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Introduzione alla neuroanatomia

Overview

La neuroanatomia è lo studio delle strutture del sistema nervoso e di come si relazionano alla funzione. Un obiettivo dei neuroanatomisti sono le strutture macroscopiche all'interno del sistema nervoso centrale e periferico, come le pieghe corticali sulla superficie del cervello. Tuttavia, gli scienziati in questo campo sono anche interessati alle relazioni microscopiche tra neuroni e glia - i due principali tipi di cellule del sistema nervoso.

Questo video fornisce una breve panoramica della storia della ricerca neuroanatomica, che risale al 4 ° secolo aC, quando i filosofi proposero per la prima volta che l'anima risiedesse nel cervello piuttosto che nel cuore. Vengono anche esaminate le domande chiave poste dai neuroanatomisti, inclusi argomenti come il ruolo che la citoarchitettura, o la disposizione dei neuroni e della glia, gioca nella funzione cerebrale; e come la neuroanatomia cambia a seguito dell'esperienza o della malattia. Successivamente, vengono descritti alcuni degli strumenti disponibili per rispondere a queste domande, come l'istologia e la risonanza magnetica. Infine, il video fornisce diverse applicazioni della ricerca neuroanatomica, dimostrando come il campo vive nei laboratori di neuroscienze di oggi.

Procedure

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Attraverso lo studio della neuroanatomia, gli scienziati tentano di disegnare una mappa per navigare nel complesso sistema che controlla il nostro comportamento. A livello microscopico, i neuroanatomisti studiano le relazioni tra le cellule segnalanti, note come neuroni; celle di mantenimento, note come glia; e la struttura della matrice extracellulare che li supporta. Da una visione più ampia, a livello di organi, la neuroanatomia esamina le strutture cerebrali e le vie nervose.

Questo video fornirà una panoramica della ricerca neuroanatomica introducendo la storia del campo, le domande chiave poste dai neuroanatomisti e gli strumenti disponibili per rispondere a tali domande, seguita da una revisione di alcuni esperimenti specifici che indagano la neuroanatomia.

Iniziamo rivedendo la storia di questa branca delle neuroscienze. Le radici della ricerca neuroanatomica possono essere fatte risalire al 4 ° secolo aC, quando Ippocrate ipotizzò che l'attività mentale risiedesse nel cervello, piuttosto che nel cuore.

Ma non fu fino alla fine del 15 ° secolo, quando Papa Sisto IV destigmatizzò la dissezione umana, che lo studio della neuroanatomia fu rivitalizzato, come riflesso dalla pubblicazione nel 1543 di "Sul funzionamento del corpo umano" di Andreas Vesalius, che includeva un resoconto dettagliato dell'anatomia del cervello.

Espandendo questo lavoro, nel 1664, Thomas Willis pubblicò "Anatomia del cervello", in cui introdusse diverse nuove strutture neurologiche e speculò sulla loro funzione. Questo lavoro è ora considerato il fondamento della moderna neuroanatomia.

Alla fine del 16 ° secolo, l'invenzione del microscopio ha stimolato una seconda rivoluzione nella ricerca neuroanatomica. In seguito a questa svolta tecnologica, nel 1873, Camillo Golgi inventò una tecnica di colorazione per visualizzare i singoli neuroni al microscopio.

Grazie a queste innovazioni, nel 1888, Santiago Ramón y Cajal formulò la Dottrina dei neuroni: l'idea che l'unità anatomica e funzionale del cervello sia il neurone.

Tornato a livello macroscopico, nel 1909, Korbinian Brodmann pubblicò una serie di mappe cerebrali, in cui divise la corteccia cerebrale in 52 aree distinte, denominate "aree di Brodmann". Queste mappe erano basate sulla sua osservazione che varie aree corticali hanno citoarchitettura diversa.

Più tardi, nel 1957, Wilder Penfield e Theodore Rasmussen generano l'homunculus corticale: una mappa più dettagliata di alcune aree di Brodmann che mostra le regioni che controllano specifiche funzioni motorie e sensoriali.

Basandosi su questi impressionanti studi storici sulla struttura del sistema nervoso a livello microscopico e macroscopico, i neuroanatomisti di oggi si pongono domande su come la struttura si relaziona alla funzione. Per cominciare, alcuni ricercatori si concentrano specificamente sulla citoarchitettura, o sulla disposizione di neuroni e glia. Ad esempio, per studiare nuclei specifici o cluster di neuroni nel cervello, è utile caratterizzare i sottotipi neuronali trovati lì e le connessioni che quelle cellule fanno con altre regioni del cervello.

Dato che la citoarchitettura è dinamica, un'altra domanda chiave in questo campo si concentra su come e perché avvengono i cambiamenti neuroanatomici.

Ad esempio, l'apprendimento e la memoria sono associati alla "neuroplasticità" o ai cambiamenti nei percorsi neurali, come le alterazioni nei punti di contatto strutturali tra i neuroni. Piccole sporgenze, chiamate spine dendritiche, possono cambiare dinamicamente in dimensioni, forma e numero in modo dipendente dall'attività.

Comprendere la struttura del sistema nervoso è anche fondamentale per spiegare la sua disfunzione.

Ad esempio, le malattie neurodegenerative debilitanti sono associate a cambiamenti neuroanatomici caratteristici, come la degenerazione dei neuroni dopaminergici osservata nella malattia di Parkinson.

Dopo aver discusso le domande chiave che i neuroanatomisti pongono, esaminiamo gli strumenti che questi scienziati usano per trovare risposte.

In primo luogo, l'istologia, o l'analisi di fette di tessuto colorato, è una tecnica essenziale per lo studio della citoarchitettura.

I neuroanatomisti hanno una serie di macchie a loro disposizione per visualizzare strutture specifiche nel sistema nervoso.

L'istochimica è una branca dell'istologia basata sulla localizzazione e l'identificazione di componenti chimici. Un'applicazione particolarmente preziosa dell'istochimica è il rilevamento di traccianti: molecole che vengono introdotte nei neuroni per visualizzare le loro connessioni all'interno del sistema nervoso.

Come accennato in precedenza, l'avvento del microscopio ha rivoluzionato il modo in cui è stata studiata la neuroanatomia. Il microscopio ottico consente di immaginare il tessuto neuronale istologicamente colorato fino a mille volte le sue dimensioni originali, rivelando così la citoarchitettura. Il microscopio ottico a fluorescenza consente di visualizzare le proteine immunomarcate nelle sezioni di tessuto o in coltura e consente studi di colocalizzazione, che comportano la determinazione se due proteine sono o meno in stretta vicinanza all'interno di un singolo neurone.

L'imaging confocale è un metodo migliorato di microscopia a fluorescenza che consente il sezionamento ottico del tessuto neuronale e può quindi essere utilizzato per generare ricostruzioni 3D dei neuroni in modo che la loro morfologia, o forma, possa essere studiata.

L'imaging a 2 fotoni è un altro tipo di imaging a fluorescenza, che può penetrare profondamente nei tessuti ed è spesso utilizzato per l'imaging dal vivo del cervello negli animali che si comportano.

Tuttavia, nessun fotone può penetrare come un elettrone, quindi la microscopia elettronica è stata preziosa per fornire la risoluzione subnanometrica delle strutture neuronali. In particolare, la sinapsi è stata visualizzata con dettagli squisiti utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione. Inoltre, compilando le immagini ottenute da sezioni seriali visualizzate al microscopio elettronico, è possibile generare ricostruzioni 3D di "volumi" neuronali tramite un processo noto come tomografia.

Per monitorare i cambiamenti nelle strutture neuroanatomiche nel tempo, il neuroimaging è uno strumento estremamente utile. La risonanza magnetica, o MRI, è ampiamente utilizzata per studiare il cervello negli esseri umani. Questa tecnica fornisce un'immagine del cervello nel suo complesso, fino a una risoluzione di 1 mm. La risonanza magnetica può essere utilizzata per indagare la sostanza bianca attraverso la trattografia. Con questa tecnica, i neuroanatomisti visualizzano fasci di assoni, rivelando connessioni tra e all'interno delle aree cerebrali.

Al fine di valutare i correlati tra neuroanatomia e stati patologici, gli scienziati fanno spesso uso di tecniche chirurgiche applicate a modelli animali. La chirurgia stereotassica utilizza un sistema di coordinate tridimensionali e atlanti anatomici dettagliati per consentire ai ricercatori di manipolare fisicamente aree anatomiche isolate. Con un apparato stereotassico e le informazioni anatomiche appropriate, è possibile fornire stimolazione elettrica, introdurre farmaci o altre sostanze o creare lesioni in regioni mirate del cervello.

Successivamente, esaminiamo alcune applicazioni di questi metodi. Informazioni dettagliate sulla struttura del cervello possono essere ottenute attraverso l'analisi di cervelli conservati che sono sottilmente tagliati in sezioni. Per evidenziare caratteristiche strutturali distinte, queste sezioni del cervello dei primati sono state colorate per mostrare l'espressione di tre proteine in tutto il cervello. Le sezioni colorate possono anche essere studiate ad alto ingrandimento, consentendo ai ricercatori di visualizzare la struttura a livello cellulare.

L'esperienza può modificare la struttura neuronale a livello cellulare. In questo esperimento, i giovani ratti sono esposti a stimoli tattili durante lo sviluppo. Quando raggiungono l'età adulta, i campioni di cervello vengono raccolti e colorati per visualizzare la morfologia cellulare. Le immagini risultanti rivelano cambiamenti nella forma e nel numero di dendriti, suggerendo una connettività neuronale alterata.

La neuroanatomia è fondamentale in ambito clinico, in quanto contribuisce alla diagnosi e al trattamento delle malattie neurologiche e psichiatriche. Ad esempio, i cambiamenti nella citoarchitettura sono strettamente legati a determinati stati patologici. Le tecniche di neuroimaging strutturale sono spesso combinate con l'imaging funzionale per confrontare l'attività di specifiche regioni del cervello in stati normali e patologici. Ad esempio, i pazienti affetti da commozione cerebrale mostrano cambiamenti nei modelli di attività neurale, che sono correlati al loro recupero dalla lesione.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE alla neuroanatomia. In questo video, abbiamo ripercorso la storia della ricerca sulla neuroanatomia e introdotto le domande chiave poste dai neuroanatomisti. Abbiamo anche esplorato le strategie di ricerca a livello microscopico e macroscopico e discusso le loro applicazioni.

Grazie per l'attenzione!

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