Neuromorphologie - Neuromorphology
Neuromorphologie (von griechisch νεῦρον, Neuron, „Nerv“; μορφή, morphé, „Form“; -λογία, -logia, „Studie von“) ist das Studium der Form, Form und Struktur des Nervensystems . Die Studie beinhaltet die Betrachtung eines bestimmten Teils des Nervensystems auf molekularer und zellulärer Ebene und deren Verbindung mit einem physiologischen und anatomischen Standpunkt. Das Feld erforscht auch die Kommunikationen und Interaktionen innerhalb und zwischen den einzelnen spezialisierten Abschnitten des Nervensystems. Morphologie unterscheidet sich von Morphogenese . Morphologie ist das Studium der Form und Struktur biologischer Organismen, während Morphogenese das Studium der biologischen Entwicklung der Form und Struktur von Organismen ist. Daher konzentriert sich die Neuromorphologie auf die Besonderheiten der Struktur des Nervensystems und nicht auf den Prozess, durch den die Struktur entwickelt wurde. Neuromorphologie und Morphogenese sind zwar zwei verschiedene Entitäten, aber dennoch eng miteinander verbunden.
Geschichte
Fortschritte bei der Definition der Morphologie von Nervenzellen waren in ihrer Entwicklung langsam. Nach der Annahme der Zelle als Grundeinheit des Lebens dauerte es fast ein Jahrhundert, bis sich die Forscher auf die Form eines Neurons einigen konnten . Es wurde ursprünglich angenommen, dass es sich um ein unabhängiges kugelförmiges Korpuskel handelt, das entlang von Nervenfasern aufgehängt ist, die sich schlingen und winden. Erst mit der ersten erfolgreichen Mikrodissektion einer ganzen Nervenzelle durch Otto Deiters im Jahr 1865 konnten die einzelnen Dendriten und Axone unterschieden werden. Ende des 19. Jahrhunderts wurden neue Techniken wie die Methode von Golgi entwickelt, die es den Forschern ermöglichten, das gesamte Neuron zu betrachten. Diese Golgi-Untersuchung förderte dann 1911 neue Forschungen zu neuronalen Abständen durch Ramon y Cajal . Weitere morphologische Forschungen entwickelten sich weiter, einschließlich der dendritischen Morphologie. 1983 erweiterten Thoroya Abdel-Maguid und David Bowsher die Golgi-Methode und kombinierten sie mit einer Imprägnierungstechnik, die es ihnen ermöglichte, die Dendriten von Neuronen zu visualisieren und sie anhand ihrer dendritischen Muster zu klassifizieren. Seitdem wurden unzählige Techniken entwickelt und auf dem Gebiet der Neuromorphologie angewendet.
Einfluss auf die Neuronenfunktion
Die Forschung hat eine Beziehung zwischen den morphologischen und funktionellen Eigenschaften von Neuronen gestützt. Zum Beispiel wurde die Übereinstimmung zwischen der Morphologie und den funktionellen Klassen von retinalen Ganglienzellen der Katze untersucht, um die Beziehung zwischen Neuronenform und -funktion zu zeigen. Orientierungsempfindlichkeit und dendritische Verzweigungsmuster sind einige andere allgemeine Merkmale von Neuronen, von denen Forscher festgestellt haben, dass sie einen Einfluss auf die Neuronenfunktion haben. Ian A. Meinertzhagenet al. haben kürzlich einen Zusammenhang zwischen den genetischen Faktoren, die einer bestimmten neuronalen Struktur zugrunde liegen, und deren Bedeutung für die Funktion des Neurons festgestellt, indem sie die Sehnerven bei Drosophila melanogaster untersucht haben . Sie behaupten, dass die Struktur des Neurons in der Lage ist, seine Funktion zu bestimmen, indem es die Synapsenbildung diktiert.
Die Geometrie von Neuronen hängt oft vom Zelltyp und der Geschichte der empfangenen Reize ab, die durch die Synapsen verarbeitet werden. Die Form eines Neurons steuert oft die Funktion des Neurons, indem es seine synaptischen Partnerschaften herstellt. Es gibt jedoch auch immer mehr Hinweise auf die Volumenübertragung , einen Prozess, bei dem elektrochemische Wechselwirkungen von der gesamten Zellmembran ausgehen .
Die axonale Baummorphologie ist bei der Aktivitätsmodulation und Informationscodierung von entscheidender Bedeutung.
Entwicklung
Die Entwicklung der morphologischen Merkmale von Neuronen wird sowohl von intrinsischen als auch von extrinsischen Faktoren bestimmt. Die Neuromorphologie des Nervengewebes hängt von Genen und anderen Faktoren wie elektrischen Feldern , Ionenwellen und Schwerkraft ab . Die Entwicklung von Zellen erlegt einander zusätzlich geometrische und physikalische Beschränkungen auf. Diese Interaktionen beeinflussen die neurale Form und Synaptogenese . Morphologische Maßnahmen und bildgebende Anwendungen sind wichtig für das weitere Verständnis des Entwicklungsprozesses.
Unterfelder
Allgemeine Morphologie
Da es eine breite Palette von Funktionen gibt, die von verschiedenen Neuronentypen in verschiedenen Teilen des Nervensystems ausgeführt werden, gibt es eine große Vielfalt in Größe, Form und elektrochemischen Eigenschaften von Neuronen. Neuronen können in verschiedenen Formen und Größen gefunden werden und können basierend auf ihrer Morphologie klassifiziert werden. Der italienische Wissenschaftler Camillo Golgi gruppierte Neuronen in Typ-I- und Typ-II-Zellen. Golgi-I- Neuronen haben lange Axone, die Signale über lange Distanzen übertragen können, wie beispielsweise in Purkinje-Zellen , während Golgi-II- Neuronen im Allgemeinen kürzere Axone haben, wie beispielsweise Körnerzellen , oder anoxonisch sind.
Neuronen können morphologisch als unipolar , bipolar oder multipolar charakterisiert werden . Unipolare und pseudounipolare Zellen haben nur einen Fortsatz , der vom Zellkörper ausgeht. Bipolare Zellen haben zwei Fortsätze, die sich vom Zellkörper aus erstrecken, und multipolare Zellen haben drei oder mehr Fortsätze, die sich zum Zellkörper hin und von diesem weg erstrecken.
Theoretische Neuromorphologie
Theoretische Neuromorphologie ist ein Zweig der Neuromorphologie, der sich auf die mathematische Beschreibung der Form, Struktur und Konnektivität des Nervensystems konzentriert.
Gravitationsneuromorphologie
Die Gravitationsneuromorphologie untersucht die Auswirkungen einer veränderten Schwerkraft auf die Architektur des zentralen , peripheren und autonomen Nervensystems . Dieses Teilgebiet zielt darauf ab, das aktuelle Verständnis der adaptiven Fähigkeiten von Nervensystemen zu erweitern und untersucht insbesondere, wie Umwelteinflüsse die Struktur und Funktion des Nervensystems verändern können. In diesem Fall umfassen Umweltmanipulationen im Allgemeinen das Aussetzen von Neuronen entweder der Hypergravitation oder der Mikrogravitation . Es ist eine Teilmenge der Gravitationsbiologie .
Forschungsmethoden und -techniken
Eine Vielzahl von Techniken wurde verwendet, um die Neuromorphologie zu untersuchen, einschließlich konfokaler Mikroskopie , designbasierter Stereologie , Neuronenverfolgung und Neuronenrekonstruktion. Aktuelle Innovationen und zukünftige Forschungen umfassen virtuelle Mikroskopie , automatisierte Stereologie, kortikale Kartierung , kartengesteuertes automatisiertes Neuronen-Tracing , Mikrowellentechniken und Netzwerkanalyse. Von den derzeit verwendeten Techniken zum Studium der Neuromorphologie sind die designbasierte Stereologie und die konfokale Mikroskopie die beiden am meisten bevorzugten Methoden. Es existiert auch eine vollständige Datenbank der neuronalen Morphologie, die NeuroMorpho-Datenbank.
Designbasierte Stereologie
Designbasierte Stereologie ist eine der bekanntesten Methoden, um eine 3D-Form aus einer gegebenen 2D-Form mathematisch zu extrapolieren. Es ist derzeit die führende Technik in der biomedizinischen Forschung zur Analyse von 3-D-Strukturen. Designbasierte Stereologie ist eine neuere Stereologietechnik, die eine vordefinierte und entworfene Morphologie untersucht. Diese Technik steht im Gegensatz zu der älteren Methode, der modellbasierten Stereologie, bei der zuvor bestimmte Modelle als Richtlinie verwendet wurden. Die aktuellere designbasierte Stereologie ermöglicht es Forschern, die Morphologie von Neuronen zu untersuchen, ohne Annahmen über ihre Größe, Form, Ausrichtung oder Verteilung treffen zu müssen. Designbasierte Stereologie gibt Forschern auch mehr Freiheit und Flexibilität, da modellbasierte Stereologie nur dann effektiv ist, wenn die Modelle wirklich repräsentativ für das untersuchte Objekt sind, während designbasierte Stereologie nicht auf diese Weise eingeschränkt wird.
Konfokale Mikroskopie
Die konfokale Mikroskopie ist das mikroskopische Verfahren der Wahl zur Untersuchung von Neuronenstrukturen, da sie scharfe Bilder mit verbesserter Auflösung und verringertem Signal-Rausch-Verhältnis liefert . Die spezifische Funktionsweise dieser Mikroskopie ermöglicht es, jeweils eine konfokale Ebene zu betrachten, was für die Betrachtung neuronaler Strukturen optimal ist. Andere konventionellere Formen der Mikroskopie erlauben es einfach nicht, alle neuronalen Strukturen sichtbar zu machen, insbesondere diejenigen, die subzellulär sind. In letzter Zeit haben einige Forscher tatsächlich designbasierte Stereologie und konfokale Mikroskopie kombiniert, um ihre Untersuchungen der spezifischen neuronalen Zellstrukturen voranzutreiben.
Kortikale Kartierung
Cortical Mapping ist definiert als der Prozess der Charakterisierung bestimmter Regionen im Gehirn basierend auf anatomischen oder funktionellen Merkmalen. Aktuelle Hirnatlanten sind nicht eindeutig oder homogen genug, um spezifische strukturelle Details darzustellen. Die jüngsten Fortschritte bei der funktionellen Bildgebung des Gehirns und der statistischen Analyse könnten sich jedoch in Zukunft als ausreichend erweisen. Eine neuere Entwicklung auf diesem Gebiet namens Gray Level Index (GLI) ermöglicht eine objektivere Identifizierung kortikaler Regionen durch Algorithmen . Das GLI ist eine standardisierte Methode, mit der Forscher die Neuronendichte bestimmen können. Es ist speziell definiert als das Verhältnis der Fläche, die von Nissl-gefärbten Elementen bedeckt ist, zu der Fläche, die von ungefärbten Elementen bedeckt ist. Ausgefeiltere kortikale Mapping-Techniken befinden sich noch in der Entwicklung und dieses Gebiet wird in naher Zukunft höchstwahrscheinlich ein exponentielles Wachstum bei Mapping-Methoden erleben.
Klinische Anwendungen
Neuromorphologie wurde als neue Methode zur Erforschung der zugrunde liegenden Ursache vieler neurologischer Störungen verwendet und wurde in die klinische Studie verschiedener neurodegenerativer Erkrankungen, psychischer Störungen , Lernbehinderungen und Funktionsstörungen aufgrund von Hirnschäden einbezogen . Forscher haben neuromorphologische Techniken verwendet, um nicht nur den Schaden zu untersuchen, sondern auch Wege, den Schadensnerv durch Wege wie die Stimulation des Axonwachstums zu regenerieren. Neuromophologie wurde verwendet, um Schäden des Sehnervs zu untersuchen, insbesondere bei der Untersuchung von Läsionen und Atrophien . Forscher haben auch die Neuromorphologie des menschlichen Penis untersucht und identifiziert, um die Rolle des sympathischen Nervensystems beim Erreichen einer Erektion besser zu verstehen.
Aktuelle und zukünftige Forschung
Computergestützte Neuromorphologie
Die computergestützte Neuromorophologie untersucht Neuronen und ihre Unterstrukturen, indem sie sie in Scheiben schneidet und diese verschiedenen Unterabschnitte untersucht. Es beschreibt den neuromorphologischen Raum auch als 3-D-Raum. Dies ermöglicht es Forschern, die Größe bestimmter neuronaler Komponenten zu verstehen. Darüber hinaus hilft die 3D-Bildgebung den Forschern zu verstehen, wie das Neuron Informationen in sich selbst überträgt.
Virtuelle Mikroskopie
Die virtuelle Mikroskopie würde es Forschern ermöglichen, Bilder mit einer geringeren Anzahl von Bildgebungssitzungen zu erhalten, wodurch die Integrität des Gewebes erhalten und die Möglichkeit verringert wird, dass die Fluoreszenzfarbstoffe während der Bildgebung verblassen. Diese Methode würde den Forschern zudem die Möglichkeit geben, derzeit nicht verfügbare Daten wie seltene Zelltypen und die räumliche Zuordnung von Zellen in einer bestimmten Hirnregion zu visualisieren. Die virtuelle Mikroskopie würde im Wesentlichen die Digitalisierung aller erhaltenen Bilder ermöglichen und somit eine Verschlechterung der Daten verhindern. Diese Digitalisierung könnte es Forschern auch möglicherweise ermöglichen, eine Datenbank zu erstellen , um ihre Daten zu teilen und zu speichern.