发育神经生物学导论

Neuroscience

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Summary

发育神经生物学是探索神经系统从早期胚胎阶段到成人期如何形成的领域。虽然已经知道,神经前体细胞按照增殖,分化,迁移和成熟这些可预测的阶段发展,但控制通过每个阶段的机制尚未完全了解。研究发育不仅对于理解复杂的结构是如何组装的很重要,而且对鉴定和治疗神经失调也很重要。由于损伤修复过程类似于发育中那些过程,该领域也是了解中枢神经系统组织何时以及如何再生的有利资源。

本短片对发育神经生物学领域进行了简要概述,包括一些主要实验,它们加深了我们对控制早期神经组织形成以及将这些细胞更进一步分化到互不相关的神经元亚类的机制的了解。讨论部分着重于发育生物学家想知道的核心问题,随后演示了他们用来研究这些问题的方法。最后展示了这些技术的应用,以提供深入了解它们对今天的发育神经学家的意义。实验演示范围包括对完整胚胎大脑的遗传操作,将干细胞分化有目的地分化成为神经系统的细胞,和可以定量特定的发育事件,如定量神经元之间新连接的形成的染色技术。

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JoVE Science Education Database. 神经科学的基本知识. 发育神经生物学导论. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

发育神经生物学探索少数的早期胚胎细胞是如何转化成一个控制整个生物体的,错综复杂的有组织的神经系统。

这个领域的科学家感兴趣的是细胞是如何确定各自的身份,迁移到特定的区域,并相互连接形成有功能的神经系统。这些过程对于理解神经系统是如何发挥作用,以及对诊断和治疗各种由于发育异常而造成的神经系统疾病非常重要。

本短片将带您简略游览发育神经生物学的历史,概述该领域的关键问题,并探讨用于回答这些问题的重要方法。最后,我们将看看神经发育研究中的一些实际应用。

让我们先从发育神经生物学历史上具有里程碑意义的一些研究开始。

早期的神经发育学研究可以追溯到19世纪。在19世纪80年代,威廉·西斯创立了组织发生学,或称组织的胚胎起源学。他是最早观察到发育中的神经元延伸出轴突和树突分支的人之一。

1924年,胚胎学家汉斯·施佩曼和希尔德·曼戈尔德研究了一簇被称为施佩曼组织者的细胞的功能。他们发现,将组织者移植到另一个胚胎中能诱导次级神经组织的形成。

然后在1950年,丽塔·莱维 - 蒙塔尔奇尼和斯坦利·科恩观察到移植肿瘤块到发育中的鸡胚会导致神经元的快速增长。他们推测肿瘤分泌了导致这种生长的物质,并且很快鉴定该蛋白为神经生长因子,或称NGF,它是神经元存活必不可少的。

在另一个移植研究中,尼克·勒·杜涵将鸡胚的一部分用相应的鹌鹑胚胎部分替换掉。跟踪发育过程中鹌鹑细胞,她发现了一种高度迁移的细胞群,称为神经嵴,会生成成熟的外围神经。

几年后,Pasko Rakic研究中枢神经系统的细胞如何在发育过程中将自己排列成为高度有序的结构。Rakic用放射性核苷酸标记发育中胎儿的分裂细胞,这样他可以确定脑细胞是何时产生的以及它们最终在成熟大脑中的位置。

在20世纪过去的几十年里,出现了一个新的研究时代,它关注引导神经系统发育的细胞和分子信号。

例如,在90年代中期,托马斯·杰塞尔显示,某些帮助控制基因表达的转录因子或蛋白质,影响了发育中小鼠脊髓的特定神经细胞亚型的发育。在这项工作之后,今天的研究人员仍在鉴定控制神经系统发育的新基因。

您刚看到了一些历史要件,现在让我们来回顾一下现代发育神经生物学的一些核心问题。

许多研究人员研究神经系统细胞的模式和命运特异性。例如,他们感兴趣遗传编程,它引导早期干细胞分化成支持神经系统的神经元或神经胶质细胞。他们也可能研究那些在某类细胞或在某些特定位置影响更特异性分化的分泌信号。

另一个研究重点是发育中的神经元和神经胶质细胞是如何能够组织起来,组装成为成熟的神经系统。有些研究人员研究细胞从它们的起源地迁移到行驶功能的位置的这一过程的细胞骨架动态。还有些研究人员对外环境信号如何影响迁移行为感兴趣。

发育神经学家也评估细胞之间的连接在发育过程中是如何形成与完善的。一些研究集中于轴突导向受体的功能,这些受体是细胞表面蛋白,它检测外部信号和介导发育中的轴突,或轴索到达它们的靶细胞。另一个重点是对突触发生中物理和化学连接的研究,突触发生是指细胞之间形成新的信号连接,或突触。

现在,让我们来看看用来回答一些神经发育学问题的几个重要方法。

为研究细胞身份和神经系统构成的遗传调控,需要操纵特定的基因在发育胚胎中的表达。一种常用的方法是子宫电穿孔,这种方法将外源DNA输送到发育中的啮齿动物的大脑中。通过暴露麻醉的怀孕小鼠的子宫,我们可以将DNA注入到胚胎的大脑,并施加电流使DNA导入到周围的细胞中。根据实验的不同,电穿孔的材料可用于促进或抑制基因表达,使研究人员能够检查单个蛋白质对大脑发育的影响。

移植的中枢神经系统组织常用于研究发育过程中细胞的迁移。这项技术要用到解剖脑或脊髓的小块组织并进行体外培养。该技术的主要优点是,能很方便地对这些组织进行延时成像来捕获细胞运动。此外,通过向培养液中添加生长因子或药理学抑制剂,可以很容易地在外植体上研究特定分子对细胞迁移过程的影响。

若要研究对神经元网络形成至关重要的分子,可以应用免疫组织学。该技术利用抗体的特异性,在细胞和组织中标记特定蛋白质的位置。使用荧光显微镜观察蛋白质的位置可以帮助研究人员推测这些分子是如何影响一些如突触这种结构的形成和功能的。

现在您已经熟悉了研究发育神经生物学的一些方法,让我们来看看这项研究在今天实验室中的应用。

神经发育学研究的一个主要目标是弄清楚细胞身份和形态是如何决定的。要研究神经元发育的遗传调控,这些研究人员通过电穿孔将基因敲除载体运送到发育中的小鸡神经系统中。神经管内被电穿孔的神经元同时也被注射染料标记,这样可以比较对照和遗传变异细胞之间轴突的形态。

为了研究神经元是如何建立连接,这些研究人员从新生大鼠中提取神经元进行培养。培养数天后,将细胞固定并用特异识别突触蛋白的抗体染色,这样使得能对多种实验条件下,如基因过量表达或在改变了的培养液中,突触的形成进行定量。

今天的研究人员根据他们对神经发育程序的了解,可以在体外强制早期胚胎细胞,如神经干细胞,按照特定的分化途径分化。这些研究人员用维生素A衍生物,视黄酸处理人类干细胞,它降低了维持干细胞特性的转录因子的表达,并增强了神经元标记物的表达。这一技术为研究人员研究神经系统疾病背后的机制所需的人类神经元提供了有用的资源。

您刚观看的是JoVE对发育神经生物学的介绍。本短片回顾了历史要件,发育神经学科学家所问的核心问题以及他们所使用的一些技术。感谢观看!

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