Gelişimsel Nörobiyolojiye Giriş

Gelişimsel nörobiyoloji, birkaç erken embriyonik hücrenin tüm bir organizmayı kontrol eden karmaşık bir şekilde organize olmuş bir sinir sistemine nasıl dönüştüğünü inceler.

Bu alandaki bilim insanları, hücrelerin nasıl belirli kimlikler kazandığı, tanımlanmış bölgelere nasıl göç ettiği ve fonksiyonel bir sistem oluşturmak için nasıl bağlandığıyla ilgilenirler. Bu süreçler, hem sinir sisteminin nasıl çalıştığını anlamak hem de anormal gelişime dayalı geniş bir nörolojik hastalık yelpazesinin teşhisi ve tedavisi için önemlidir.

Bu video sizi gelişimsel nörobiyolojinin tarihine kısa bir yolculuğa çıkaracak, alandaki temel soruları özetleyecek ve bu soruları yanıtlamak için kullanılan önde gelen yöntemleri inceleyecektir. Son olarak, nörogelişimsel araştırmaların bazı pratik uygulamılarına göz atacağız.

Gelişimsel nörobiyoloji tarihinden bazı dönüm noktası niteliğindeki çalışmalarla başlayalım.

Erken nörogelişimsel araştırmalar 19. yüzyıla kadar uzanır. 1880'lerde Wilhelm His, histogenez veya dokuların embriyonik kökenleri üzerine çalışmaları başlatmıştır. Kendisi, gelişmekte olan nöronların aksonlar ve dendritler gibi uzantılar geliştirmesini gözlemleyen ilk kişilerden biriydi.

1924 yılında embriyologlar Hans Spemann ve Hilde Mangold, Spemann organizatörü olarak bilinen bir hücre kümesinin işlevini incelediler. Organizatörün başka bir embriyoya nakledilmesinin, sekonder nöral doku oluşumunu tetiklediğini buldular.

Ardından 1950'lerde, Rita Levi-Montalcini ve Stanley Cohen, tümör parçalarının gelişmekte olan tavuk embriyolarına nakledilmesinin hızlı nöron büyümesine yol açtığını gözlemlediler. Tümörün bu büyümeye neden olan bir madde salgıladığını tahmin ettiler ve kısa süre sonra bu proteinin, nöron sağkalımı için gerekli olan sinir büyüme faktörü veya NGF olduğunu belirlediler.

Bir başka nakil çalışmasında Nicole Le Douarin, civciv embriyolarının bazı bölümlerini bıldırcın embriyolarından alınanlarla değiştirdi. Gelişim boyunca bıldırcın hücrelerini takip ederek, nöral krest olarak bilinen yüksek göç kapasitesine sahip bir hücre grubunun, olgun periferik sinirleri oluşturduğunu gösterdi.

Birkaç yıl sonra Pasko Rakic, merkezi sinir sistemi hücrelerinin gelişim sırasında kendilerini nasıl yüksek derecede düzenli yapılara yerleştirdiklerini inceledi. Rakic, gelişmekte olan fetüslerdeki bölünen hücreleri radyoaktif nükleotidlerle işaretleyerek, beyin hücrelerinin ne zaman doğduğunu ve olgun beyindeki nihai konumlarının neresi olduğunu belirledi.

20. yüzyılın son on yıllarında, sinir sistemi gelişimini yönlendiren hücresel ve moleküler sinyallere odaklanan yeni bir araştırma dönemi ortaya çıktı.

Örneğin, 90'ların ortalarında Tom Jessell, gen ekspresyonunun kontrolüne yardımcı olan belirli transkripsiyon faktörlerinin, gelişmekte olan fare omuriliğinde nöronların benzersiz alt tiplerinin gelişimini etkilediğini gösterdi. Bu çalışmanın ardından, günümüz araştırmacıları hala nöral gelişimi kontrol eden yeni genleri tanımlamaya devam etmektedirler.

Birkaç tarihsel gelişmeye göz attığımıza göre, artık modern gelişimsel nörobiyolojideki bazı temel soruları inceleyelim.

Pek çok araştırmacı, sinir sistemi hücrelerinin patern oluşumunu ve kader belirlemesini çalışmaktadır. Örneğin, erken evre kök hücrelerin ya nöronlara ya da sinir sisteminin destek hücreleri olan glia hücrelerine farklılaşmasını yönlendiren genetik programlama ile ilgilenirler. Ayrıca, bir hücre sınıfı içindeki daha özelleşmiş kimlikleri veya belirli konumlardaki kimlikleri etkileyen salgılanmış sinyalleri de araştırabilirler.

Bir diğer önemli odak noktası, gelişmekte olan nöronların ve glia hücrelerinin kendilerini nasıl organize edebildikleri ve olgun sinir sistemini nasıl oluşturduklarıdır. Bazı araştırmacılar, kökenlerinden fonksiyon gördükleri bölgeye göç eden hücrelerinle ilgili hücre iskeleti dinamiklerini çalışmaktadır. Diğerleri ise hücre dışı ortamdan gelen sinyallerin göç davranışını nasıl etkilediğiyle ilgilenmektedir.

Gelişimsel nörobilimciler ayrıca, hücreler arasındaki bağlantıların gelişim sürecinde nasıl oluştuğunu ve nasıl rafine edildiğini değerlendirirler. Bazı çalışmalar, dış uyaranları algılayan ve gelişmekte olan aksonları veya nöritleri hedef hücrelerine yönlendiren hücre yüzeyi proteinleri olan akson yönlendirme reseptörlerinin fonksiyonuna odaklanmaktadır. Bir diğer odak noktası ise hücreler arasında yeni sinyal bağlantılarının veya sinapsların oluşumu olan sinaptogenezde yer alan fiziksel ve kimyasal bağlantıların incelenmesidir.

Şimdi, bu nörogelişimsel soruların bazılarını yanıtlamak için kullanılan birkaç önde gelen yönteme göz atalım.

Hücre kimliğinin ve sinir sistemi desenlemesinin genetik kontrolünü incelemek için, gelişmekte olan embriyolarda belirli genlerin ekspresyonunu manipüle etmek faydalıdır. Popüler yöntemlerden biri, ekzojen DNA'nın gelişmekte olan kemirgenlerin beynine iletildiği in utero elektroporasyondur. Anestezili, hamile bir farenin uterusu açığa çıkarılarak, embriyonik beyinlere DNA enjekte edilebilir ve DNA'nın çevre hücrelere girmesini sağlamak için elektrik akımı uygulanabilir. Deneye bağlı olarak, elektropore edilen materyal ya gen ekspresyonunu teşvik etmek ya da bunu önlemek için kullanılabilir; bu da araştırmacıların tekil proteinlerin beyin gelişimi üzerindeki etkilerini incelemelerine olanak tanır.

Gelişim sırasındaki hücre migrasyonunu incelemek için yaygın olarak eksplantasyonla elde edilmiş merkezi sinir sistemi dokusu kullanılır. Bu teknik, beyin veya spinal korddan küçük parçaların disekte edilmesini ve bunların in vitro kültürlenmesini içerir. Bu yaklaşımın temel avantajı, dokunun zamanlaşmış görüntüleme (time-lapse imaging) yoluyla hücre hareketlerini yakalamak için oldukça erişilebilir olmasıdır. Ek olarak, belirli moleküllerin migrasyon üzerindeki etkileri, kültür ortamına büyüme faktörleri veya farmakolojik inhibitörler uygulanarak eksplantlar üzerinde kolayca çalışılabilir.

Nöronal ağların oluşumu için gerekli olan molekülleri incelemek amacıyla immünohistokimya kullanılabilir. Bu teknik, hücrelerde ve dokularda belirli proteinlerin konumlarını işaretlemek için antikorların özgüllüğünden yararlanır. Protein lokalizasyonunun floresan mikroskopi ile görselleştirilmesi, araştırmacıların bu moleküllerin sinaps gibi yapıların oluşumu ve işlevi üzerindeki etkilerine dair hipotezler kurmalarına yardımcı olabilir.

Gelişimsel nörobiyolojiyi incelemeye yönelik bazı yaklaşımlarla tanıştığınıza göre, artık bu araştırmaların günümüz laboratuvarlarındaki uygulamalarına bakalım.

Nörogelişim çalışmalarının temel amaçlarından biri, hücre kimliğinin ve morfolojisinin nasıl belirlendiğini ortaya çıkarmaktır. Nöron gelişiminin genetik kontrolünü incelemek için, bu araştırmacılar elektroporasyon yoluyla gelişmekte olan civciv sinir sistemine gen susturma konstrüktları aktarmışlardır. Nöral tüp içindeki elektropore edilmiş nöronlar, akson morfolojisinin kontrol ve genetik olarak değiştirilmiş hücreler arasında karşılaştırılabilmesi için boya enjeksiyonu ile işaretlenmiştir.

Nöronların bağlantıları nasıl kurduğunu incelemek için, bu araştırmacılar genç sıçan yavrularından izole edilen nöronları kültüre etmişlerdir. Birkaç günlük kültür süresinin ardından hücreler fikse edilmiş ve sinaptik proteinlere özgü antikorlarla boyanmıştır; bu sayede gen aşırı ekspresyonu veya modifiye edilmiş büyüme ortamında kültürleme gibi çoklu deneysel koşullar altında sinaps oluşumunun kantifikasyonu sağlanmıştır.

Nöral gelişimi yönlendiren program hakkındaki bilgilerini kullanan günümüz araştırmacıları, artık kök hücreler gibi erken embriyonik hücreleri in vitro olarak belirli diferansiyasyon yollarına zorlayabilmektedir. Bu araştırmacılar, insan kök hücrelerini A vitamini türevi olan retinoik asit ile işleme tabi tutmuşlar; bu işlem, kök hücre kimliğini koruyan transkripsiyon faktörlerinin ekspresyonunda azalmaya ve nöronal belirteçlerin ekspresyonunda artışa neden olmuştur. Bu teknik, nörolojik hastalıkların arkasındaki mekanizmaların araştırılması için araştırmacılara değerli bir insan nöron kaynağı sağlamaktadır.

JoVE'nin gelişimsel nörobilime giriş videosunu izlediniz. Bu videoda tarihsel önemli gelişmeler, gelişimsel nörobilimcilerin sorduğu temel sorular ve kullandıkları bazı teknikler gözden geçirildi.

İzlediğiniz için teşekkürler!