Uma Introdução à Neuronatomia

Através do estudo da neuroanação, os cientistas tentam desenhar um mapa para navegar no complexo sistema que controla nosso comportamento. No nível microscópico, os neuroanatomistas investigam as relações entre as células de sinalização, conhecidas como neurônios; células de manutenção, conhecidas como glia; e a estrutura de matriz extracelular que os sustenta. De uma visão mais ampla, no nível dos órgãos, a neuronatomia examina estruturas cerebrais e vias nervosas.

Este vídeo fornecerá uma visão geral da pesquisa neuroanatomética introduzindo a história do campo, as principais perguntas feitas pelos neuroanatomistas e as ferramentas disponíveis para responder a essas perguntas, seguidas de uma revisão de alguns experimentos específicos que investigam a neuronatomia.

Vamos começar revendo a história deste ramo da neurociência. As raízes da pesquisa neuroanatomética podem ser traçadas desde o século IV a.C., quando Hipócrates hipóteseram que a atividade mental reside no cérebro, em vez do coração.

Mas foi só no final do século XV, quando o Papa Sistigmatizado dissecção humana, que o estudo da neuroananato foi revitalizado, como refletido pela publicação em 1543 de "Sobre o Funcionamento do Corpo Humano", de Andreas Vesalius, que incluiu um relato detalhado da anatomia cerebral.

Expandindo este trabalho, em 1664, Thomas Willis publicou a "Anatomia do Cérebro", na qual introduziu várias novas estruturas neurológicas e especulou sobre sua função. Este trabalho é agora considerado a base da neuronatomia moderna.

No final do século XVI, a invenção do microscópio estimulou uma segunda revolução na pesquisa neuroanatomética. Seguindo esse avanço tecnológico, em 1873, Camillo Golgi inventou uma técnica de coloração para visualizar neurônios únicos sob o microscópio.

Graças a essas inovações, em 1888, Santiago Ramón y Cajal formulou a Doutrina do Neurônio: a ideia de que a unidade anatômica e funcional do cérebro é o neurônio.

De volta ao nível macroscópico, em 1909, Korbinian Brodmann publicou uma série de mapas cerebrais, onde dividiu o córtex cerebral em 52 áreas distintas, denominadas "áreas de Brodmann". Estes mapas foram baseados em sua observação de que várias áreas corticais têm diferentes citoarquitestura.

Mais tarde, em 1957, Wilder Penfield e Theodore Rasmussen geraram o homúnculo cortical: um mapa mais detalhado de uma área seleto de Brodmann mostrando as regiões que controlam funções motoras e sensoriais específicas.

Com base nesses impressionantes estudos históricos da estrutura do sistema nervoso nos níveis microscópico e macroscópico, os neuroanatomistas de hoje fazem perguntas sobre como a estrutura se relaciona com o funcionamento. Para começar, alguns pesquisadores se concentram especificamente na citoarquitetura, ou no arranjo de neurônios e glia. Por exemplo, para investigar núcleos específicos, ou aglomerados de neurônios no cérebro, é útil caracterizar os subtipos neuronais encontrados lá e as conexões que essas células fazem com outras regiões cerebrais.

Dado que a citoarquitetura é dinâmica, outra questão-chave neste campo se concentra em como e por que as mudanças neuroanatomômicas ocorrem.

Por exemplo, o aprendizado e a memória estão associados à "neuroplasticidade", ou mudanças nas vias neurais, como alterações nos pontos de contato estruturais entre os neurônios. Pequenas saliências, chamadas espinhas dendríticas, podem mudar dinamicamente em tamanho, forma e número de forma dependente da atividade.

Entender a estrutura do sistema nervoso também é fundamental para explicar sua disfunção.

Por exemplo, doenças neurodegenerativas debilitantes estão associadas a alterações neuroanatomômicas características, como a degeneração de neurônios dopaminérgicos observados na doença de Parkinson.

Tendo discutido as principais perguntas que os neuroanatomistas fazem, vamos rever as ferramentas que esses cientistas usam para encontrar respostas.

Primeiro, a histologia, ou a análise de fatias de tecido manchado, é uma técnica essencial para estudar a citoarquitetura.

Neuroanatomistas têm uma série de manchas à sua disposição para visualizar estruturas específicas no sistema nervoso.

Histoquímica é um ramo da histologia baseado na localização e identificação de componentes químicos. Uma aplicação particularmente valiosa da histoquímica é a detecção de rastreadores: moléculas que são introduzidas nos neurônios para visualizar suas conexões dentro do sistema nervoso.

Como mencionamos anteriormente, o advento do microscópio revolucionou a forma como a neuronatomia foi estudada. O microscópio leve permite que o tecido neuronal histologicamente manchado seja imageado em até mil vezes o seu tamanho original, revelando assim a citoarquitetura. O microscópio leve de fluorescência permite que proteínas imunolabeled sejam imagens em seções teciduais, ou na cultura, e permite estudos de colocalização, que envolvem determinar se duas proteínas estão ou não próximas dentro de um único neurônio.

A imagem confocal é um método aprimorado de microscopia de fluorescência que permite a secção óptica do tecido neuronal e, portanto, pode ser usado para gerar reconstruções 3D de neurônios para que sua morfologia, ou forma, possa ser estudada.

A imagem de 2 fótons é outro tipo de imagem de fluorescência, que pode penetrar profundamente no tecido e é frequentemente usada para imagens vivas do cérebro no comportamento de animais.

No entanto, nenhum fóton pode penetrar como um elétron, então a microscopia eletrônica tem sido inestimável para fornecer resolução subnanômetro de estruturas neuronais. Em particular, a sinapse foi visualizada em detalhes requintados usando microscopia eletrônica de transmissão. Além disso, ao compilar as imagens obtidas a partir de seções seriais visualizadas com microscopia eletrônica, reconstruções 3D de "volumes" neuronais podem ser geradas através de um processo conhecido como tomografia.

Para monitorar mudanças nas estruturas neuroanatomológicas ao longo do tempo, a neuroimagem é uma ferramenta extremamente útil. A ressonância magnética, ou ressonância magnética, é extensivamente usada para investigar o cérebro em humanos. Esta técnica fornece uma imagem do cérebro como um todo, até uma resolução de 1 mm. A ressonância magnética pode ser usada para investigar matéria branca através da tractografia. Com essa técnica, os neuroanatomistas visualizam feixes de axônios, revelando conexões entre, e dentro, áreas cerebrais.

Para avaliar as correlações entre os estados de neuroanação e doenças, os cientistas frequentemente fazem uso de técnicas cirúrgicas aplicadas a modelos animais. A cirurgia estereotática usa um sistema de coordenadas tridimensional e atlas anatômicos detalhados para permitir que os pesquisadores manipulem fisicamente áreas anatômicas isoladas. Com um aparelho estereotático e as informações anatômicas apropriadas, é possível fornecer estimulação elétrica, introduzir drogas ou outras substâncias, ou criar lesões em regiões-alvo do cérebro.

Em seguida, vamos rever algumas aplicações desses métodos. Informações detalhadas sobre a estrutura cerebral podem ser obtidas através da análise de cérebros preservados que são finamente cortados em seções. Para destacar características estruturais distintas, estas seções do cérebro de primatas foram manchadas para mostrar a expressão de três proteínas em todo o cérebro. Seções manchadas também podem ser estudadas em alta ampliação, permitindo que os pesquisadores visualizem a estrutura no nível celular.

A experiência pode modificar a estrutura neuronal no nível celular. Neste experimento, ratos jovens são expostos a estímulos táteis durante todo o desenvolvimento. Quando chegam à idade adulta, amostras cerebrais são coletadas e manchadas para visualizar a morfologia celular. As imagens resultantes revelam mudanças na forma e no número de dendritos, sugerindo conectividade neuronal alterada.

A neuronatomia é fundamental nos ambientes clínicos, pois contribui para o diagnóstico e tratamento de doenças neurológicas e psiquiátricas. Por exemplo, mudanças na citoarquitetura estão fortemente ligadas a certos estados da doença. Técnicas estruturais de neuroimagem são frequentemente combinadas com imagens funcionais para comparar a atividade de regiões cerebrais específicas em estados normais e de doenças. Por exemplo, pacientes que sofrem de concussão apresentam alterações nos padrões de atividade neural, que se correlacionam com sua recuperação da lesão.

Você acabou de assistir a introdução de JoVE à neuronatomia. Neste vídeo, refazímos a história da pesquisa de neuronatomia e introduzimos as principais perguntas que os neuroanatomistas fazem. Também exploramos estratégias de pesquisa nos níveis microscópico e macroscópico, e discutimos suas aplicações.

Obrigado por assistir!