Developmental Neurobiology

Tiểu não, một cấu trúc xuất phát từ phần lưng của não bộ sau cùng phía trước nhất, đóng vai trò quan trọng trong việc tích hợp cảm giác và kiểm soát vận động. Mặc dù cấu trúc và sự phát triển của tiểu não đã được phân tích sâu rộng ở động vật có vú, các nghiên cứu gần đây cho thấy rằng giải phẫu và sự phát triển của tiểu não được bảo tồn giữa các loài động vật có vú và cá xương (cá uốn câu), bao gồm cả cá vạn vật. Trong tiểu não của động vật có vú và cá uốn câu, các tế bào Purkinje và tế bào hạt lần lượt phục vụ như là các neuron GABAergic và glutamatergic chính. Tế bào Purkinje xuất phát từ vùng thông khí (VZ) và nhận thông tin từ các sợi leo. Tế bào hạt xuất phát từ môi trên của não (URL) và nhận thông tin từ các sợi tươi. Do đó, tiểu não của cá uốn câu chia sẻ nhiều đặc điểm với tiểu não của các động vật có xương sống khác, và là một hệ thống mô hình tốt để nghiên cứu chức năng và sự phát triển của tiểu não. Tiểu não của cá uốn câu cũng có các đặc điểm riêng biệt dành cho cá uốn câu hoặc chưa được làm sáng tỏ ở các loài động vật có vú, bao gồm các tế bào eurydendroid và sự hình thành tế bào thần kinh ở người lớn. Hơn nữa, mạch thần kinh ở phần của thấu kính thị giác và não sau lưng gần giống với mạch điện của tiểu não cá uốn câu; do đó, chúng được gọi là cấu trúc giống tiểu não. Ở đây, chúng tôi mô tả giải phẫu và sự phát triển của các neuron tiểu não và mạch của chúng, đồng thời thảo luận về các vai trò có thể của tiểu não và các cấu trúc giống tiểu não trong hành vi và các chức năng nhận thức cao hơn. Chúng tôi cũng xem xét khả năng sử dụng di truyền và các kỹ thuật mới nhằm nghiên cứu tiểu não ở cá vạn vật.

Sự suy giảm trí nhớ liên quan đến tuổi tác được xem là bắt đầu từ giữa độ tuổi trưởng thành và đi kèm với sự giảm sút trong sự hình thành tế bào thần kinh ở hippocampus ở người trưởng thành và mức độ neurotrophin. Hoạt động thể chất liên tục trong thời kỳ trung niên có thể duy trì mức độ yếu tố dinh dưỡng thần kinh do não xuất ra (BDNF), sự hình thành tế bào mới và quá trình học tập. Trong nghiên cứu hiện tại, những con chuột cái C57Bl/6J 9 tháng tuổi được nuôi dưỡng có hoặc không có bánh xe chạy và được tiêm bromodeoxyuridine (BrdU) để gán nhãn cho các tế bào mới sinh. Khả năng học tập trong mê cung Morris, hoạt động trên cánh đồng mở và hành vi trên rotarod được kiểm tra 1 và 6 tháng sau khi bắt đầu tập thể dục. Chúng tôi cho thấy rằng việc chạy bộ trong thời gian dài đã cải thiện khả năng lưu giữ trí nhớ không gian và cải thiện một cách khiêm tốn hiệu suất rotarod ở tuổi 15 tháng. Cả sự hình thành tế bào thần kinh ở hippocampus và mức độ peptide BDNF trưởng thành đều tăng lên sau khi chạy bộ dài hạn. Do đó, việc tập thể dục đều đặn từ khi bắt đầu và trong suốt thời kỳ trung niên có thể duy trì chức năng não.

Sự thần kinh hóa trưởng thành là một đặc điểm phổ biến ở động vật có xương sống; tuy nhiên, mức độ khả năng này và hoạt động cơ bản của các tế bào gốc thần kinh trưởng thành khác nhau rất nhiều giữa các loài. Trái ngược với các loài động vật có vú mà có khả năng thần kinh hóa hạn chế trong não trưởng thành, cá ngựa vằn có thể tạo ra liên tục các tế bào thần kinh mới dọc theo toàn bộ trục não rostral-caudal suốt cuộc đời. Đặc điểm này của não cá ngựa vằn trưởng thành phụ thuộc vào sự hiện diện của các tế bào gốc/tế bào tiền thân liên tục sinh sản, và môi trường thuận lợi của não cá ngựa vằn cho quá trình thần kinh hóa. Cá ngựa vằn cũng có khả năng tái sinh rất lớn, điều này thể hiện trong việc phản ứng với chấn thương hệ thần kinh trung ương bằng cách tạo ra các tế bào thần kinh mới để bổ sung cho các tế bào đã mất. Khả năng này khiến cá ngựa vằn trở thành một mô hình hữu ích để hiểu hoạt động của tế bào gốc trong não, và các chương trình phân tử cần thiết cho sự tái sinh của hệ thần kinh trung ương. Trong bài đánh giá này, chúng tôi sẽ thảo luận về kiến thức hiện tại về các môi trường tế bào gốc, các đặc điểm của tế bào gốc/tế bào tiền thân, cách chúng được điều chỉnh và sự tham gia của chúng trong phản ứng tái sinh của não cá ngựa vằn trưởng thành. Chúng tôi cũng sẽ nhấn mạnh những câu hỏi mở có thể giúp định hướng cho nghiên cứu trong tương lai. © 2011 Wiley Periodicals, Inc. Phát triển Thần kinh sinh học 72: 429–461, 2012

Các phân tử ma trận ngoại bào—bao gồm proteoglycan chondroitin sulfate, hyaluronan và tenascin‐R—được làm giàu trong các mạng quanh tế bào thần kinh (PNs) liên quan đến các nhóm tế bào thần kinh trong não và tủy sống. Trong nghiên cứu hiện tại, chúng tôi cho thấy rằng những tập hợp ma trận ngoại bào tương tự phụ thuộc vào loại tế bào đã được hình thành trong các nền văn hóa tế bào phân lập từ hồi hải mã chuột sau sinh sớm. Bắt đầu từ ngày thứ 5 trong nuôi cấy, các tích tụ cấu trúc ngoại bào dạng lưới được đánh dấu bằng Wisteria floribunda agglutinin đã được phát hiện tại bề mặt tế bào của các tế bào trung gian biểu hiện parvalbumin, hình thành sau 2–3 tuần thành các PNs rõ ràng xung quanh các tiếp xúc synapse tại soma và nhánh gần, cũng như xung quanh các đoạn khởi đầu của sợi trục. Ghi nhận sinh lý học và đánh dấu nội bào của các tế bào thần kinh biểu hiện PN đã cho thấy đây là các tế bào trung gian có tốc độ phát xung nhanh với các đặc trưng hình thái của các tế bào rổ. Để nghiên cứu cơ chế hình thành PNs phụ thuộc vào hoạt động, chúng tôi đã thực hiện phân tích dược lý và phát hiện rằng việc chặn các điện thế hành động, sự giải phóng chất truyền dẫn, loại thụ thể AMPA có tính thẩm thấu Ca²⁺ hoặc kênh Ca²⁺ loại L nhạy cảm với điện áp đã làm giảm mạnh sự tích tụ ngoại bào của các thành phần PN trong các tế bào thần kinh nuôi cấy. Do đó, chúng tôi đề xuất rằng việc thâm nhập Ca²⁺ thông qua các thụ thể AMPA và các kênh loại L là cần thiết cho sự hình thành PNs phụ thuộc vào hoạt động. Để nghiên cứu chức năng của các PNs giàu chondroitin sulfate, chúng tôi đã điều trị các nền văn hóa bằng chondroitinase ABC dẫn đến việc giảm đáng kể một số thành phần chính của PN. Sự loại bỏ PNs không ảnh hưởng đến số lượng và phân bố của các liên kết GABAergic quanh soma nhưng làm tăng khả năng kích thích của các tế bào trung gian trong nền văn hóa, gợi ý vai trò của ma trận ngoại bào của PNs trong việc điều chỉnh hoạt động của tế bào thần kinh trung gian.

Yếu tố tăng trưởng thần kinh xuất phát từ não (BDNF) là một neurotrophin điển hình điều chỉnh nhiều sự kiện phát triển, từ việc chọn lựa tế bào gốc thần kinh đến sự phân hóa nhánh tận của tế bào thần kinh và kết nối của chúng. Chúng tôi tập trung vào sự điều chỉnh synapse phụ thuộc vào hoạt động của BDNF và thụ thể của nó, TrkB dài hoàn toàn. Tín hiệu BDNF-TrkB tham gia vào việc phiên mã, dịch mã và vận chuyển protein trong các giai đoạn phát triển synapse khác nhau và đã được liên quan đến nhiều hình thức độ dẻo của synapse. Các chức năng này được thực hiện bởi sự kết hợp của ba chuỗi tín hiệu được kích hoạt khi BDNF gắn vào TrkB: Đường dẫn kinase được kích hoạt bởi tác nhân gây tăng trưởng (MAPK), phospholipase Cγ (PLC PLCγ) và đường dẫn phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K). MAPK và PI3K đóng vai trò quan trọng trong cả dịch mã và/hoặc vận chuyển protein do hoạt động synapse gây ra, trong khi PLCγ điều chỉnh Ca²⁺ nội bào có thể thúc đẩy quá trình phiên mã thông qua AMP vòng và protein kinase C. Ngược lại, sự điều chỉnh bất thường của BDNF được liên quan đến nhiều bệnh phát triển và thoái hóa thần kinh gây rối loạn sự phát triển và chức năng thần kinh. Chúng tôi sẽ thảo luận về tình trạng hiện tại trong việc hiểu biết về tín hiệu BDNF trong bối cảnh phát triển và độ dẻo của synapse, tập trung vào tế bào hậu synapse và kết thúc với bằng chứng cho thấy các cơ chế cơ bản của chức năng BDNF vẫn cần được hiểu để điều trị hiệu quả các rối loạn di truyền liên quan đến các con đường này gây ra các bệnh thần kinh phát triển nghiêm trọng.

Những bằng chứng gần đây chỉ ra rằng tính dẻo thần kinh đóng vai trò quan trọng trong quá trình phục hồi khỏi trầm cảm. Các loại thuốc chống trầm cảm và điều trị sốc điện làm tăng sự biểu hiện của một số phân tử liên quan đến tính dẻo thần kinh, đặc biệt là neurotrophin BDNF và thụ thể của nó là TrkB. Hơn nữa, những phương pháp điều trị này còn làm tăng sự hình thành nơron và số lượng synap ở nhiều khu vực trong não. Ngược lại, trầm cảm, ít nhất trong dạng nặng của nó, liên quan đến việc giảm thể tích của hồi hải mã và vỏ não trước trán, và trong ít nhất một số trường hợp, những dấu hiệu thoái hóa thần kinh này có thể giảm bớt bằng cách điều trị thành công. Những quan sát này gợi ý một vai trò trung tâm của tính dẻo thần kinh trong trầm cảm và hiệu ứng chống trầm cảm, và cũng ngụ ý rằng tín hiệu BDNF đóng vai trò như một tác nhân trung gian của tính dẻo này. Fluoxetine, một loại thuốc chống trầm cảm, có thể tái kích hoạt tính dẻo thần kinh giống như sự phát triển trong vỏ não thị giác của người lớn, mà dưới sự hướng dẫn của môi trường thích hợp, dẫn đến việc tái cấu trúc một mạng lưới thần kinh kém phát triển. Những quan sát này cho thấy rằng hình thức đơn giản của giả thuyết neurotrophic về trầm cảm, đó là mức độ hỗ trợ neurotrophic thiếu hụt dẫn đến rối loạn tâm trạng và sự gia tăng các yếu tố neurotrophic này lên mức bình thường sẽ mang lại sự phục hồi tâm trạng, có thể không đủ để giải thích quá trình phức tạp của sự phục hồi khỏi trầm cảm. Bài tổng quan này thảo luận về dữ liệu gần đây về vai trò của BDNF và các thụ thể của nó trong trầm cảm và phản ứng chống trầm cảm, và đề xuất một mô hình mà hiệu quả của các phương pháp điều trị chống trầm cảm có thể được giải thích bằng việc tái kích hoạt tính dẻo vỏ não phụ thuộc vào hoạt động và trung gian bởi BDNF, mà lần lượt dẫn đến việc điều chỉnh các mạng lưới nơron để thích nghi tốt hơn với những thách thức của môi trường.

Chưa đến 60% trẻ sơ sinh trải qua các thủ thuật xâm lấn trong đơn vị chăm sóc đặc biệt đều được áp dụng liệu pháp giảm đau. Những trẻ sơ sinh này cho thấy sự giảm nhạy cảm với đau và phản ứng với cortisol trong thời gian dài. Trên chuột, chúng tôi đã chứng minh rằng cơn đau viêm xảy ra vào ngày sinh làm giảm đáng kể ngưỡng cảm giác thân thể và phản ứng của người lớn đối với các kích thích gây lo âu và căng thẳng. Những thay đổi lâu dài này về đau và khả năng phản ứng với căng thẳng đi kèm với việc tăng gấp đôi mức biểu hiện của met-enkephalin trung ương và β-endorphin. Tuy nhiên, thời gian diễn ra những thay đổi này trong biểu hiện peptide opioid trung ương, tương ứng với thời điểm chấn thương, vẫn chưa được biết đến. Các nghiên cứu hiện tại được tiến hành để xác định xem những thay đổi quan sát được về biểu hiện peptide opioid ở người lớn có xuất hiện trong tuần đầu sau sinh hay không. Tác động của viêm ở trẻ sơ sinh đối với plasma corticosterone, một chỉ số đánh giá phản ứng với căng thẳng, cũng đã được xác định. Não, tủy sống và máu từ thân được thu thập sau 24 giờ, 48 giờ và 7 ngày sau khi tiêm tác nhân viêm carrageenan vào lòng bàn chân vào ngày sinh. Phương pháp radioimmunoassay được sử dụng để xác định mức corticosterone và met-enkephalin cùng với β-endorphin trong não trước, vỏ não, não giữa và tủy sống. Trong vòng 24 giờ sau chấn thương, mức met-enkephalin tăng đáng kể ở vùng não giữa, nhưng lại giảm ở tủy sống và vỏ não; mức β-endorphin ở não trước cũng tăng đáng kể do cơn đau trong giai đoạn đầu đời. Mức corticosterone cũng tăng đáng kể. Sau 7 ngày kể từ chấn thương, các peptide opioid vẫn duy trì mức cao hơn so với nhóm đối chứng, cho thấy thời điểm mà những thay đổi do chấn thương được lập trình và trở nên vĩnh viễn.

Mức độ bilirubin tự do (UCB) trong huyết tương tăng cao trong những tuần đầu đời có thể dẫn đến tổn thương thần kinh lâu dài. Chúng tôi đã báo cáo trước đây rằng việc tiếp xúc sớm với UCB ở các tế bào thần kinh phát triển, trong điều kiện giả lập tình trạng vàng da sơ sinh từ trung bình đến nặng, dẫn đến suy teo tế bào và chết tế bào. Tại đây, chúng tôi đã phân tích thêm tác động của UCB đối với quá trình phân hóa tế bào thần kinh và phát triển thần kinh, điều tra cách mà UCB có thể ảnh hưởng đến khả năng sống sót của các tế bào tiền thân thần kinh chưa phân hóa và quyết định số phận của chúng, cũng như sự phát triển của các tế bào thần kinh hồi hải mã về sự kéo dài và phân nhánh của sợi nhánh và sợi trục, hình thái của mũi lớn sợi trục, và sự hình thành các gai nhánh và synap. Kết quả của chúng tôi chỉ ra rằng UCB làm giảm khả năng sống sót của các tế bào tiền thân thần kinh đang phân chia, giảm sự hình thành tế bào thần kinh mà không ảnh hưởng đến quá trình hình thành tế bào hình sao, và làm tăng sự rối loạn tế bào trong các tế bào đang phát triển. Ngoài ra, việc tiếp xúc sớm với UCB làm giảm số lượng các nhánh sợi nhánh và sợi trục ở 3 và 9 ngày in vitro (DIV), và một số lượng lớn hơn các tế bào thần kinh cho thấy khu vực mũi lớn sợi trục nhỏ hơn. Các tế bào thần kinh được điều trị bằng UCB cũng cho thấy mật độ gai nhánh và synap giảm tại 21 DIV. Vai trò có hại của UCB trong sự phân hóa thần kinh, phát triển và tính linh hoạt có thể làm giảm khả năng hoạt động của não trong cuộc sống sau này. © 2009 Wiley Periodicals, Inc. Develop Neurobiol 2009

Hiểu biết về sự đa dạng của các tế bào thần kinh trung gian GABAergic trong vỏ não là rất quan trọng để hiểu chức năng của vỏ não. Dữ liệu gần đây cho thấy rằng các tế bào thần kinh biểu hiện ba dấu ấn, đó là protein gắn Ca2+ parvalbumin (PV), neuropeptide somatostatin (SST), và thụ thể serotonin ionotropic 5HT3a (5HT3aR) chiếm gần 100% tế bào thần kinh trung gian ở vỏ não mới. Các tế bào thần kinh biểu hiện mỗi dấu ấn này có nguồn gốc phôi thai khác nhau. Mỗi nhóm bao gồm một số loại tế bào thần kinh trung gian khác nhau về các thuộc tính hình thái và điện sinh lý, và có thể có các chức năng khác nhau trong mạch vỏ não. Nhóm PV chiếm khoảng 40% tế bào thần kinh GABAergic và bao gồm các tế bào giỏ xuất xứ nhanh và tế bào đèn chùm. Nhóm SST, chiếm khoảng 30% tế bào thần kinh GABAergic, bao gồm các tế bào Martinotti và một tập hợp các tế bào thần kinh nhắm mục tiêu cụ thể vào lớp IV. Nhóm 5HT3aR, cũng chiếm khoảng 30% tổng số lượng tế bào thần kinh trung gian, là một nhóm không đồng nhất và bao gồm tất cả các tế bào thần kinh biểu hiện neuropeptide VIP, cũng như một tiểu nhóm đông đảo các tế bào thần kinh không biểu hiện VIP và bao gồm các tế bào neurogliaform. Việc điều chỉnh phổ quát các tế bào này bởi serotonin và acetylcholine thông qua các thụ thể ionotropic gợi ý rằng chúng có thể tham gia vào việc hình thành các mạch vỏ não trong các trạng thái não và bối cảnh hành vi cụ thể.