细胞和分子神经科学导论

Neuroscience

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Summary

细胞和分子神经科学是在神经科学中最新和发展最快的分支学科之一。通过研究基因,信号分子,以及细胞形态的影响,该领域的研究人员发现了正常脑发育和功能的关键因素,以及许多病理状况的根本原因。

本视频介绍了细胞和分子神经科学的奇妙世界,先从具有里程碑意义的研究的年表开始,从1953年发现的DNA到最近的突破,如离子通道的克隆。接下来介绍了该领域的关键问题,如基因如何影响神经元活动,以及神经系统是如何被经验修饰的。这之后我们简要说明了用于分析神经元遗传物质,操纵基因的表达,和观察神经元及其部分的一些主要的方法。最后,我们呈现了分子和细胞神经科学的多个应用,演示细胞和分子生物学方法是如何可用于分析神经元群体,并探讨其功能的。

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JoVE Science Education Database. 神经科学的基本知识. 细胞和分子神经科学导论. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

无论是最简单的条件反射,还是最美妙的情感体验,其发生都源于大脑中的分子,遗传和细胞结构。

作为神经科学的最新领域之一,细胞和分子神经科学利用分子生物学来研究基因,信号分子和细胞形态是如何影响神经系统的。

本短片将展示该领域具有里程碑意义的发现,探讨细胞和分子神经科学研究中的关键问题,最后将介绍用于回答这些问题的一些主要方法。

首先,让我们先回顾一下这个相对年轻的领域的科学根源。

在有分子技术之前,解剖学家和细胞生物学家主导着神经学的早期历史。

然而,在20世纪30年代,物理学家,化学家和理论学家加入到生物学家的行列中,引起了分子水平上的革新,最终沃森和克里克发现了DNA的结构并确立了中心法则,它解释了DNA是如何编码作为细胞功能单位的蛋白质。神经科学家们有史以来第一次能够研究特定基因和蛋白质在神经系统功能中的作用。

例如,在20世纪60年代,西摩·本泽

将果蝇的行为改变与特定的基因突变相联系,并鉴定了在神经元中表达的控制行为,如运动的重要基因。

在同一时期,埃里克·坎德尔证明了如学习这样复杂的过程也具有分子基础。

利用海洋软体动物海兔,他分析了神经组织提取物,显示出细胞内的信号分子环磷酸腺苷在与学习相关的信号通路中起作用。

然后,在20世纪80年代,绍正作实验室的成员首次克隆了神经元功能的关键分子,如电压门控钠离子通道。之后对这些大型膜蛋白的功能结构域的分析加深了我们了解离子运动的控制是如何导致神经元发放。

神经元交流的分子机制的另一个重要的发现出现在1990年代。托马斯·聚德霍夫发现,钙离子能改变蛋白质的形状,这些蛋白质的作用是将充满神经递质的囊泡结合到细胞膜,这解释了动作电位是如何导致化学信号精确定时释放到突触内的。

分子神经科学的发现已经提高了我们对许多神经科学学科,包括从神经生理学到行为学的认识。

尽管历史硕果累累,但还有许多有待了解!让我们来看看在今天的实验室中想要回答的一些问题。

某些研究领域会想知道是哪些基因影响神经元的功能。例如,已经知道某些特定基因中的核苷酸扩增会导致几种神经元逐步退化的疾病,如亨廷顿氏病。

另一组被研究的基因编码转录因子:它是调控特定基因表达的蛋白质。鉴定神经系统特异性转录因子的靶DNA可以让我们更好的了解思考产生的遗传编程。

另外,神经科学家也许会问分子是如何调控神经元的行为。例如他们可能研究调节离子跨膜运动,导致动作电位传播的分子机制。这方面的研究成果带给了我们一些麻醉药物如利多卡因,它能阻断特定的离子通道并使疼痛信号无法传递到大脑。

此外,科学家还可能检测神经元之间相互作用的位点,就是所知的突触。这里他们可能会想知道什么分子与保持突触的完整性相关,以及在疾病状态下如何恢复这些连接。

神经元的可塑性是神经系统根据经验产生化学和物理适应的能力。

这个领域的有些研究主要集中在被称为树突的复杂神经结构的经验依赖的形态变化上。树突通过高度动态的结构形成突触,这种形式的突触被称为树突棘。

还有的研究人员对经验是如何改变神经递质受体在突触膜上的分布感兴趣。它可以增强突触的信号功率,这种现象被称为长时程增强LTP。

您可以看出,细胞和分子神经科学家是从微观角度研究神经生物学,但他们研究的范围是广阔的。

现在您已经熟悉了在细胞和分子神经科学实验室中会问到的一些振奋人心的问题,让我们来看看可以回答这些问题的方法。

首先,要研究神经元功能的基因调控,科学家们有一些非常强大的技术来使用。

例如,微阵列可同时量化大批基因的表达。微阵列的表面具有数以万计单链DNA“探针”小片段。从一个神经元中提取的遗传物质被用来与探针结合,使用荧光标记物可精确显示哪些序列存在于样品中。

另外,实时或定量PCR,可使用设备通过基于PCR的方法来间接测量特定mRNA转录物的相对含量。这种方法对检测单个基因的表达水平非常有用。

最后并且同样重要的是,转基因技术是研究神经系统中基因功能的重要工具。通过这种方法,研究人员可以得到去除了部分基因组的动物,这称为基因敲除,或将修饰后的基因插入到动物的遗传密码中,这被称为转基因。来自这些动物的神经系统组织可以通过各种方法来分析基因表达的变化是如何影响细胞功能的。

要研究神经信号的分子调控,研究人员通常更喜欢在体外研究动物的脑组织,可用小组织块或用被称为原代神经元培养物的体外生长的解离细胞。

该简化系统的一个优点是能通过转染有效地改变感兴趣的基因在神经细胞信号传导中的表达。然后,这些遗传操作的结果,可以通过蛋白质定位,细胞形态分析,或电生理记录观察到。

最后,成像技术的巨大进步使得科学家们能用激动人心的新方法来研究神经元的可塑性。

例如,研究人员可以使用双光子显微镜来观察活体组织的深层精细结构。在颅骨上开个“窗口”后,该技术可以对动物在一个实验的前后其脑细胞形态进行成像,这使得研究人员能够在神经元水平看到学习是怎样的。

成像工具也用于研究保存组织中的神经系统的分子组成。荧光显微镜常与免疫组化结合使用,其中样品被荧光抗体染色,这些荧光抗体可标记特定蛋白质的细胞定位。

在回顾了重要问题及用来回答它们的工具之后,让我们来看看细胞和分子神经科学研究的一些应用。

首先,通过将基因芯片技术应用到一小群神经元上,研究人员可以检测在特定的神经元亚型中各种基因的表达差异。这里,单个神经元被从视网膜中分离出来,提取细胞内的RNA,这使研究人员能够描绘出具有不同的功能和形态特征的细胞中的mRNA的表达情况。

分子技术还可以应用于更好地了解神经系统对损伤的反应。当背根神经节DRG,被从成年小鼠中取出以进行原代神经元的培养时,其轴突必定断裂。通过用基因沉默载体转染解离的DRG神经元,就有可能测试单个蛋白质在新轴突的再生过程中的效果。

特殊的成像技术可用于研究类似于神经递质的受体蛋白质是如何被输送到和运输出突触膜的。在这个实验中,培养的神经元细胞被用编码荧光标记的膜蛋白的基因转染。利用共聚焦显微镜,膜的小部分区域被光漂白,这意味着在这一区域的荧光基团被破坏了。在这里的漂白处理后,荧光的逐渐恢复FRAP,反映了新的荧光蛋白质被运输到质膜上。这个运动的发生速率可被量化并在许多实验条件下比较。

您刚观看的是JoVE对细胞和分子神经科学的介绍。本短片中,我们讨论了成就今天的细胞和分子神经科学领域的历史发现,该领域的一些关键问题,以及用来回答这些问题的技术。我们一如既往地感谢您观看JoVE的科学教育系列片。

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