grundlage der Lokalisierung und Identifizierung von chemischen Komponenten. Eine besonders wertvolle Anwendung der Histochemie ist die Detektion von Tracern: Moleküle, die in Neuronen eingeführt werden, um ihre Verbindungen innerhalb des Nervensystems zu visualisieren.

Wie wir bereits erwähnt haben hat die Einführung des Mikroskops die Möglichkeit wie die Neuroanatomie untersucht wurde, revolutioniert. Das Lichtmikroskop ermöglicht histologisch gefärbtes Nervengewebe bis zu tausend Mal seiner ursprünglichen Größe abzubilden und dabei die Zytoarchitektur deutlich zu machen. Das Fluoreszenzlichtmikroskop erlaubt es immuno-gelabelte Proteine in Gewebeschnitten oder im Kulturmedium abzubilden und ermöglicht Kolokalisationsstudien, die Bestimmen, ob zwei Proteine in einem einzelnen Neuron in der Nähe voneinander sind.

Die Konfokalmikroskopie ist ein verbessertes Verfahren der Fluoreszenzmikroskopie, das optische Schnitte des neuronalen Gewebes ermöglicht und kann daher verwendet werden, um 3D-Rekonstruktionen der Neuronen zu erzeugen, so dass ihre Morphologie oder Form untersucht werden kann.

Die 2-Photonen-Mikroskopie ist eine andere Art der Fluoreszenzmikroskopie, die tief in das Gewebe eindringen kann und sie wird oft für Live-Imaging des Gehirns in lebenden Tieren verwendet.

Jedoch kann kein Photon wie ein Elektron durchdringen, deswegen ist die Elektronenmikroskopie von unschätzbarem Wert für die Bereitstellung von Subnanometer Auflösungen von neuronalen Strukturen. Insbesondere wurde die Synapse im kleinsten Detail mit der Transmissionselektronenmikroskopie veranschaulicht. Darüber hinaus kann durch kompilieren der Serienschnitte der erhaltenen Bildern mit Elektronenmikroskopie über 3D-Rekonstruktionen das neuronale "Volumen" über ein Verfahren, bekannt als Tomographie, erzeugt werden.

Um Änderungen in neuroanatomischen Strukturen im Zeitablauf zu überwachen ist Neuroimaging ein äußerst nützliches Hilfsmittel. Die Magnetresonanztomographie oder MRT, wird weitgehend verwendet, um das Gehirn in Menschen zu untersuchen. Diese Technik liefert ein Bild des gesamten Gehirns, bis zu einer Auflösung von 1 mm. Die MRT kann zur Untersuchung der weißen Substanz durch Traktographie verwendet werden. Mit dieser Technik visualisieren Neuroanatomen Bündel von Axonen, enthüllen Verbindungen dazwischen und innerhalb der Gehirnbereiche.

Um die Korrelate zwischen Neuroanatomie und Krankheitszustände zu beurteilen, nutzen Wissenschaftler häufig chirurgische Techniken, die in Tiermodellen angewandt werden. Die stereotaktische Operation verwendet ein 3-dimensionales Koordinatensystem und detaillierte anatomische Atlanten, die den Forschern eine physische Manipulation isolierter anatomischer Bereiche ermöglicht. Mit einer stereotaktischen Vorrichtung und den entsprechenden anatomischen Informationen, ist es möglich, elektrische Impulse, Medikamenten oder anderen Substanzen einzuführen oder Läsionen in gezielten Bereichen des Gehirns zu erstellen.

Als nächstes wollen wir einige Anwendungen dieser Methoden besprechen. Detaillierte Informationen zu der Gehirnstruktur kann durch die Analyse von konservierten Gehirnen, die in dünne Querschnitte geschnitten wurden, erhalten werden. Um verschiedene strukturelle Merkmale zu markieren, wurden diese Schnitte des Primatengehirns gefärbt, um die Expression von drei Proteinen im gesamten Gehirn zu zeigen. Die gefärbten Schnitte können auch bei hoher Vergrößerung untersucht werden, so dass die Forscher Strukturen auf zellulärer Ebene visualisieren können.

Die Erfahrungswerte können die neuronale Struktur auf der Zellebene ändern. In diesem Experiment wurden junge Ratten während der Entwicklung taktilen Reizen ausgesetzt. Als sie das Erwachsenenalter erreicht haben, wurden Gehirnproben gesammelt und gefärbt, um die Zellmorphologie zu visualisieren. Die erhaltenen Bilder zeigen Veränderungen in der Form und der Anzahl von Dendriten, was auf eine veränderte neuronale Konnektivität hindeutet.

Die Neuroanatomie ist entscheidend im klinischen Umfeld da sie zur Diagnose und Therapie von neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen beiträgt. Beispielsweise werden Änderungen in der Zytoarchitektur eng mit bestimmten Krankheitszuständen verbunden. Strukturelle Neuroimaging Verfahren werden häufig mit dem funktionellen Imaging kombiniert, um die Aktivität von spezifischen Gehirnregionen in normalen und Krankheitszuständen zu vergleichen. Zum Beispiel zeigen Patienten die an einer Gehirnerschütterung leiden Veränderungen im Nervenaktivitätsmuster die mit ihrer Besserung der Verletzung korrelieren.

Das war die JoVE Einführung in die Neuroanatomie. In diesem Video haben wir die Geschichte der neuroanatomischen Forschung nachvollzogen und wichtige Fragen, die von Neuroanatomen gefragt werden, besprochen. Wir haben auch Forschungsstrategien auf mikroskopischer und makroskopischer Ebene erkundet und ihre Anwendungen diskutiert.

Danke für das Aufpassen!

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