Eine Einführung in die Entwicklungsneurobiologie

Neuroscience

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Summary

Die Entwicklungsneurowissenschaft ist ein Bereich der untersucht wie das Nervensystem von frühen embryonalen Stadien bis zum Erwachsenenalter gebildet wird. Obwohl bekannt ist, dass neurale Vorläuferzellen vorhersagbare Phasen der Proliferation, Differenzierung, Migration und Maturation eingehen, sind die Mechanismen, die den Ablauf durch jede Phase kontrollieren nicht vollständig verstanden. Die Untersuchung der Entwicklung ist nicht nur wichtig für das Verständnis wie komplexe Strukturen aufgebaut sind, sondern auch für die Charakterisierung und Behandlung von Entwicklungsstörungen. Da Reparaturprozesse von Verletzungen ähnlich zu denen sind, die in der Entwicklung auftreten, ist dieser Bereich auch eine vielversprechende Quelle für Einblicke wann und wie sich das Gewebe des Nervensystems regeneriert.

Dieses Video gibt einen kurzen Überblick über den Bereich der Entwicklungsneurowissenschaft, darunter auch einige Schlüsselexperimente, die unser Verständnis der Mechanismen, die die Bildung von frühem Nervengewebe und die weitere Spezialisierung der Zellen in die einzelnen Untergruppen von Neuronen kontrollieren, erweitert haben. Die Diskussion konzentriert sich auf bedeutende Fragen, die Entwicklungsbiologen stellen und danach werden einige der Methoden, die sie verwenden um diese Fragen zu untersuchen, vorgeführt. Schließlich werden Anwendungen der Techniken vorgestellt um einen Einblick zu bekommen, was es bedeutet ein heutiger Entwicklungsneurowissenschaftler zu sein. Die Auswahl der gezeigten Experimente umfassen die Genmanipulation von intakten embryonalen Gehirnen, gezielte Differenzierung von Stammzellen zu Zellen des Nervensystems und Färbetechniken, die die Quantifizierung von spezifischen Entwicklungsereignisse ermöglichen, wie die Bildung von neuen Verbindungen zwischen Neuronen.

Cite this Video

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

Die Entwicklungsneurobiologie untersucht wie sich einige frühe embryonale Zellen in ein komplexes organisiertes Nervensystem, die einen ganzen Organismus steuern, verwandeln.

Die Wissenschaftler in diesem Gebiet sind daran interessiert wie Zellen spezifische Identitäten übernehmen, in definierte Regionen wandern und sich verbinden, um ein funktionelles System zu bilden. Diese Prozesse sind wichtig für das Verständnis wie das Nervensystem funktioniert sowie für die Diagnose und Behandlung einer breiten Palette von neurologischen Erkrankungen, die in der abnormalen Entwicklung verwurzelt sind.

Dieses Video zeigt einen Streifzug durch die Geschichte der Entwicklungsneurobiologie, behandelt die Schlüsselfragen in diesem Bereich und erkundet bedeutende Methoden, die verwendet werden, um diese Fragen zu beantworten. Schließlich werfen wir einen Blick auf einige praktische Anwendungen in der entwicklungsneurologischen Forschung.

Nun wollen wir mit einigen grundlegenden Studien aus der Geschichte der Entwicklungsneurobiologie beginnen.

Die frühe entwicklungsneurologische Forschung stammt aus dem 19. Jahrhundert. In den 1880er Jahren etablierte Wilhelm His das Studium der Histogenese oder die embryonale Herkunft von Gewebe. Er war einer der ersten Menschen, der bei entwickelnden Neuronen den Verlängerungsprozess beobachtete wie bei Axonen und Dendriten.

Im Jahre 1924 untersuchten die Embryologen Hans Spemann und Hilde Mangold die Funktion einer Gruppe von Zellen bekannt als Spemanns Organisator. Sie haben herausgefunden, dass die Transplantation des Organisators zu einem anderen Embryo, die Bildung von sekundärem Nervengewebe induzierte.

In den 1950er Jahren haben dann Rita Levi-Montalcini und Stanley Cohen beobachtet, dass die Transplantation von Tumorstücken bei entwickelten Hühnerembryonen zum schnellen Neuronenwachstum führte. Sie spekulierten, dass der Tumor eine Substanz sezerniert das dieses Wachstum verursachte und bald darauf wurde das Protein als Nervenwachstumsfaktor oder NGF identifiziert, welches lebenswichtig für das Überleben des Neurons ist.

In einer anderen Transplantationsstudie ersetzte Nicole Le Douarin Teile von Hühnerembryonen mit denen von Wachteln. Durch das Verfolgen der Wachtelzellen durch die Entwicklung, zeigte sie, dass eine weit wandernde Gruppe von Zellen, die als Neuralleiste bekannt ist, zu peripheren ausgereiften Nerven führt.

Ein paar Jahre später untersuchte Pasko Rakic wie sich Zellen des zentralen Nervensystems zu hochgeordneten Strukturen während der Entwicklung anordnen. Rakic markierte teilende Zellen in entwickelnden Föten mit radioaktiven Nukleotiden, dies erlaubte ihm zu bestimmen, wann Gehirnzellen geboren wurden und wo ihr Endziel im ausgereiften Gehirn war.

In den letzten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts entwickelte sich eine neue Ära in der Forschung, die sich auf die Zelle und auf die molekularen Signale konzentrierten, die die Entwicklung des Nervensystems steuern.

Zum Beispiel zeigte Tom Jessell in der Mitte der 90er Jahre, dass bestimmte Transkriptionsfaktoren oder Proteine, die bei der Regulierung der Genexpression helfen, die Entwicklung von einzigartigen Neuronensubtypen im entwickelnden Mausrückenmark beeinflussten. Im Anschluss an diese Arbeit identifizieren die heutigen Forscher immer noch neue Gene, die die neuronale Entwicklung kontrollieren.

Da wir nun ein paar historische Höhepunkte gesehen haben, wollen wir einige Schlüsselfragen der modernen Entwicklungsneurobiologie besprechen.

Viele Forscher untersuchen die Musterung und die Schicksalsausprägung der Zellen des Nervensystems. Beispielsweise sind sie an der genetischen Programmierung interessiert, die frühe Stammzellen leitet, um entweder zu Neuronen oder Gliazellen, die die Stützzellen des Nervensystems sind, differenzieren. Sie können auch sekretierte Signale untersuchen, die gezielt einen bestimmten Subtyp von Zellen oder Zellen an einem bestimmten Ort beeinflussen.

Ein weiterer Schwerpunkt ist, wie entwickelnde Neuronen und Gliazellen in der Lage sind sich zu organisieren und sich zum ausgereiftem Nervensystem zusammenfügen. Einige Forscher untersuchen die Zytoskelettdynamiken von Zellen die von ihrem Ursprung zum physiologischen Ort wandern. Andere sind daran interessiert, wie Signale der extrazellulären Umgebung das Migrationsverhalten beeinflussen.

Die Entwicklungsneurowissenschaftler untersuchen auch wie Verbindungen zwischen den Zellen gebildet und im Laufe der Entwicklung verfeinert werden. Einige Untersuchungen konzentrieren sich auf die Funktion der Rezeptoren, die die axonale Wegfindung leiten, die Zelloberflächenproteine sind, die externe Signale identifizieren und die entwickelnde Axone oder Neuriten zu ihren Zielzellen leiten. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Untersuchung der physikalischen und chemischen Verbindungen die in der Synaptogenese beteiligt sind. Die Synaptogenese ist die Bildung von neuen Signalisierungsverbindungen oder Synapsen zwischen den Zellen.

Nun wollen wir ein paar bedeutende Methoden anschauen, die verwendet werden, um einige dieser entwicklungsneurologischen Fragen zu beantworten.

Um die genetische Kontrolle der Zellidentität und die Strukturierung des Nervensystems zu untersuchen, ist es hilfreich, die Expression spezifischer Gene in den entwickelnden Embryonen zu manipulieren. Eine beliebte Methode ist die in utero-Elektroporation, in der exogene DNA in das Gehirn von entwickelnden Nagetieren injiziert wird. Indem der Uterus einer anästhesierten, schwangeren Maus freigelegt wird, kann DNA in das embryonale Gehirn injiziert werden und Strom wird angelegt, um die DNA in die umgebenden Zellen zu bringen. Abhängig von dem Versuch kann elektroporiertes Material verwendet werden, um entweder die Genexpression zu fördern oder zu verhindern, wodurch die Forscher die Auswirkungen der einzelnen Proteine an der Entwicklung des Gehirns untersuchen können.

Das explantierte Gewebe des Zentralnervensystems wird häufig verwendet, um die Zellmigration während der Entwicklung zu untersuchen. Diese Technik beinhaltet das Sezieren kleiner Stücke des Gehirns oder des Rückenmarks und deren Kultivierung in vitro. Ein großer Vorteil dieser Methode ist, dass das Gewebe für die Erfassung von Zellbewegungen über Zeitrafferaufnahmen sehr gut zugänglich ist. Zusätzlich können die Effekte von spezifischen Molekülen bei der Migration leicht in Explantaten durch die Anwendung von Wachstumsfaktoren oder pharmakologische Inhibitoren in das Kulturmedium untersucht werden.

Um die Moleküle zu untersuchen, die wesentlich für die Bildung

von neuronalen Netzen sind, kann die Immunhistochemie verwendet werden. Diese Technik nutzt den Vorteil der Spezifität von Antikörpern, um die Position von spezifischen Proteinen in Zellen und im Gewebe zu markieren. Die Visualisierung der Proteinlokalisation mittels Fluoreszenzmikroskopie kann Forschern helfen, Hypothesen darüber zu machen, wie diese Moleküle die Bildung und die Funktion von Strukturen wie der Synapse beeinflussen.

Da wir nun mit ein paar Ansätzen für das Studium der Entwicklungsneurowissenschaften vertraut sind, schauen wir uns die Anwendungen dieser Forschung in den heutigen Laboren an.

Ein Hauptziel der Untersuchung der Entwicklungsneurologie ist es, herauszufinden, wie die Zellidentität und die Morphologie ermittelt werden. Um die genetische Kontrolle der Neuronenentwicklung zu untersuchen, haben diese Forscher Gen-Knockdown-Konstrukte in das entwickelnde Hühnernervensystem mittels Elektroporation zugefügt. Die elektroporierten Neuronen im Neuralrohr wurden auch durch Farbstoffinjektion markiert, damit die Morphologie des Axons zwischen der Kontrolle und den genetisch veränderten Zellen verglichen werden konnte.

Um zu untersuchen wie Nervenzellen Verbindungen herstellen, kultivierten die Forscher Neuronen, die aus Rattenjungtieren extrahiert wurden. Nach mehreren Tagen in Kultur wurden die Zellen fixiert und mit Antikörper spezifisch für synaptische Proteine gefärbt, was eine Quantifizierung der Synapsenbildung unter mehreren experimentellen Bedingungen, wie die Überexpression eines Gens oder die Kultur im modifizierten Wachstumsmedium, ermöglicht.

Mit ihrem Wissen über das Programm, das die neuralen Entwicklung reguliert, können die heutigen Forscher nun frühe embryonale Zellen zwingen, wie z.B. Stammzellen, spezifische Differenzierungswege in vitro einzugehen. Diese Forscher behandelten menschliche Stammzellen mit dem Vitamin-A-Derivat, Retinsäure, was zu einer verringerten Expression von Transkriptionsfaktoren führte, das die Stammzellidentität erhält und zu einer erhöhte Expression von neuronalen Markern führte. Diese Technik bietet Forschern eine wertvolle Quelle für menschliche Nervenzellen für die Untersuchung der Mechanismen, die hinter neurologischen Erkrankungen stecken.

Das war die JoVE Einführung in die Entwicklungsneurowissenschaften. Dieses Video bespricht die historischen Höhepunkte, Schlüsselfragen, die von den Entwicklungsneurowissenschaftler gefragt werden und einige der Techniken, die sie verwenden. Danke für das Aufpassen!

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