علوم اعصاب پروس؛ سازماندهی سیستم عصبی انسان

Organization of the Human Nervous System

Neural circuits that process similar types of information make up neural systems that serve broader purposes. The most general functional distinction divides such collections into sensory systems that acquire and process information from the internal and external environments (e.g., the visual system or the auditory system, both described in Unit II); and motor systems that respond to such information by generating movements (described in Unit III). There are, however, large numbers of cells and circuits that lie between these relatively well defined input and output systems. These are collectively referred to as associational systems, and they mediate the most complex and least well characterized brain functions (see Unit V). In addition to recognizing these broad functional distinctions, neuroscientists and neurologists have conventionally divided the vertebrate nervous system anatomically into central and peripheral components (Figure 1.12). The central nervous system, typically referred to as the CNS, comprises the brain (cerebral hemispheres, diencephalon, cerebellum, and brainstem) and the spinal cord. The peripheral nervous system (PNS) includes the sensory neurons that link sensory receptors on the body surface or deeper within it with relevant processing circuits in the CNS. The motor portion of the PNS in turn consists of two components. The motor axons that connect the brain and spinal cord to skeletal muscles make up the somatic motor division of the PNS, whereas the cells and axons that innervate smooth muscle, cardiac muscle, and glands make up the visceral or autonomic motor division.

سازماندهی سیستم عصبی انسان

مدارهای عصبی که انواع مشابهی از اطلاعات را پردازش می‌کنند، سیستم‌های عصبی را تشکیل می‌دهند که اهداف گسترده‌تری را دنبال می‌کنند. عمومی‌ترین تمایز عملکردی، چنین مجموعه‌هایی را به سیستم‌های حسی که اطلاعات را از محیط‌های داخلی و خارجی کسب و پردازش می‌کنند (مثلاً سیستم بینایی یا سیستم شنوایی، که هر دو در بخش دوم توضیح داده شده‌اند) و سیستم‌های حرکتی که با ایجاد حرکات به چنین اطلاعاتی پاسخ می‌دهند (در بخش سوم توضیح داده شده‌اند) تقسیم می‌کند. با این حال، تعداد زیادی سلول و مدار وجود دارد که بین این سیستم‌های ورودی و خروجی نسبتاً مشخص قرار دارند. این سیستم‌ها در مجموع به عنوان سیستم‌های ارتباطی شناخته می‌شوند و پیچیده‌ترین و کمتر شناخته شده‌ترین عملکردهای مغز را واسطه‌گری می‌کنند (به بخش پنجم مراجعه کنید). علاوه بر تشخیص این تمایزات عملکردی گسترده، دانشمندان علوم اعصاب و متخصصان مغز و اعصاب، سیستم عصبی مهره‌داران را به طور آناتومیکی به اجزای مرکزی و محیطی تقسیم کرده‌اند (شکل 1.12). سیستم عصبی مرکزی، که معمولاً به عنوان CNS شناخته می‌شود، شامل مغز (نیمکره‌های مغزی، دیانسفالون، مخچه و ساقه مغز) و نخاع است. سیستم عصبی محیطی (PNS) شامل نورون‌های حسی است که گیرنده‌های حسی روی سطح بدن یا در اعماق آن را با مدارهای پردازشی مربوطه در CNS مرتبط می‌کنند. بخش حرکتی PNS به نوبه خود از دو جزء تشکیل شده است. آکسون‌های حرکتی که مغز و نخاع را به عضلات اسکلتی متصل می‌کنند، بخش حرکتی سوماتیک PNS را تشکیل می‌دهند، در حالی که سلول‌ها و آکسون‌هایی که عضله صاف، عضله قلبی و غدد را عصب‌دهی می‌کنند، بخش حرکتی احشایی یا خودکار را تشکیل می‌دهند.

FIGURE 1.12 The major anatomical components of the nervous system and their functional relationships. (A) The CNS (brain and spinal cord) and PNS (spinal and cranial nerves). (B) Diagram of the major components of the CNS and PNS and their functional relationships. Stimuli from the environment convey information to processing circuits in the brain and spinal cord, which in turn interpret their significance and send signals to peripheral effectors that move the body and adjust the workings of its internal organs.

شکل ۱.۱۲ اجزای اصلی آناتومیک سیستم عصبی و روابط عملکردی آنها. (الف) CNS (مغز و نخاع) و PNS (اعصاب نخاعی و جمجمه‌ای). (ب) نمودار اجزای اصلی CNS و PNS و روابط عملکردی آنها. محرک‌ها از محیط، اطلاعات را به مدارهای پردازش در مغز و نخاع منتقل می‌کنند، که به نوبه خود اهمیت آنها را تفسیر کرده و سیگنال‌هایی را به عوامل مؤثر محیطی می‌فرستند که بدن را حرکت داده و عملکرد اندام‌های داخلی آن را تنظیم می‌کنند.

Those nerve cell bodies that reside in the PNS are located in ganglia, which are simply local accumulations of nerve cell bodies and supporting cells. Peripheral axons are gathered into bundles called nerves, many of which are enveloped by the glial cells of the PNS; as mentioned earlier, these peripheral glia are called Schwann cells  (see above), and they either myelinate these axons or provide a single glial covering that protects otherwise unmyelinated axons within peripheral nerves.

آن دسته از اجسام سلولی عصبی که در PNS قرار دارند، در گانگلیون‌ها قرار دارند که تجمعات موضعی اجسام سلولی عصبی و سلول‌های پشتیبان هستند. آکسون‌های محیطی در دسته‌هایی به نام اعصاب جمع می‌شوند که بسیاری از آنها توسط سلول‌های گلیال PNS احاطه شده‌اند. همانطور که قبلاً ذکر شد، این گلیاهای محیطی سلول‌های شوان نامیده می‌شوند (به بالا مراجعه کنید) و یا این آکسون‌ها را میلین‌دار می‌کنند یا یک پوشش گلیال واحد ایجاد می‌کنند که از آکسون‌های بدون میلین در اعصاب محیطی محافظت می‌کند.

Two gross histological terms distinguish regions rich in neuronal cell bodies versus regions rich in axons. Gray matter refers to any accumulation of cell bodies and neuropil in the brain and spinal cord. White matter (named for its relatively light appearance, the result of the lipid content of myelin) refers to axon tracts and commissures. Within gray matter, nerve cells are arranged in two different ways. A local accumulation with neurons that have roughly similar connections and functions is called a nucleus (plural: nuclei, not to be confused with the nucleus of a cell); such collections are found throughout the cerebrum, diencephalon, brainstem, and spinal cord. In contrast, cortex (plural: cortices) describes sheetlike arrays of nerve cells. The cortices of the cerebral hemispheres and of the cerebellum provide the clearest examples of this organizational principle. Within the white matter of the CNS, axons are gathered into tracts that are more or less analogous to nerves in the periphery. Each tract contains axons that typically originate in the same gray matter structure, are organized in parallel, and often terminate in the same division of gray matter at some distance from their origin. Tracts that cross the midline of the brain, such as the corpus callosum that interconnects the cerebral hemispheres, are referred to as commissures. The sensory tracts of the dorsal spinal cord are referred to as columns.

دو اصطلاح بافت‌شناسی کلی، نواحی غنی از اجسام سلولی نورونی را در مقابل نواحی غنی از آکسون‌ها متمایز می‌کنند. ماده خاکستری به هرگونه تجمع اجسام سلولی و نوروپیل در مغز و نخاع اشاره دارد. ماده سفید (که به دلیل ظاهر نسبتاً روشن آن، نتیجه محتوای لیپیدی میلین نامگذاری شده است) به مسیرهای آکسونی و رابط‌ها اشاره دارد. در ماده خاکستری، سلول‌های عصبی به دو شکل مختلف مرتب شده‌اند. یک تجمع موضعی با نورون‌هایی که اتصالات و عملکردهای تقریباً مشابهی دارند، هسته نامیده می‌شود (جمع: هسته‌ها، نباید با هسته سلول اشتباه گرفته شود)؛ چنین مجموعه‌هایی در سراسر مخ، دیانسفال، ساقه مغز و نخاع یافت می‌شوند. در مقابل، قشر (جمع: قشرها) آرایه‌های صفحه‌ای شکل از سلول‌های عصبی را توصیف می‌کند. قشرهای نیمکره‌های مغزی و مخچه واضح‌ترین نمونه‌های این اصل سازمانی را ارائه می‌دهند. در ماده سفید CNS، آکسون‌ها در مسیرهایی جمع می‌شوند که کم و بیش مشابه اعصاب در محیط هستند. هر مسیر شامل آکسون‌هایی است که معمولاً از ساختار یکسانی در ماده خاکستری منشأ می‌گیرند، به صورت موازی سازماندهی شده‌اند و اغلب در فاصله‌ای از مبدأ خود به یک بخش از ماده خاکستری ختم می‌شوند. مسیرهایی که از خط میانی مغز عبور می‌کنند، مانند جسم پینه‌ای که نیمکره‌های مغزی را به هم متصل می‌کند، رابط نامیده می‌شوند. مسیرهای حسی نخاع پشتی ستون نامیده می‌شوند.

The organization of the visceral motor division of the PNS (the nerve cells that control the functions of the  visceral organs, including the heart, lungs, gastrointestinal tract, and genitalia) is a bit more complicated (see Chapter 21). Nearly all components of the PNS—neurons and glia—are derived from the neural crest (see Chapter 22). Visceral motor neurons in the brainstem and spinal cord—the so-called preganglionic neurons—form synapses with peripheral motor neurons that lie in the autonomic ganglia. The peripheral motor neurons in autonomic ganglia innervate smooth muscle, glands, and cardiac muscle, thus controlling most involuntary (visceral) behavior. In the sympathetic division of the autonomic motor system, the ganglia lie along or in front of the vertebral column and send their axons to a variety of peripheral targets. In the parasympathetic division, the ganglia are found in or adjacent to the organs they innervate. Another component of the visceral motor system, called the enteric system, comprises small ganglia as well as individual neurons scattered throughout the wall of the gut. These neurons and their intrinsic axonal connections comprise vast neural networks that influence enteric motility and secretion. More details about the physical structures and overall anatomy of the human nervous system can be found in the Appendix and the Atlas in the back of this book.

سازماندهی بخش حرکتی احشایی سیستم عصبی محیطی (PNS) (سلول‌های عصبی که عملکرد اندام‌های احشایی، از جمله قلب، ریه‌ها، دستگاه گوارش و اندام تناسلی را کنترل می‌کنند) کمی پیچیده‌تر است (به فصل ۲۱ مراجعه کنید). تقریباً تمام اجزای PNS – نورون‌ها و گلیا – از تاج عصبی مشتق می‌شوند (به فصل ۲۲ مراجعه کنید). نورون‌های حرکتی احشایی در ساقه مغز و نخاع – که نورون‌های پیش‌گانگلیونی نامیده می‌شوند – با نورون‌های حرکتی محیطی که در گانگلیون‌های اتونوم قرار دارند، سیناپس تشکیل می‌دهند. نورون‌های حرکتی محیطی در گانگلیون‌های اتونوم، عضلات صاف، غدد و عضله قلب را عصب‌دهی می‌کنند و بنابراین بیشتر رفتارهای غیرارادی (احشایی) را کنترل می‌کنند. در بخش سمپاتیک سیستم حرکتی اتونوم، گانگلیون‌ها در امتداد یا جلوی ستون مهره‌ها قرار دارند و آکسون‌های خود را به اهداف محیطی مختلفی می‌فرستند. در بخش پاراسمپاتیک، گانگلیون‌ها در اندام‌هایی که عصب‌دهی می‌کنند یا در مجاورت آنها یافت می‌شوند. یکی دیگر از اجزای سیستم حرکتی احشایی، سیستم روده‌ای نامیده می‌شود که شامل گانگلیون‌های کوچک و همچنین نورون‌های منفرد پراکنده در سراسر دیواره روده است. این نورون‌ها و اتصالات آکسونی ذاتی آنها، شبکه‌های عصبی وسیعی را تشکیل می‌دهند که بر حرکت و ترشح روده تأثیر می‌گذارند. جزئیات بیشتر در مورد ساختارهای فیزیکی و آناتومی کلی سیستم عصبی انسان را می‌توان در پیوست و اطلس انتهای این کتاب یافت.

Neural Systems

Several characteristics distinguish neural systems within the complex array of anatomical components that make up any nervous system; primary among these are unity of function, representation of specific information, specific connectivity among select brain regions, and subdivision into subsystems for relaying and processing information in parallel. The most important of these is the unity of function evident in a selectively interconnected ensemble of neurons distributed over multiple ganglia in the PNS, or nuclei and cortices in the CNS. For example, the visual system is defined by all the neurons and connections primarily dedicated to vision, the auditory system by those dedicated to hearing, the somatosensory system by those dedicated to the sense of touch, the pyramidal motor system by the neurons and connections dedicated to voluntary movement, and so on for many other identifiable systems. In many instances, a system’s components are distributed throughout the body and brain. Thus, sensory systems include peripheral sensory specializations in eye, ear, skin, nose, and tongue, while motor systems include the peripheral motor nerves and target muscles required to perform various actions. Both sensory and motor systems entail nerve pathways that connect the periphery with nuclei in the spinal cord, brainstem, and thalamus, as well as the relevant areas of the cerebral cortex.

سیستم‌های عصبی

چندین ویژگی، سیستم‌های عصبی را در مجموعه پیچیده‌ای از اجزای آناتومیکی که هر سیستم عصبی را تشکیل می‌دهند، متمایز می‌کند. از جمله مهم‌ترین این ویژگی‌ها می‌توان به وحدت عملکرد، نمایش اطلاعات خاص، اتصال خاص بین مناطق منتخب مغز و تقسیم به زیرسیستم‌هایی برای انتقال و پردازش اطلاعات به صورت موازی اشاره کرد. مهم‌ترین این ویژگی‌ها، وحدت عملکرد مشهود در مجموعه‌ای از نورون‌های به هم پیوسته انتخابی است که در چندین گانگلیون در PNS یا هسته‌ها و قشرها در CNS توزیع شده‌اند. به عنوان مثال، سیستم بینایی توسط تمام نورون‌ها و اتصالاتی که در درجه اول به بینایی اختصاص دارند، سیستم شنوایی توسط آنهایی که به شنوایی اختصاص دارند، سیستم حسی-تنی توسط آنهایی که به حس لامسه اختصاص دارند، سیستم حرکتی هرمی توسط نورون‌ها و اتصالاتی که به حرکت ارادی اختصاص دارند و به همین ترتیب برای بسیاری از سیستم‌های قابل شناسایی دیگر تعریف می‌شود. در بسیاری از موارد، اجزای یک سیستم در سراسر بدن و مغز توزیع شده‌اند. بنابراین، سیستم‌های حسی شامل تخصص‌های حسی محیطی در چشم، گوش، پوست، بینی و زبان هستند، در حالی که سیستم‌های حرکتی شامل اعصاب حرکتی محیطی و عضلات هدف مورد نیاز برای انجام اعمال مختلف هستند. هر دو سیستم حسی و حرکتی شامل مسیرهای عصبی هستند که محیط را به هسته‌های نخاع، ساقه مغز و تالاموس و همچنین نواحی مربوطه در قشر مغز متصل می‌کنند.

Two other features of many neural systems are orderly representation of information at various levels, and a division of the function of the system into submodalities that are typically relayed and processed in parallel pathways. Parallel pathways arise because virtually all neural systems have identifiable subsystems. The human visual system, for instance, has subsystems that emphasize stimulus characteristics such as color, form, or motion, with each class of information relayed and processed separately to some degree. Similar segregation of information subtypes into parallel pathways is apparent in other sensory and motor systems.

دو ویژگی دیگر بسیاری از سیستم‌های عصبی، نمایش منظم اطلاعات در سطوح مختلف و تقسیم عملکرد سیستم به زیرمقیاس‌هایی است که معمولاً در مسیرهای موازی منتقل و پردازش می‌شوند. مسیرهای موازی به این دلیل ایجاد می‌شوند که تقریباً همه سیستم‌های عصبی دارای زیرسیستم‌های قابل شناسایی هستند. به عنوان مثال، سیستم بینایی انسان دارای زیرسیستم‌هایی است که بر ویژگی‌های محرک مانند رنگ، شکل یا حرکت تأکید می‌کنند و هر دسته از اطلاعات تا حدی جداگانه منتقل و پردازش می‌شوند. تفکیک مشابه زیرگروه‌های اطلاعات به مسیرهای موازی در سایر سیستم‌های حسی و حرکتی نیز مشهود است.

For systems such as vision and somatic sensation (e.g., touch)—systems that function to distinguish differences between neighboring points in the visual field or on the body’s surface—the representation of information is topographic. Such representations form topographic maps that reflect a point-to-point correspondence between the sensory periphery (the visual field or the body surface) and neighboring neurons within the central components of the system (in the spinal cord and brain). Motor systems also entail topographic representations of movements, although here the direction of information flow is from the CNS to the periphery.

برای سیستم‌هایی مانند بینایی و حس پیکری (مثلاً لامسه) – سیستم‌هایی که برای تشخیص تفاوت‌های بین نقاط مجاور در میدان بینایی یا روی سطح بدن عمل می‌کنند – نمایش اطلاعات توپوگرافیک است. چنین نمایش‌هایی نقشه‌های توپوگرافیک را تشکیل می‌دهند که منعکس کننده تطابق نقطه به نقطه بین حاشیه حسی (میدان بینایی یا سطح بدن) و نورون‌های مجاور در اجزای مرکزی سیستم (در نخاع و مغز) هستند. سیستم‌های حرکتی همچنین شامل نمایش‌های توپوگرافی حرکات هستند، اگرچه در اینجا جهت جریان اطلاعات از سیستم عصبی مرکزی به سمت محیط است.

For neural systems where the representation of information does not depend on discriminating neighboring points in a field—for example, hearing, smell, and taste— organizational principles compare, assess, and integrate multiple stimulus attributes in an orderly way that facilitates the extraction and processing of essential information. These representations, many of which remain only partially understood, are collectively referred to as computational maps. The organization of even more complex information such as perception, attention, emotions, and memories is also unclear, and presumably involves processing that engages additional networks beyond the relatively rudimentary level of topographic or computational maps in sensory and motor cortices (see Unit V).

برای سیستم‌های عصبی که در آن‌ها نمایش اطلاعات به تشخیص نقاط مجاور در یک میدان وابسته نیست – مثلاً شنوایی، بویایی و چشایی – اصول سازماندهی، ویژگی‌های محرک‌های متعدد را به روشی منظم مقایسه، ارزیابی و ادغام می‌کنند که استخراج و پردازش اطلاعات ضروری را تسهیل می‌کند. این نمایش‌ها، که بسیاری از آن‌ها هنوز تا حدی درک نشده‌اند، در مجموع به عنوان نقشه‌های محاسباتی شناخته می‌شوند. سازماندهی اطلاعات پیچیده‌تر مانند ادراک، توجه، احساسات و خاطرات نیز نامشخص است و احتمالاً شامل پردازشی است که شبکه‌های اضافی را فراتر از سطح نسبتاً ابتدایی نقشه‌های توپوگرافی یا محاسباتی در قشرهای حسی و حرکتی درگیر می‌کند (به بخش پنجم مراجعه کنید).

Genetic Analysis of Neural Systems

Genetic analyses of nervous system function in health and neural disorders have been made by examining families in which a disease is inherited in a Mendelian fashion (i.e., due to both parents carrying one copy of a recessive gene, leading to homozygosity for this gene in offspring, or by one parent carrying a non-lethal dominant gene that is passed on to an offspring). An alternative approach is statistical correlation of likely disease genes drawn from analyses of large cohorts of individuals with the same clinical diagnoses (genome-wide association studies, or GWAS). The idea with GWAS is that if a genetic variant occurs with a greater than random frequency in patients with a clinically diagnosed condition such as Alzheimer’s disease, schizophrenia, or autism, it probably contributes to that pathology. Once identified, human disease genes can be “modeled” in experimental animals that have orthologous genes (identical or similar genes based on sequence and chromosomal location). The identification of genes associated with diseases of the nervous system provides a direct connection between the brain’s genomic foundations and brain structure and function.

تحلیل ژنتیکی سیستم‌های عصبی

تحلیل‌های ژنتیکی عملکرد سیستم عصبی در سلامت و اختلالات عصبی با بررسی خانواده‌هایی انجام شده است که در آن‌ها یک بیماری به روش مندلی به ارث می‌رسد (یعنی به دلیل اینکه هر دو والدین یک نسخه از یک ژن مغلوب را حمل می‌کنند که منجر به هموزیگوت بودن این ژن در فرزندان می‌شود، یا توسط یکی از والدین که یک ژن غالب غیرکشنده را حمل می‌کند که به فرزندان منتقل می‌شود). یک رویکرد جایگزین، همبستگی آماری ژن‌های بیماری احتمالی است که از تجزیه و تحلیل گروه‌های بزرگی از افراد با تشخیص‌های بالینی یکسان (مطالعات ارتباط در سطح ژنوم یا GWAS) به دست آمده است. ایده GWAS این است که اگر یک گونه ژنتیکی با فراوانی بیشتر از حد تصادفی در بیمارانی با یک بیماری بالینی تشخیص داده شده مانند بیماری آلزایمر، اسکیزوفرنی یا اوتیسم رخ دهد، احتمالاً در آن آسیب‌شناسی نقش دارد. پس از شناسایی، ژن‌های بیماری انسانی را می‌توان در حیوانات آزمایشگاهی که دارای ژن‌های ارتولوگ (ژن‌های یکسان یا مشابه بر اساس توالی و موقعیت کروموزومی) هستند، “مدل‌سازی” کرد. شناسایی ژن‌های مرتبط با بیماری‌های سیستم عصبی، ارتباط مستقیمی بین مبانی ژنومی مغز و ساختار و عملکرد مغز ایجاد می‌کند.

       BOX 1A  Model Organisms in Neuroscience

Much modern neuroscience focuses on understanding the or ganization and function of the human nervous system, as well as the pathological bases of neurological and psychiatric diseases. These issues, however, are difficult to address by studying the human brain; therefore, neuroscientists have relied on the nervous systems of other animals as a guide. A wealth of information about the anatomy, biochemistry, physiology, cell biology, and genetics of neural systems has been gleaned by studying the brains of a va-riety of species.

جعبه ۱ الف  مدل‌سازی موجودات در علوم اعصاب

علوم اعصاب مدرن تا حد زیادی بر درک سازماندهی و عملکرد سیستم عصبی انسان و همچنین مبانی پاتولوژیک بیماری‌های عصبی و روانی تمرکز دارد. با این حال، پرداختن به این مسائل با مطالعه مغز انسان دشوار است. بنابراین، دانشمندان علوم اعصاب به سیستم عصبی سایر حیوانات به عنوان راهنما تکیه کرده‌اند. اطلاعات زیادی در مورد آناتومی، بیوشیمی، فیزیولوژی، زیست‌شناسی سلولی و ژنتیک سیستم‌های عصبی با مطالعه مغز گونه‌های مختلف جمع‌آوری شده است.

Often the choice of model species studied reflects the assumptions about enhanced  functional  capacity  in  that species; for example, from the 1950s through the 1970s, cats were the subjects of pioneering studies on visual function because they are highly “visual” animals, and therefore could be expected to have well-developed brain regions devoted to vision—regions similar to those found in primates, including humans. Much of what is currently known about human vision is based on studies carried out in cats. Studies on invertebrates such as the squid and the sea slug Aplysia californica yielded similarly critical insights into the basic cell biology of neurons, synaptic transmission, and synaptic plasticity (the basis of learning and memory). Both the squid and the sea slug were chosen because of certain exceptionally large nerve cells with stereotypic identity and connections that were well suited to physiological measurements. In each case, the advantages offered by these cells made it possible to perform experiments that helped answer key questions.

اغلب انتخاب گونه‌های مدل مورد مطالعه، نشان‌دهنده فرضیاتی در مورد ظرفیت عملکردی افزایش‌یافته در آن گونه است؛ برای مثال، از دهه 1950 تا 1970، گربه‌ها موضوع مطالعات پیشگام در مورد عملکرد بینایی بودند، زیرا حیواناتی بسیار “بینایی” هستند و بنابراین می‌توان انتظار داشت که مناطق مغزی توسعه‌یافته‌ای مختص بینایی داشته باشند – مناطقی مشابه آنچه در نخستی‌ها، از جمله انسان، یافت می‌شود. بخش عمده‌ای از آنچه در حال حاضر در مورد بینایی انسان می‌دانیم، مبتنی بر مطالعات انجام شده در گربه‌ها است. مطالعات روی بی‌مهرگانی مانند ماهی مرکب و حلزون دریایی Aplysia californica بینش‌های حیاتی مشابهی در مورد زیست‌شناسی سلولی پایه نورون‌ها، انتقال سیناپسی و انعطاف‌پذیری سیناپسی (اساس یادگیری و حافظه) به همراه داشته است. هم ماهی مرکب و هم حلزون دریایی به دلیل برخی سلول‌های عصبی فوق‌العاده بزرگ با هویت کلیشه‌ای و ارتباطاتی که برای اندازه‌گیری‌های فیزیولوژیکی مناسب بودند، انتخاب شدند. در هر مورد، مزایای ارائه شده توسط این سلول‌ها، انجام آزمایش‌هایی را که به پاسخ به سؤالات کلیدی کمک می‌کردند، امکان‌پذیر ساخت.

Biochemical,  cellular,  anatomical, physiological, and behavioral studies continue to be conducted on a wide range of animals. However, the complete sequencing of the genomes of invertebrate and vertebrate species, including mammals, has led to the informal adoption by many neuroscientists of four “model” organisms based on the ability to do genetic analysis and manipulation in each of these species. A majority of the genes in the human genome are ex-pressed in the developing and adult nervous system. The same is true in the nematode worm Caenorhabditis elegans; the fruit fly Drosophila melanogaster; the zebrafish (Danio rerio); and the house mouse (Mus musculus)—the four species commonly used in modern genetics, and used increasingly in neuroscience. Despite certain limitations in each of these species, the availability of their genomes facilitates research on a range of questions at the molecular, cellular, anatomical, and physiological levels.

مطالعات بیوشیمیایی، سلولی، آناتومیکی، فیزیولوژیکی و رفتاری همچنان بر روی طیف وسیعی از حیوانات انجام می‌شود. با این حال، توالی‌یابی کامل ژنوم گونه‌های بی‌مهره و مهره‌داران، از جمله پستانداران، منجر به پذیرش غیررسمی چهار موجود زنده «مدل» توسط بسیاری از دانشمندان علوم اعصاب بر اساس توانایی انجام تجزیه و تحلیل ژنتیکی و دستکاری در هر یک از این گونه‌ها شده است. اکثر ژن‌های ژنوم انسان در سیستم عصبی در حال رشد و بالغ بیان می‌شوند. همین امر در مورد کرم نماتد Caenorhabditis elegans؛ مگس میوه Drosophila melanogaster؛ ماهی گورخری (Danio rerio)؛ و موش خانگی (Mus musculus) نیز صادق است – چهار گونه‌ای که معمولاً در ژنتیک مدرن استفاده می‌شوند و به طور فزاینده‌ای در علوم اعصاب مورد استفاده قرار می‌گیرند. با وجود محدودیت‌های خاص در هر یک از این گونه‌ها، در دسترس بودن ژنوم آنها، تحقیق در مورد طیف وسیعی از سوالات در سطوح مولکولی، سلولی، آناتومیکی و فیزیولوژیکی را تسهیل می‌کند.

One advantage of these model species is that the wealth of genetic and genomic information for each one permits sophisticated manipulation of gene expression and function. Thus, once an important gene for brain development or later function is identified, it can be specifically manipulated in the worm, fly, fish, or mouse. Large-scale screens of mutant animals whose genomes have been modified randomly by chemical mutagens allow investigators to search for changes from typical development structure and function (the phenotype) and to identify genes related to specific aspects of brain architecture or behavior. Similar efforts, although more limited in scope, have identified spontaneous or induced mutations in the mouse that disrupt brain development or function. In addition, manipulations that result in so-called transgenic animals permit genes to be introduced into the genome (“knocked in”), or to be deleted or mutated (“knocked out”) using the remarkable capacity of genomes to splice in new sequences that are similar to endogenous genes. This capacity, referred to as homologous recombination, allows DNA constructs that disrupt or alter the expression of specific genes to be inserted into the location of the normal gene in the host species. These approaches allow assessment of the consequences of eliminating or altering gene function.

یکی از مزایای این گونه‌های مدل این است که اطلاعات ژنتیکی و ژنومی فراوان برای هر یک از آنها، امکان دستکاری پیچیده بیان و عملکرد ژن را فراهم می‌کند. بنابراین، هنگامی که یک ژن مهم برای رشد مغز یا عملکرد بعدی آن شناسایی شد، می‌توان آن را به طور خاص در کرم، مگس، ماهی یا موش دستکاری کرد. غربالگری در مقیاس بزرگ از حیوانات جهش‌یافته که ژنوم آنها به طور تصادفی توسط جهش‌زاهای شیمیایی اصلاح شده است، به محققان این امکان را می‌دهد که تغییرات ساختار و عملکرد معمول رشد (فنوتیپ) را جستجو کنند و ژن‌های مرتبط با جنبه‌های خاص معماری یا رفتار مغز را شناسایی کنند. تلاش‌های مشابه، اگرچه دامنه محدودتری دارند، جهش‌های خودبه‌خودی یا القایی را در موش شناسایی کرده‌اند که رشد یا عملکرد مغز را مختل می‌کند. علاوه بر این، دستکاری‌هایی که منجر به حیوانات به اصطلاح تراریخته می‌شوند، اجازه می‌دهند ژن‌ها با استفاده از ظرفیت قابل توجه ژنوم‌ها برای پیوند در توالی‌های جدید که مشابه ژن‌های درون‌زا هستند، وارد ژنوم شوند (“knocked in”)، یا حذف یا جهش یافته شوند (“knocked out”). این قابلیت که به عنوان نوترکیبی همولوگ شناخته می‌شود، به ساختارهای DNA که بیان ژن‌های خاص را مختل یا تغییر می‌دهند، اجازه می‌دهد تا در محل ژن طبیعی در گونه میزبان قرار گیرند. این رویکردها امکان ارزیابی پیامدهای حذف یا تغییر عملکرد ژن را فراهم می‌کنند.

Neuroscientists study the nervous systems and behaviors of other species as well, but with somewhat differ-ent aims. Crustaceans such as crayfish and lobsters and insects such as grasshoppers and cockroaches have been useful for discerning basic rules that govern neural circuit function. Avians and amphibians (chickens and frogs) continue to be useful for studying early neural development, and mammals such as rats are used extensively for neuropharmacological and behavioral studies of adult brain function. Finally, non-human primates (the rhesus monkey in particular) provide opportunities to study complex functions that closely approximate those carried out in the human brain. None of these species, however, is as amenable to genetic and genomic manipulations as are the four species mentioned above, each of which has made significant contributions to understanding the human brain.

دانشمندان علوم اعصاب، سیستم‌های عصبی و رفتارهای گونه‌های دیگر را نیز مطالعه می‌کنند، اما با اهدافی تا حدودی متفاوت. سخت‌پوستانی مانند خرچنگ و لابستر و حشراتی مانند ملخ و سوسک برای تشخیص قوانین اساسی حاکم بر عملکرد مدار عصبی مفید بوده‌اند. پرندگان و دوزیستان (مرغ‌ها و قورباغه‌ها) همچنان برای مطالعه رشد عصبی اولیه مفید هستند و پستاندارانی مانند موش‌ها به طور گسترده برای مطالعات نوروفارماکولوژیک و رفتاری عملکرد مغز بزرگسالان استفاده می‌شوند. در نهایت، نخستی‌سانان غیرانسانی (به ویژه میمون رزوس) فرصت‌هایی را برای مطالعه عملکردهای پیچیده‌ای فراهم می‌کنند که تقریباً مشابه عملکردهای انجام شده در مغز انسان هستند. با این حال، هیچ یک از این گونه‌ها به اندازه چهار گونه ذکر شده در بالا، که هر یک سهم قابل توجهی در درک مغز انسان داشته‌اند، در معرض دستکاری‌های ژنتیکی و ژنومی نیستند.

Estimated genome sizes of humans and several model species. Note that the number of genes in an organism’s genome does not correlate with cellular or organismal complexity; the simple nematode Caenorhabditis elegans, for example, has almost the same number of genes as a human. Much genetic activity is dependent on transcription factors that regulate when and to what degree a given gene is expressed.

اندازه تخمینی ژنوم انسان و چندین گونه مدل. توجه داشته باشید که تعداد ژن‌های موجود در ژنوم یک موجود زنده با پیچیدگی سلولی یا ارگانیسمی همبستگی ندارد؛ به عنوان مثال، نماتد ساده Caenorhabditis elegans تقریباً تعداد ژن‌های یکسانی با انسان دارد. بسیاری از فعالیت‌های ژنتیکی به فاکتورهای رونویسی وابسته هستند که زمان و میزان بیان یک ژن خاص را تنظیم می‌کنند.

Most of the analysis of the biological function of human disease genees has been done in mice, although some has been done fruit files (Drosophila melangaster) a nematode worm (Caenorhabditis elegans), and more recently, zebrafish (Danio rerio) (Box 1A). In the fly and worm, “forward” genetic analysis can be used in which flies or worms are randomly mutagenized using chemicals, ultraviolet light, or X-ray irradiation. Mutants with genes orthologous to human genes are then identified based on animal phenotypes that parallel those in humans.

بیشتر تجزیه و تحلیل عملکرد بیولوژیکی ژن‌های بیماری‌های انسانی در موش‌ها انجام شده است، اگرچه برخی از آنها در مورد مگس میوه (Drosophila melangaster)، کرم نماتد (Caenorhabditis elegans) و اخیراً در مورد ماهی زبرا (Danio rerio) (کادر 1A) انجام شده است. در مگس و کرم، می‌توان از تجزیه و تحلیل ژنتیکی “رو به جلو” استفاده کرد که در آن مگس‌ها یا کرم‌ها به طور تصادفی با استفاده از مواد شیمیایی، نور ماوراء بنفش یا تابش اشعه ایکس جهش می‌یابند. سپس جهش‌یافته‌هایی با ژن‌های ارتولوگ با ژن‌های انسانی بر اساس فنوتیپ‌های حیوانی که مشابه فنوتیپ‌های انسانی هستند، شناسایی می‌شوند.

An alternative to mutagenesis is genetic engineering, or “reverse” genetics. This approach is used in several model species; however, for neuroscience, genetically engineered mice have become particularly important, since mutations that parallel those found in humans can be made in orthologous mouse genes (Figure 1.13A). All of the techniques of genetic engineering rely on manipulations either in newly fertilized mouse zygotes (transgenic mice are made this way) or in mouse embryonic stem (ES) cells (“knock-out” and “knock-in” mice are made this way). In each instance, the murine genome is altered so that all cells in the mouse will carry the mutation. Knock-in and knockout mice are made by homologous recombination. This approach relies on endogenous cellular mechanisms for DNA replication and repair. DNA polymerases and ligases can mistake a synthetic DNA sequence targeted by homologous 3and 5 sequences to a specific region of the genome and substitute (“recombine”) the exogenous DNA sequence (at a low frequency) for the sequence normally found at that location. ES cells that have undergone homologous recombination for the targeted gene sequence are then injected into the blastocyst of a newly fertilized in vitro mouse embryo, where they integrate into the developing embryo, including germ cells (embryonic cells that give rise to egg or sperm precursors). This genetically engineered mouse can now pass the engineered gene to subsequent generations.

یک جایگزین برای جهش‌زایی، مهندسی ژنتیک یا ژنتیک «معکوس» است. این رویکرد در چندین گونه مدل استفاده می‌شود؛ با این حال، برای علوم اعصاب، موش‌های مهندسی ژنتیک شده اهمیت ویژه‌ای پیدا کرده‌اند، زیرا جهش‌هایی که مشابه جهش‌های یافت شده در انسان هستند را می‌توان در ژن‌های ارتولوگ موش ایجاد کرد (شکل 1.13A). تمام تکنیک‌های مهندسی ژنتیک به دستکاری‌هایی یا در زیگوت‌های موش تازه لقاح یافته (موش‌های تراریخته به این روش ساخته می‌شوند) یا در سلول‌های بنیادی جنینی (ES) موش («موش‌های ناک اوت» و «ناک این» به این روش ساخته می‌شوند) متکی هستند. در هر مورد، ژنوم موش تغییر می‌کند تا تمام سلول‌های موش حامل جهش باشند. موش‌های ناک این و ناک اوت با نوترکیبی همولوگ ساخته می‌شوند. این رویکرد به مکانیسم‌های سلولی درون‌زا برای تکثیر و ترمیم DNA متکی است. DNA پلیمرازها و لیگازها می‌توانند یک توالی DNA مصنوعی را که توسط توالی‌های همولوگ ۳ و ۵ هدف قرار گرفته است، به اشتباه به یک ناحیه خاص از ژنوم منتقل کنند و توالی DNA خارجی را (با فراوانی کم) با توالی که معمولاً در آن مکان یافت می‌شود، جایگزین کنند (“نوترکیب”). سلول‌های ES که تحت نوترکیبی همولوگ برای توالی ژن هدف قرار گرفته‌اند، سپس به بلاستوسیست جنین موش تازه لقاح یافته در شرایط آزمایشگاهی تزریق می‌شوند، جایی که آنها در جنین در حال رشد، از جمله سلول‌های زایا (سلول‌های جنینی که پیش‌سازهای تخمک یا اسپرم را ایجاد می‌کنند) ادغام می‌شوند. این موش مهندسی ژنتیکی شده اکنون می‌تواند ژن مهندسی شده را به نسل‌های بعدی منتقل کند.

FIGURE 1.13  Genetic engineering. (A) Creation of a homozygous carrier mouse. (B) Conditional mutagenesis using the Cre/lox system, which excises a genetic sequence of interest.(C) DNA editing using CRISPR-Cas9. (A after Stewart and Mintz, 1981.)

شکل ۱.۱۳ مهندسی ژنتیک. (الف) ایجاد یک موش حامل هموزیگوت. (ب) جهش‌زایی شرطی با استفاده از سیستم Cre/lox، که توالی ژنتیکی مورد نظر را حذف می‌کند. (ج) ویرایش DNA با استفاده از CRISPR-Cas9. (الف برگرفته از استوارت و مینتز، ۱۹۸۱.)

Knock-in and knock-out mice can be engineered for con-ditional mutations using the Cre/lox system, in which an exogenous recombinase recognizes unique DNA excision sequences (loxP sequences) that are introduced at the 5¢ and 3¢ ends of an endogenous gene and eliminates the intervening sequence (Figure 1.13B). The loxP sequences are not found in mammalian genomes but occur in genomes of bacteria targeted by certain viruses. The viruses use a unique DNA cutting enzyme, called Cre recombinase (Cre stands for Causes recombination), to cut pieces of DNA out of the bacterial genome, and then recombine the cut ends. Cre recombinase is also not found in any vertebrate genome, so in applying the Cre/lox system to murine models, the gene encoding Cre recombinase must first be introduced into the mouse genome. The Cre insert is engineered so that it has DNA sequences on the 5¢ and 3¢ ends that are homologous to an endogenous mouse gene. During mitotic DNA replication, the Cre DNA gets recombined into the genome at that locus and is then expressed under the control of the promoter and other regulatory sequences for that gene. With expression of the Cre DNA, the resulting Cre recombinase engages the loxP binding sites, and the intervening endogenous exon targeted for elimination (the so-called floxed sequence) is excised.

موش‌های ناک-این و ناک-اوت را می‌توان با استفاده از سیستم Cre/lox برای جهش‌های شرطی مهندسی کرد، که در آن یک ریکامبیناز برون‌زا، توالی‌های برش DNA منحصر به فرد (توالی‌های loxP) را که در انتهای 5¢ و 3¢ یک ژن درون‌زا معرفی شده‌اند، شناسایی کرده و توالی مداخله‌گر را حذف می‌کند (شکل 1.13B). توالی‌های loxP در ژنوم پستانداران یافت نمی‌شوند، اما در ژنوم باکتری‌هایی که توسط ویروس‌های خاصی هدف قرار می‌گیرند، وجود دارند. ویروس‌ها از یک آنزیم برش DNA منحصر به فرد به نام کری ریکامبیناز (Cre مخفف Causes recombination) برای برش قطعات DNA از ژنوم باکتری و سپس ترکیب انتهای بریده شده استفاده می‌کنند. کری ریکامبیناز همچنین در هیچ ژنوم مهره‌داری یافت نمی‌شود، بنابراین در اعمال سیستم Cre/lox به مدل‌های موشی، ابتدا باید ژن کدکننده کری ریکامبیناز را به ژنوم موش وارد کرد. قطعه‌ی الحاقی Cre به گونه‌ای مهندسی شده است که در انتهای 5¢ و 3¢ خود، توالی‌های DNA همولوگ با یک ژن درون‌زاد موش دارد. در طول همانندسازی DNA میتوزی، DNAی Cre در آن جایگاه در ژنوم نوترکیب می‌شود و سپس تحت کنترل پروموتر و سایر توالی‌های تنظیمی برای آن ژن بیان می‌شود. با بیان DNAی Cre، نوترکیبی Cre حاصل، جایگاه‌های اتصال loxP را درگیر می‌کند و اگزون درون‌زاد میانی که برای حذف هدف قرار گرفته است (به اصطلاح توالی شناور شده) جدا می‌شود.

In a further refinement of this technique, Cre recombinase has been reengineered with a genetically modified estrogen receptor that cannot bind endogenous estrogen (the gonadal steroid) and can only be activated by an exogenous chemical (tamoxifen), a synthetic estrogen analog. This approach, referred to as the Cre:ERT method (ERT stands for estrogen receptor reengineered for tamoxifen activation), allows for temporal control of recombination. Tamoxifen is given at the time during development or in the adult that one wishes to assess gene function, and the target gene is excised or activated by the Cre recombinase only at that time.

در اصلاح بیشتر این تکنیک، ریکامبیناز Cre با یک گیرنده استروژن اصلاح‌شده ژنتیکی مهندسی مجدد شده است که نمی‌تواند به استروژن درون‌زا (استروئید غدد جنسی) متصل شود و فقط می‌تواند توسط یک ماده شیمیایی برون‌زا (تاموکسیفن)، یک آنالوگ مصنوعی استروژن، فعال شود. این رویکرد که به عنوان روش Cre:ERT شناخته می‌شود (ERT مخفف گیرنده استروژن مهندسی مجدد شده برای فعال‌سازی تاموکسیفن است)، امکان کنترل زمانی نوترکیبی را فراهم می‌کند. تاموکسیفن در زمانی در طول رشد یا در بزرگسالی که مایل به ارزیابی عملکرد ژن است، تجویز می‌شود و ژن هدف فقط در همان زمان توسط ریکامبیناز Cre برداشته یا فعال می‌شود.

An even newer approach to genetic engineering uses CRISPR-Cas9 DNA editing, which allows specific  mutations to be inserted into targeted genes (Figure 1.13C). CRISPR-Cas9 relies on a specific RNA guide sequence (gRNA) that combines with tracrRNA recognized by the bacterial Cas9 DNA excision/repair enzyme. This RNA/ enzyme complex cleaves the DNA at the genomic location recognized by the guide sequence. Following Cas9 excision, the DNA is repaired by non-homologous end joining, yielding a microdeletion mutation. Alternatively, a donor DNA sequence can be inserted following Cas9 cleavage via a mechanism similar to homologous recombination. The consequences of these modifications can then be studied. Despite these remarkable techniques, identifying genes responsible for diseases has been much harder than anticipated, and whether mutations in the mouse are valid replicas of a human disease is always uncertain.

یک رویکرد جدیدتر در مهندسی ژنتیک، از ویرایش DNA با CRISPR-Cas9 استفاده می‌کند که امکان درج جهش‌های خاص در ژن‌های هدف را فراهم می‌کند (شکل 1.13C). CRISPR-Cas9 به یک توالی راهنمای RNA خاص (gRNA) متکی است که با tracrRNA شناسایی‌شده توسط آنزیم برش/ترمیم DNA Cas9 باکتریایی ترکیب می‌شود. این کمپلکس RNA/آنزیم، DNA را در محل ژنومی شناسایی‌شده توسط توالی راهنما برش می‌دهد. پس از برش Cas9، DNA با اتصال انتهای غیرهمولوگ ترمیم می‌شود و یک جهش ریزحذفی ایجاد می‌کند. از طرف دیگر، می‌توان یک توالی DNA دهنده را پس از برش Cas9 از طریق مکانیسمی مشابه نوترکیبی همولوگ وارد کرد. سپس می‌توان پیامدهای این اصلاحات را مطالعه کرد. با وجود این تکنیک‌های قابل توجه، شناسایی ژن‌های مسئول بیماری‌ها بسیار دشوارتر از حد انتظار بوده است و اینکه آیا جهش‌ها در موش، کپی‌های معتبری از یک بیماری انسانی هستند یا خیر، همیشه نامشخص است.

Structural Analysis of Neural Systems

ادامه فصل در «قسمت بعد فصل اول»