Pesquisadores da fisiologia humana sabem há muito tempo que células nervosas individuais, também chamadas neurônios, são uma das poucas células com capacidade de regenerar e se auto-reparar. Uma célula nervosa transmite sinais elétricos através de uma longa protrusão estrutural chamada axônio. Quando o axônio é lesionado e rompe completamente, ele começa a se regenerar e a crescer em direção a sua outra extremidade previamente cortada. Na virada do século XXI, muito havia sido aprendido sobre o processo, mas com pouca certeza científica sobre o mecanismo exato, os pesquisadores apelidaram esse campo de estudo de orientação restrita, a orientação do axônio.
Uma célula nervosa pode ser descrita como tendo três partes. O corpo principal da célula, chamado soma, possui muitas pequenas saliências ramificadas chamadas dendritos, que captam as assinaturas químicas de um sinal elétrico. Para retransmitir o sinal, o soma gera uma carga elétrica que pulsa ao longo de outra protrusão singular, seu axônio. Seja um neurônio motor para controlar o movimento muscular ou um neurônio sensorial para detectar cócegas na pele, um único axônio microscopicamente fino pode alcançar do dedo do pé até a base da coluna vertebral. A questão fundamental da orientação do axônio é como o axônio em crescimento e alongamento ativo de um nervo encontra seu caminho para o local terminal correto e extremamente preciso.
A suposição equivocada de que uma célula é pré-programada internamente é descartada, pois cada célula contém o mesmo conjunto de instruções genéticas. A conclusão é que deve ser um sinal externo, provavelmente químico, para o qual um axônio está retornando. Consequentemente, a ponta de um axônio em crescimento deve conter um receptor para reconhecer o sinal. Os pesquisadores acreditam que este é um dos principais fatores de orientação do axônio.
A ponta de um axônio em crescimento ou em regeneração é chamada de cone de crescimento. Verificou-se que ele desenvolve protrusões incomuns e muito pequenas, chamadas filópodes, que fazem contato com o tecido circundante. Eles estão procurando por substâncias químicas chamadas moléculas de adesão celular, encontradas principalmente nas paredes celulares de certos tipos de tecido, que sinalizam o axônio para aderir a esse local e continuar pesquisando. Guiado assim, um axônio em regeneração pode crescer até 0,08 – 0,2 polegadas (2-5 mm) por dia.
Os pesquisadores descobriram que cada filopodia é atraído não apenas por certos produtos químicos, mas também repelido por outros. A detecção desses produtos químicos acelera ou diminui a taxa de crescimento do axônio, e a detecção relativa de cada filopodia resulta em crescimento assimétrico. O axônio é quimicamente guiado para crescer em direções gradualmente corrigidas. Uma dificuldade com esse modelo de orientação do axônio, no entanto, é que os pesquisadores estão catalogando numerosos produtos químicos biológicos aos quais o cone de crescimento reage.
Naturalmente, a embriologia ou o estudo do desenvolvimento inicial de um organismo cruza a pesquisa na orientação axonal. Uma teoria derivada da observação dos ovos de galinhas e sapos sugere que os axônios crescem de acordo com uma topografia espacial. A dispersão relativa de sinais químicos da multidão de células nervosas próximas atua como uma espécie de alinhamento magnético para organizar a direção de crescimento do axônio. Outra teoria observa que a simetria bilateral dos animais mais complexos exige que os axônios encontrem pontos de decisão, chamados comisures, para direcioná-los em direções radicalmente específicas, como direita ou esquerda. Há evidências de certos tipos de células denominadas células guia, que incluem outras células nervosas em crescimento, que têm esse efeito.
O sistema nervoso humano pode ser subdividido no sistema nervoso central, constituído pelo cérebro e medula espinhal, e pelo sistema nervoso periférico que se ramifica por todo o corpo. Há muito a aprender sobre como as células nervosas do cérebro e da medula espinhal se regeneram e reparam. Supõe-se que uma melhor compreensão do processo mais facilmente observável de regeneração dos nervos periféricos leve a possíveis terapias para lesões cerebrais e da coluna vertebral.