Die Neuroanatomie befasst sich mit dem Aufbau und der Organisation des Nervensystems . Abgebildet ist ein Querschnitt, der die makroskopische Anatomie des menschlichen Gehirns zeigt .

Die Neuroanatomie ist ein Teilgebiet der Anatomie und Neurowissenschaften , das sich mit dem Aufbau und der Organisation des Nervensystems befasst . Im Gegensatz zu Tieren mit Radiärsymmetrie , deren Nervensystem aus einem verteilten Netzwerk von Zellen besteht , besitzen Tiere mit Bilateralsymmetrie getrennte, klar definierte Nervensysteme. Ihre Neuroanatomie ist daher besser erforscht. Bei Wirbeltieren gliedert sich das Nervensystem in das zentrale Nervensystem (ZNS), bestehend aus Gehirn und Rückenmark , und das periphere Nervensystem (PNS), das die verbindenden Nerven umfasst. Viele Erkenntnisse der Neurowissenschaften beruhen auf der Beobachtung, wie sich Läsionen (Schädigungen) spezifischer Hirnareale auf das Verhalten oder andere neuronale Funktionen auswirken.

Informationen zur Zusammensetzung des Nervensystems nicht-menschlicher Tiere finden Sie unter Nervensystem . Informationen zum typischen Aufbau des menschlichen Nervensystems finden Sie unter menschliches Gehirn und peripheres Nervensystem .

Geschichte

JM Bourgerys Anatomie des Gehirns, des Hirnstamms und der oberen Wirbelsäule

Die erste bekannte schriftliche Erwähnung einer Studie zur Anatomie des menschlichen Gehirns ist ein altägyptisches Dokument, der Edwin-Smith-Papyrus . [ 1 ] Im antiken Griechenland begann das Interesse am Gehirn mit den Arbeiten von Alkmaion , der anscheinend das Auge sezierte und das Gehirn mit dem Sehvermögen in Verbindung brachte. Er vermutete außerdem, dass nicht das Herz, sondern das Gehirn das Organ sei, das den Körper steuere (was die Stoiker als Hegemonikon bezeichnen würden ) und dass die Sinne vom Gehirn abhängig seien. [ 2 ]

Die Debatte um das Hegemonikon hielt unter antiken griechischen Philosophen und Ärzten lange an. [ 3 ] Diejenigen, die für das Gehirn als Organ argumentierten, trugen oft auch zum Verständnis der Neuroanatomie bei. Herophilos und Erasistratos von Alexandria waren mit ihren Studien, in denen sie menschliche Gehirne sezierten , wohl die einflussreichsten . Sie bestätigten die Unterscheidung zwischen Großhirn und Kleinhirn und identifizierten die Ventrikel und die Dura mater . [ 4 ] [ 5 ] Auch der griechische Arzt und Philosoph Galen argumentierte nachdrücklich für das Gehirn als Organ, das für Empfindung und willkürliche Bewegungen verantwortlich ist , wie seine Forschungen zur Neuroanatomie von Ochsen , Berberaffen und anderen Tieren belegen. [ 3 ] [ 6 ]

Das kulturelle Tabu der menschlichen Sektion hielt noch mehrere Jahrhunderte an, was keine wesentlichen Fortschritte im Verständnis der Anatomie des Gehirns oder des Nervensystems mit sich brachte. Papst Sixtus IV. belebte jedoch die Neuroanatomie wirksam, indem er die päpstliche Politik änderte und die menschliche Sektion erlaubte. Dies führte zu einer Welle neuer Aktivitäten von Künstlern und Wissenschaftlern der Renaissance [ 7 ] , wie Mondino de Luzzi , Berengario da Carpi und Jacques Dubois , die in den Arbeiten von Andreas Vesalius gipfelten . [ 8 ] [ 9 ]

1664 prägte Thomas Willis , Arzt und Professor an der Universität Oxford, den Begriff Neurologie, als er sein Werk „Cerebri Anatome“ veröffentlichte , das als Grundlage der modernen Neuroanatomie gilt. [ 10 ] In den darauffolgenden rund 350 Jahren wurde das Nervensystem umfassend dokumentiert und erforscht.

Zusammensetzung

Auf Gewebeebene besteht das Nervensystem aus Neuronen , Gliazellen und extrazellulärer Matrix . Sowohl Neuronen als auch Gliazellen treten in vielen verschiedenen Typen auf (siehe beispielsweise den Abschnitt „Nervensystem“ in der Liste der verschiedenen Zelltypen im menschlichen Körper ). Neuronen sind die informationsverarbeitenden Zellen des Nervensystems: Sie nehmen unsere Umwelt wahr, kommunizieren miteinander über elektrische Signale und chemische Botenstoffe, sogenannte Neurotransmitter, die in der Regel über Synapsen (enge Kontakte zwischen zwei Neuronen oder zwischen einem Neuron und einer Muskelzelle) wirken (zu beachten sind auch extrasynaptische Effekte sowie die Freisetzung von Neurotransmittern in den extrazellulären Raum) und erzeugen unsere Erinnerungen, Gedanken und Bewegungen. Gliazellen erhalten die Homöostase aufrecht, produzieren Myelin (Oligodendrozyten, Schwann-Zellen) und bieten den Neuronen des Gehirns Unterstützung und Schutz. Manche Gliazellen ( Astrozyten ) können als Reaktion auf Reize sogar interzelluläre Kalziumwellen über weite Strecken weiterleiten und Gliotransmitter in Abhängigkeit von der Kalziumkonzentration freisetzen. Wundnarben im Gehirn bestehen größtenteils aus Astrozyten. Die extrazelluläre Matrix unterstützt die Gehirnzellen auch auf molekularer Ebene und transportiert Substanzen zu und von den Blutgefäßen.

Auf Organebene besteht das Nervensystem aus Hirnregionen wie dem Hippocampus bei Säugetieren oder den Pilzkörpern der Fruchtfliege. [11] Diese Regionen sind oft modular aufgebaut und erfüllen spezifische Funktionen innerhalb der systemischen Bahnen des Nervensystems. So ist der Hippocampus beispielsweise in Verbindung mit vielen anderen Hirnregionen entscheidend für die Gedächtnisbildung. Das periphere Nervensystem enthält außerdem afferente und efferente Nervenfasern. Diese Faserbündel entspringen dem Gehirn und dem Rückenmark oder sensorischen bzw. motorischen Nervenfasern peripherer Ganglien und verzweigen sich fortwährend, um alle Körperteile zu innervieren. Nerven bestehen hauptsächlich aus Axonen oder Dendriten von Neuronen (Axone bei efferenten motorischen Fasern und Dendriten bei afferenten sensorischen Fasern) sowie verschiedenen Membranen, die diese umhüllen und in Nervenbündel unterteilen .

Das Nervensystem der Wirbeltiere gliedert sich in das zentrale und das periphere Nervensystem. Das zentrale Nervensystem (ZNS) besteht aus Gehirn , Netzhaut und Rückenmark , während das periphere Nervensystem (PNS) alle Nerven und Ganglien (Ansammlungen peripherer Nervenzellen) außerhalb des ZNS umfasst, die dieses mit dem Rest des Körpers verbinden. Das PNS ist weiter in das somatische und das autonome Nervensystem unterteilt. Das somatische Nervensystem besteht aus afferenten Neuronen, die sensorische Informationen von den somatischen Sinnesorganen zum ZNS leiten, und efferenten Neuronen, die motorische Befehle an die willkürliche Muskulatur des Körpers übermitteln. Das autonome Nervensystem kann mit oder ohne Steuerung durch das zentrale Nervensystem (ZNS) arbeiten (daher der Name „autonom“) und besteht aus zwei Untersystemen, dem Sympathikus und dem Parasympathikus . Diese sind wichtig für die Übertragung motorischer Befehle an die grundlegenden inneren Organe und steuern so Funktionen wie Herzschlag, Atmung, Verdauung und Speichelfluss. Im Gegensatz zu somatischen Nerven enthalten autonome Nerven ausschließlich efferente Fasern. Sensorische Signale aus den Eingeweiden gelangen über die somatischen sensorischen Nerven (z. B. viszeraler Schmerz) oder über bestimmte Hirnnerven (z. B. chemosensorische oder mechanische Signale) ins ZNS.

Orientierung in der Neuroanatomie

Parasagittale MRT des Kopfes bei einem Patienten mit benigner familiärer Makrozephalie

In der Anatomie im Allgemeinen und der Neuroanatomie im Besonderen werden verschiedene topografische Begriffe verwendet, um Orientierung und Lage zu bezeichnen, die sich im Allgemeinen auf die Körper- oder Gehirnachse beziehen. Die Achse des ZNS wird oft fälschlicherweise als annähernd gerade angenommen, weist aber tatsächlich stets zwei ventrale Krümmungen (zervikale und kraniale Krümmung) und eine dorsale Krümmung (pontine Krümmung) auf, die auf unterschiedliches Wachstum während der Embryogenese zurückzuführen sind. Die in der Neuroanatomie am häufigsten verwendeten Begriffspaare sind:

  • Dorsal und ventral : Dorsal bezieht sich im Wesentlichen auf die Oberseite des Gehirns, symbolisiert durch die Schädelbasis, ventral auf die Unterseite. Diese Bezeichnungen wurden ursprünglich für Rücken und Bauch des Körpers verwendet . Bei den meisten Tieren ist der Bauch zum Boden gerichtet; die aufrechte Haltung des Menschen verlagert die ventrale Seite nach vorn und die dorsale nach hinten. Der Fall von Kopf und Gehirn ist besonders, da sich der Bauch nicht direkt in den Kopf erstreckt, es sei denn, man betrachtet den Mund als verlängertes Bauchsegment. Daher werden im allgemeinen Sprachgebrauch jene Hirnregionen, die nahe der Schädelbasis liegen und sich bis zur Mundhöhle erstrecken, als ventral bezeichnet – also an der Unterseite, wie oben definiert –, während die dorsalen Regionen näher am umgebenden Schädeldach liegen. Die Bezugnahme auf die Dach- und Bodenplatten des Gehirns ist weniger verwechslungsanfällig und ermöglicht es uns zudem, die oben erwähnten axialen Krümmungen im Auge zu behalten. Dorsal und ventral sind daher relative Begriffe im Gehirn, deren genaue Bedeutung vom jeweiligen Ort abhängt.
  • Rostral und kaudal : In der allgemeinen Anatomie bezeichnet rostral die Vorderseite des Körpers (Richtung Nase, lateinisch Rostrum ), kaudal das hintere Ende (Richtung Schwanz, lateinisch Cauda ). Die rostrokaudale Dimension des Gehirns entspricht seiner Längsachse, die entlang der genannten Krümmungen vom kaudalen Ende des Rückenmarks bis zu einem rostralen Ende etwa am Chiasma opticum verläuft. Beim aufrecht stehenden Menschen beziehen sich die Richtungsbezeichnungen „superior“ und „inferior“ im Wesentlichen auf diese rostrokaudale Dimension, da unsere Körper- und Gehirnachsen in aufrechter Position annähernd vertikal ausgerichtet sind. Allerdings entwickeln alle Wirbeltiere eine sehr ausgeprägte ventrale Krümmung im Neuralrohr, die auch im zentralen Nervensystem des Erwachsenen noch nachweisbar ist und als kraniale Krümmung (Cephalic Flexura) bezeichnet wird . Letzteres führt zu einer Krümmung des rostralen Teils des ZNS um 180 Grad relativ zum kaudalen Teil am Übergang zwischen Vorderhirn (dessen Achse rostral am Chiasma opticum endet) und Hirnstamm und Rückenmark (deren Achse annähernd vertikal verläuft, jedoch zusätzliche, geringfügige Knicke an den pontinen und zervikalen Flexuren aufweist). Diese Krümmungen der axialen Dimension erschweren die Beschreibung der relativen Lage und der Schnittebenen im Gehirn. Zahlreiche Publikationen ignorieren fälschlicherweise die axialen Krümmungen und gehen von einer relativ geraden Hirnachse aus.
  • Medial und lateral : Medial bedeutet, dass etwas nahe oder relativ nahe an der Mittellinie liegt (der Begriff median bezeichnet eine Position genau in der Mittellinie). Lateral ist das Gegenteil (eine Position, die mehr oder weniger von der Mittellinie entfernt ist).

Beachten Sie, dass solche Bezeichnungen (dorsal/ventral, rostral/kaudal; medial/lateral) relativ und nicht absolut sind (z. B. kann man sagen, dass eine laterale Struktur medial zu etwas anderem liegt, das noch weiter lateral liegt).

Gängige Bezeichnungen für Orientierungs- oder Schnittebenen in der Neuroanatomie sind „sagittal“, „transversal“ oder „koronal“ sowie „axial“ oder „horizontal“. Auch hier unterscheidet sich die Situation bei schwimmenden, kriechenden oder vierbeinigen (liegenden) Tieren von der beim Menschen oder anderen aufrecht gehenden Arten aufgrund der veränderten Lage der Hirnachse. Aufgrund der axialen Krümmungen des Gehirns lässt sich in einer gewählten Schnittebene nie eine vollständige Schnittserie erzielen, da beim Durchlaufen der Krümmungen zwangsläufig einige Schnitte schräg oder sogar senkrecht dazu verlaufen. Erfahrung ermöglicht es, die gewünschten Schnittabschnitte zu erkennen.

  • Eine Medianebene teilt Körper und Gehirn in eine linke und eine rechte Hälfte; Sagittalschnitte verlaufen im Allgemeinen parallel zu dieser Medianebene in medial-lateraler Richtung (siehe Abbildung oben). Der Begriff „ Sagittalnaht“ leitet sich etymologisch von der Mittelnaht zwischen den rechten und linken Scheitelbeinen des Schädels ab, die klassischerweise als Sagittalnaht bezeichnet wird, da sie durch ihren Verlauf mit anderen Nähten annähernd einem Pfeil ähnelt ( lat. sagitta = Pfeil).
  • Eine Schnittebene, die senkrecht zur Achse eines länglichen Körpers verläuft, gilt prinzipiell als transversal (z. B. ein Querschnitt eines Fingers oder der Wirbelsäule). Ohne Längsachse lassen sich solche Schnitte nicht definieren, oder es gäbe unendlich viele Möglichkeiten. Daher verlaufen Querschnitte des Körpers von Wirbeltieren parallel zu den Rippen, die wiederum senkrecht zur Wirbelsäule stehen, welche die Körperachse sowohl bei Tieren als auch beim Menschen darstellt. Auch das Gehirn besitzt eine intrinsische Längsachse – die des ursprünglichen, länglichen Neuralrohrs –, die mit der aufrechten Haltung des Menschen weitgehend vertikal verläuft, ähnlich wie die Körperachse, außer an ihrem rostralen Ende, wie bereits erwähnt. Dies erklärt, warum Querschnitte des Rückenmarks annähernd parallel zu unseren Rippen oder zum Boden verlaufen. Dies gilt jedoch nur für das Rückenmark und den Hirnstamm, da sich das Vorderhirnende der neuralen Achse während der frühen Morphogenese zum chiasmatischen Hypothalamus hin knickt, wo sie endet. Die Orientierung echter Querschnitte ändert sich entsprechend und verläuft nicht mehr parallel zu Rippen und Boden, sondern senkrecht dazu. Das Nichtbeachten dieser morphologischen Besonderheit des Gehirns (die ausnahmslos in allen Wirbeltiergehirnen vorkommt) hat zu vielen Fehlvorstellungen über die Vorderhirnabschnitte geführt und führt sie noch immer. In Anerkennung der Einzigartigkeit rostraler Querschnitte hat sich traditionell eine andere Bezeichnung für sie etabliert: Koronarschnitte . Koronarschnitte unterteilen das Vorderhirn von rostral (vorn) nach caudal (hinten) und bilden eine Reihe von Schnitten, die orthogonal (transversal) zur lokalen Krümmungsachse verlaufen. Dieses Konzept lässt sich nicht sinnvoll auf Hirnstamm und Rückenmark anwenden, da die Koronarschnitte dort horizontal zur axialen Dimension verlaufen und somit parallel zur Achse sind. Der Begriff „Koronarschnitt“ ist ohnehin weniger präzise als der von „Transversalschnitt“, da häufig Koronarschnittebenen verwendet werden, die nicht exakt orthogonal zum rostralen Ende der Hirnachse verlaufen. Der Begriff ist etymologisch mit der Kranznaht des Schädels verwandt, die wiederum mit der Stelle, an der Kronen getragen werden (lateinisch corona bedeutet Krone). Es ist unklar, welche Art von Krone ursprünglich gemeint war (möglicherweise nur ein Diadem), was leider zu einer Mehrdeutigkeit in der lediglich als koronal definierten Schnittebene führt.
  • Eine Koronalebene durch den menschlichen Kopf und das Gehirn wird heute als parallel zum Gesicht verstanden (die Ebene, auf der die Krone eines Königs sitzt, verläuft nicht exakt parallel zum Gesicht, und die Übertragung dieses Konzepts auf Tiere mit weniger ausgeprägter Stirnpartie ist offensichtlich noch problematischer; dennoch besteht ein impliziter Bezug zur Koronarnaht des Schädels, die zwischen Stirn- und Schläfen-/Scheitelbein verläuft und eine Art Diadem bildet, das annähernd parallel zum Gesicht ist). Koronale Schnittebenen beziehen sich daher im Wesentlichen nur auf Kopf und Gehirn, wo ein Diadem sinnvoll ist, nicht aber auf Hals und Körper.
  • Horizontalschnitte verlaufen definitionsgemäß parallel zum Horizont. Bei schwimmenden, kriechenden und vierbeinigen Tieren ist die Körperachse horizontal, daher verlaufen Horizontalschnitte entlang des Rückenmarks und trennen ventrale von dorsalen Abschnitten. Horizontalschnitte stehen orthogonal zu transversalen und sagittalen Schnitten und sind theoretisch parallel zur Längsachse. Aufgrund der axialen Krümmung des Vorderhirns verlaufen echte Horizontalschnitte in diesem Bereich orthogonal zu koronalen (transversalen) Schnitten (ebenso wie der Horizont relativ zum Gesicht).

Gemäß diesen Überlegungen werden die drei Raumrichtungen präzise durch die Sagittal-, Transversal- und Horizontalebene dargestellt, während Koronarschnitte transversal, schräg oder horizontal sein können, je nachdem, wie sie sich auf die Hirnachse und ihre Krümmungen beziehen.

Werkzeuge

Moderne Entwicklungen in der Neuroanatomie stehen in direktem Zusammenhang mit den in der Forschung eingesetzten Technologien . Daher ist es notwendig, die verschiedenen verfügbaren Instrumente zu erörtern. Viele der histologischen Techniken, die zur Untersuchung anderer Gewebe eingesetzt werden, lassen sich auch auf das Nervensystem anwenden. Es gibt jedoch auch Techniken, die speziell für die Neuroanatomie entwickelt wurden.

Zellfärbung

In biologischen Systemen ist die Färbung eine Technik, die dazu dient, den Kontrast bestimmter Merkmale in mikroskopischen Bildern zu verbessern.

Die Nissl-Färbung nutzt basische Anilinfarbstoffe, um die sauren Polyribosomen im rauen endoplasmatischen Retikulum , das in Neuronen reichlich vorhanden ist, intensiv anzufärben. Dies ermöglicht es Forschern, verschiedene Zelltypen (wie Neuronen und Gliazellen ) sowie neuronale Formen und Größen in verschiedenen Bereichen der Zytoarchitektur des Nervensystems zu unterscheiden .

Die klassische Golgi-Färbung verwendet Kaliumdichromat und Silbernitrat , um selektiv einige Nervenzellen (Neuronen oder Gliazellen, prinzipiell können aber alle Zellen ähnlich reagieren) mit einem Silberchromat-Präzipitat zu füllen. Dieses sogenannte Silberchromat-Imprägnierungsverfahren färbt die Zellkörper und Neuriten einiger Neuronen – Dendriten , Axone – ganz oder teilweise braun und schwarz. Dank der Transparenz, die durch die fehlende Färbung der meisten umliegenden Zellen entsteht, können Forscher so deren Verlauf bis zu ihren dünnsten Endverzweigungen in einem Nervengewebeschnitt verfolgen. Modernes Golgi-imprägniertes Material wird auch für die elektronenmikroskopische Visualisierung der ungefärbten Elemente um die gefärbten Fortsätze und Zellkörper herum eingesetzt, wodurch die Auflösung weiter verbessert wird.

Histochemie

Die Histochemie nutzt Erkenntnisse über die biochemischen Reaktionseigenschaften der chemischen Bestandteile des Gehirns (insbesondere Enzyme), um mithilfe selektiver Reaktionsmethoden deren Lokalisation im Gehirn sowie funktionelle oder pathologische Veränderungen sichtbar zu machen. Dies ist von großer Bedeutung für Moleküle, die an der Neurotransmitterproduktion und dem Neurotransmitterstoffwechsel beteiligt sind, findet aber auch in vielen anderen Bereichen – der Chemoarchitektur bzw. der chemischen Neuroanatomie – Anwendung.

Die Immunzytochemie ist ein Spezialfall der Histochemie, bei dem selektive Antikörper gegen verschiedene chemische Epitope des Nervensystems eingesetzt werden, um bestimmte Zelltypen, Axonbündel, Neuropile, Gliazellfortsätze oder Blutgefäße sowie spezifische intrazelluläre oder intranukleäre Proteine ​​und andere immunogene Moleküle, z. B. Neurotransmitter, gezielt anzufärben. Immunreagierte Transkriptionsfaktoren liefern Informationen über das Genom in Form von translatierten Proteinen. Dies erweitert die Möglichkeiten der Forschung zur Unterscheidung verschiedener Zelltypen (wie Neuronen und Gliazellen ) in unterschiedlichen Regionen des Nervensystems erheblich.

Die In-situ-Hybridisierung nutzt synthetische RNA-Sonden, die selektiv an komplementäre mRNA-Transkripte von DNA-Exons im Zytoplasma binden (hybridisieren), um die genomische Information sichtbar zu machen und somit die aktive Genexpression anhand der mRNA-Ebene anstatt der Proteinebene zu bestimmen. Dies ermöglicht die histologische (In-situ-)Identifizierung der Zellen, die an der Produktion genetisch kodierter Moleküle beteiligt sind. Diese Moleküle repräsentieren häufig Differenzierungs- oder Funktionsmerkmale sowie die molekularen Grenzen, die verschiedene Hirnregionen oder Zellpopulationen voneinander trennen.

Genetisch kodierte Marker

Durch die Expression variabler Mengen roter, grüner und blauer Fluoreszenzproteine ​​im Gehirn ermöglicht die sogenannte „ Brainbow “-Mutante die kombinatorische Visualisierung vieler verschiedener Farben in Neuronen. Dadurch werden Neuronen mit so vielen unterschiedlichen Farben markiert, dass sie sich häufig mittels Fluoreszenzmikroskopie von ihren Nachbarneuronen unterscheiden lassen . Dies erlaubt es Forschern, die lokalen Verbindungen oder die gegenseitige Anordnung (das sogenannte Tiling) zwischen Neuronen abzubilden.

Die Optogenetik nutzt die transgene, konstitutive und ortsspezifische Expression blockierter Marker (normalerweise in Mäusen), die durch Lichteinfall selektiv aktiviert werden können. Dies ermöglicht es Forschern, die axonale Vernetzung im Nervensystem sehr differenziert zu untersuchen.

Nichtinvasive Hirnbildgebung

Die Magnetresonanztomographie (MRT) wird häufig zur nicht-invasiven Untersuchung der Hirnstruktur und -funktion bei gesunden Probanden eingesetzt . Ein wichtiges Beispiel ist die Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI) , die auf der eingeschränkten Diffusion von Wasser im Gewebe beruht, um Axonbilder zu erzeugen. Wasser bewegt sich insbesondere in Richtung der Axone schneller, wodurch Rückschlüsse auf deren Struktur möglich werden.

Virusbasierte Methoden

Bestimmte Viren können sich in Gehirnzellen vermehren und Synapsen überwinden. Daher können Viren, die so modifiziert wurden, dass sie Marker (wie z. B. fluoreszierende Proteine) exprimieren, verwendet werden, um Verbindungen zwischen Hirnregionen über mehrere Synapsen hinweg zu verfolgen. [ 12 ] Zwei Tracerviren, die sich transneuronal/transsynaptisch vermehren und ausbreiten, sind das Herpes-simplex-Virus Typ 1 (HSV) [ 13 ] und die Rhabdoviren . [ 14 ] Das Herpes-simplex-Virus wurde verwendet, um die Verbindungen zwischen Gehirn und Magen zu verfolgen und so die an der viszerosensorischen Verarbeitung beteiligten Hirnareale zu untersuchen. [ 15 ] In einer anderen Studie wurde das Herpes-simplex-Virus ins Auge injiziert, wodurch der optische Pfad von der Retina zum visuellen System visualisiert werden konnte . [ 16 ] Ein Beispiel für ein Tracervirus, das sich von der Synapse zum Soma vermehrt, ist das Pseudorabiesvirus . [ 17 ] Durch die Verwendung von Pseudorabiesviren mit verschiedenen fluoreszierenden Reportern können Doppelinfektionsmodelle komplexe synaptische Architekturen analysieren. [ 18 ]

Farbstoffbasierte Methoden

Methoden zur Untersuchung des axonalen Transports nutzen verschiedene Farbstoffe (Meerrettichperoxidase-Varianten, fluoreszierende oder radioaktive Marker, Lektine, Dextrane), die von Neuronen oder ihren Fortsätzen unterschiedlich stark aufgenommen werden. Diese Moleküle werden selektiv anterograd (vom Soma zu den Axonterminalen) oder retrograd (von den Axonterminalen zum Soma) transportiert und liefern so Hinweise auf primäre und kollaterale Verbindungen im Gehirn. Diese „physiologischen“ Methoden (da sie die Eigenschaften lebender, unversehrter Zellen nutzen) lassen sich mit anderen Verfahren kombinieren und haben die früheren Verfahren zur Untersuchung der Degeneration geschädigter Neuronen oder Axone weitgehend abgelöst. Detaillierte synaptische Verbindungen können mittels korrelativer Elektronenmikroskopie bestimmt werden.

Konnektomik

Die Serienschnitt-Elektronenmikroskopie wurde umfassend für die Untersuchung des Nervensystems weiterentwickelt. So erfolgte beispielsweise die erste Anwendung der Serienschnitt-Rasterelektronenmikroskopie an kortikalem Gewebe von Nagetieren. [ 19 ] Die Rekonstruktion von Schaltkreisen aus den mit dieser Hochdurchsatzmethode erzeugten Daten ist anspruchsvoll, und das Citizen-Science-Spiel EyeWire wurde entwickelt, um die Forschung in diesem Bereich zu unterstützen. Dennoch konnten vollständige Konnektome einiger Modellorganismen erstellt werden (siehe unten).

Computergestützte Neuroanatomie

Es handelt sich um ein Forschungsgebiet, das verschiedene bildgebende Verfahren und computergestützte Techniken nutzt, um die raumzeitliche Dynamik neuroanatomischer Strukturen sowohl in normalen als auch in klinischen Populationen zu modellieren und zu quantifizieren. [ 20 ]

Modellsysteme

Neben dem menschlichen Gehirn gibt es viele andere Tiere, deren Gehirne und Nervensysteme als Modellsysteme intensiv erforscht wurden , darunter Mäuse, Zebrafische [ 21 ] , Fruchtfliegen [ 22 ] und der Fadenwurm C. elegans . Jedes dieser Systeme hat seine Vor- und Nachteile. So ist beispielsweise das Nervensystem von C. elegans von Wurm zu Wurm extrem stereotyp. Dies ermöglichte es Forschern , mithilfe der Elektronenmikroskopie die Verläufe und Verbindungen aller 302 Neuronen dieser Art zu kartieren. Die Fruchtfliege wird unter anderem deshalb intensiv erforscht, weil ihre Genetik sehr gut verstanden und leicht manipuliert werden kann. Die Maus wird verwendet, weil ihr Gehirn als Säugetier in seiner Struktur dem unseren ähnlicher ist (z. B. besitzt sie eine sechsschichtige Hirnrinde ), ihre Gene jedoch leicht modifiziert werden können und ihr Fortpflanzungszyklus relativ kurz ist.

Caenorhabditis elegans

Ein stabförmiger Körper enthält ein Verdauungssystem, das sich vom Mund an einem Ende bis zum After am anderen Ende erstreckt. Neben dem Verdauungssystem verläuft ein Nervenstrang mit einem Gehirn am Ende, nahe dem Mund.
Nervensystem eines typischen bilateralen Tieres, in Form eines Nervenstrangs mit segmentalen Verdickungen und einem „Gehirn“ an der Vorderseite

Bei manchen Arten, wie beispielsweise dem Fadenwurm Caenorhabditis elegans, ist das Gehirn klein und einfach aufgebaut. Der Körperbau ist ebenfalls recht simpel: ein Schlauch mit einem hohlen Darmabschnitt, der vom Mund zum After verläuft, und ein Nervenstrang mit einer Verdickung (einem Ganglion ) pro Körpersegment, wobei sich am vorderen Ende ein besonders großes Ganglion befindet, das als Gehirn bezeichnet wird. Der Fadenwurm Caenorhabditis elegans wurde aufgrund seiner Bedeutung für die Genetik eingehend untersucht. [ 23 ] Anfang der 1970er-Jahre wählte Sydney Brenner ihn als Modellorganismus, um zu erforschen, wie Gene die Entwicklung, einschließlich der neuronalen Entwicklung, steuern. Ein Vorteil der Arbeit mit diesem Wurm besteht darin, dass das Nervensystem des Hermaphroditen exakt 302 Neuronen enthält, die sich stets an denselben Stellen befinden und in jedem Wurm identische synaptische Verbindungen bilden. [ 24 ] Brenners Team zerlegte Würmer in Tausende ultradünner Schnitte und fotografierte jeden Schnitt unter einem Elektronenmikroskop. Anschließend wurden die Fasern von Schnitt zu Schnitt visuell verglichen, um jedes Neuron und jede Synapse im gesamten Körper zu kartieren und so ein vollständiges Konnektom des Nematoden zu erstellen. [ 25 ]

Drosophila melanogaster

Drosophila melanogaster ist ein beliebtes Versuchstier, weil es leicht in großer Zahl aus der Wildnis gezüchtet werden kann, eine kurze Generationszeit hat und Mutanten leicht zu beschaffen sind.

Arthropoden besitzen ein Zentralhirn mit drei Abschnitten und großen optischen Lobus hinter jedem Auge zur visuellen Verarbeitung. Das Gehirn einer Fruchtfliege enthält mehrere Millionen Synapsen, im Vergleich zu mindestens 100 Milliarden im menschlichen Gehirn. Ungefähr zwei Drittel des Drosophila- Gehirns sind der visuellen Verarbeitung gewidmet .

Thomas Hunt Morgan begann 1906 mit Drosophila zu arbeiten , und diese Arbeit brachte ihm 1933 den Nobelpreis für Medizin ein, da er Chromosomen als Träger der Vererbung von Genen identifizierte. Aufgrund der Vielzahl an Werkzeugen, die für die Erforschung der Drosophila- Genetik zur Verfügung stehen, eignen sich diese Fliegen besonders gut zur Untersuchung der Rolle von Genen im Nervensystem. [ 26 ] Das Genom wurde im Jahr 2000 sequenziert und veröffentlicht. Etwa 75 % der bekannten menschlichen Krankheitsgene weisen eine erkennbare Entsprechung im Genom der Fruchtfliege auf. Drosophila wird als genetisches Modell für verschiedene neurologische Erkrankungen des Menschen eingesetzt, darunter die neurodegenerativen Erkrankungen Parkinson, Huntington, spinozerebelläre Ataxie und Alzheimer. Trotz der großen evolutionären Distanz zwischen Insekten und Säugetieren haben sich viele grundlegende Aspekte der Drosophila -Neurogenese als relevant für den Menschen erwiesen. So wurden beispielsweise die ersten biologischen Uhrgene durch die Untersuchung von Drosophila- Mutanten identifiziert, die gestörte Tagesrhythmen aufwiesen. [ 27 ]

Im Jahr 2024 wurde ein vollständiges Konnektom des Gehirns adulter weiblicher Fruchtfliegen erstellt und veröffentlicht. [ 28 ] [ 29 ]

Siehe auch

Zitate

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