مقدمة في الفسيولوجيا العصبية
يوفر مجال الفسيولوجيا العصبية رؤية متعمقة حول كيفية عمل الجهاز العصبي وكيف يمكن أن يؤدي خلله الوظيفي إلى الإصابة بالأمراض. والفسيولوجيا هي دراسة كيفية عمل الكائنات الحية وأجزائها. ويمكن تعريف الفسيولوجيا العصبية بأنها دراسة وظائف الجهاز العصبي، الذي يشمل الدماغ، والنخاع الشوكي، والأعصاب الطرفية، وأعضاء الحس.
يتناول علماء الفسيولوجيا العصبية الجهاز العصبي عند مستويات متعددة من التنظيم تشمل الأنظمة الوظيفية، والدوائر العصبية، والعصبونات المنفردة، والمقصورات العصبونية.
يقدم هذا الفيديو نبذة تاريخية موجزة عن الفسيولوجيا العصبية، ويطرح الأسئلة الرئيسية التي يطرحها علماء الفسيولوجيا العصبية، ويصف بعض الطرق البارزة، وأخيرًا يناقش تطبيقات هذا المجال.
لنبدأ بمراجعة بعض الدراسات البارزة في تاريخ الفسيولوجيا العصبية.
لقد استحوذت خصائص الجهاز العصبي على اهتمام البشر منذ عام 1600 قبل الميلاد على الأقل، عندما صاغ المصريون أقدم نص باقٍ يشير إلى الدماغ.
وبالانتقال إلى العصر الحديث، في عام 1771، أثبت لويجي جالفاني أن الصدمة الكهربائية يمكن أن تجعل عضلة ضفدع ميت تتقلص. وزعم أن هذا التأثير كان بسبب "الكهرباء الحيوانية".
ولم يتمكن إميل دو بوا ريموند حتى أربعينيات القرن التاسع عشر من إثبات أن الكهرباء الحيوانية كانت في الواقع نبضة عصبية أو "جهد فعل".
وبالانتقال إلى عام 1924، سجل هانز بيرجر الطبيعة الكهربائية لنشاط الدماغ الشامل لدى البشر عن طريق تخطيط كهربائية الدماغ أو EEG، وهي تقنية لا تزال مستخدمة على نطاق واسع من قبل علماء الفسيولوجيا العصبية اليوم.
وفي وقت لاحق، في عام 1939، حدد آلان هودجكين وأندرو هكسلي أن أغشية الخلايا العصبية تسمح للجزيئات المشحونة بالتدفق من وإلى الخلية بطريقة يمكن التنبؤ بها في المحور العصبي العملاق للحبار.
وفي عام 1951، اكتشف السير جون إيكلز طريقة حاسمة يتم من خلالها نقل المعلومات من خلية عصبية إلى أخرى. حيث وصف المشبك الكيميائي حيث يتم تحويل الإشارة الكهربائية من خلية عصبية إلى إشارة كيميائية تستقبلها خلية عصبية ثانية.
بعد ذلك، في عام 1976، طور إروين نيهر وبيرت ساكمان تقنية تثبيت الرقعة (patch-clamp)، والتي وفرت وسيلة لدراسة أغشية الخلايا القابلة للاستثارة بتفاصيل دقيقة للغاية.
وفي الآونة الأخيرة، في عام 2005، ابتكر كارل ديسيروث وإد بويدن وفينج تشانج استراتيجية ثورية تسمى علم البصريات الوراثي (optogenetics) للتحكم في الخصائص الكهربائية للخلايا العصبية عن طريق هندستها وراثياً للتعبير عن قنوات حساسة للضوء تنتمي إلى عائلة من البروتينات تسمى "opsins". ومن خلال تنشيط هذه القنوات بضوء مستهدف، يمكن استثارة خلايا عصبية معينة أو تثبيطها بدقة لم تكن ممكنة من قبل، مما يسمح بالتلاعب المفصل بالدوائر العصبية.
بعد أن استعرضنا أبرز المحطات التاريخية، دعونا نفحص بعض الأسئلة الجوهرية التي يطرحها علماء الفسيولوجيا العصبية اليوم.
في البداية، يركز بعض الباحثين على كيفية تنظيم الوظائف على المستويين الخلوي والجزيئي للعصبونات الفردية.
على سبيل المثال، قد يدرسون كيف تساهم مستقبلات محددة على الزوائد الشجرية في الاستجابة بعد التشابكية، والتي قد تؤدي إلى جهد فعل. كما قد يبحثون في اقتران الإثارة بالإفراز عند التشابك العصبي، وهو ما يعني اهتمامهم بكيفية تأثير الإثارة العصبية والآليات قبل التشابكية على إطلاق النواقل العصبية.
ويتساءل علماء فسيولوجيا عصبية آخرون عن كيفية معالجة العصبونات للمعلومات التي يتم استقبالها في تفرعات الزوائد الشجرية. وقد يستخدمون تقنيات متعددة لفحص المحور العصبي، والزوائد الشجرية، والأشواك الشجرية لعصبون واحد في آن واحد.
بينما يدرس علماء فسيولوجيا عصبية آخرون كيفية معالجة الدوائر العصبية للمعلومات. وعادةً ما تُدرس هذه الدوائر في سياق سلوك بسيط أو استجابة لمحفز يُعتقد أنها تتحكم فيه.
وينظر بعض علماء الفسيولوجيا العصبية في أنماط النشاط عبر مناطق واسعة من الجهاز العصبي. فقد يتساءلون عن كيفية انتقال نشاط الدماغ، الموضح باللونين الأصفر والأحمر، بين مناطق الدماغ اعتماداً على ما يقوم به الخاضع للتجربة.
وكما ترون، يمكن لعالم الفسيولوجيا العصبية معالجة مجموعة من الأسئلة العلمية، بدءاً من الجزيئات المفردة في العصبونات وصولاً إلى النشاط واسع النطاق في الدماغ.
الآن وبعد أن أصبحت لديك فكرة عن بعض الأسئلة الجوهرية التي يطرحها علماء الفسيولوجيا العصبية، لنلقِ نظرة على بعض الطرق البارزة المستخدمة للإجابة عليها.
تعد تقنية تثبيت الرقعة (Patch clamping) واحدة من أكثر التقنيات استخداماً لاستقصاء العصبونات على المستويين الخلوي والجزيئي. وباستخدام قدر ضئيل من الشفط، يتم إحكام غلق قطب شعري زجاجي دقيق على العصبون، مما يسمح بالمراقبة الداخلية لاستثارة الخلية بأكملها. وهناك أيضاً تكوينات لتثبيت الرقعة يتم فيها استئصال رقعة صغيرة من الغشاء من الخلية، مما يتيح الوصول إلى الجانب السيتوبلازمي للغشاء البلازمي لإجراء التدخلات الدوائية.
يمكن استخدام تصوير الكالسيوم لاستقصاء الاستثارة عبر العصبون بأكمله. حيث يتم تحميل العصبونات بصبغة يتغير فلورها استجابةً لارتفاع تركيز الكالسيوم داخل الخلية. وبينما يمتلك الكالسيوم داخل الخلايا وظائف عديدة، يمكن استخدام تصوير الكالسيوم كمقياس غير مباشر لجهود الفعل كما هو موضح في هذا العصبون النموذجي.
يجب أن تكون التقنيات المستخدمة لدراسة الدوائر العصبية قادرة على مراقبة العديد من العصبونات في وقت واحد. ويعد استخدام مصفوفات الأقطاب الكهربائية المتعددة ذات نقاط التلامس الكثيرة إحدى الطرق المستخدمة للتسجيل من عصبونات متعددة بشكل متزامن.
يمكن أيضاً استقصاء الدوائر العصبية باستخدام علم البصريات الوراثي (optogenetics)، حيث يتم تعديل العصبونات للتعبير عن قنوات أيونية حساسة للضوء. وعند تعرضها للضوء، تفتح هذه القنوات، وبناءً على انتقائيتها الأيونية، يمكنها إما تثبيط أو استثارة العصبون، مما يوفر رؤية حول الدور الذي يلعبه ذلك العصبون في دائرة معينة والاستجابة السلوكية التي تحكمها تلك الدائرة.
لتصور أنماط النشاط على نطاق أوسع، يتم استخدام مجموعة متنوعة من التقنيات. يستخدم تخطيط كهربائية الدماغ أو EEG أقطاباً كهربائية على الجمجمة لمراقبة النشاط الكهربائي عبر الدماغ بأكمله.
والطريقة الثانية هي تخطيط كهربائية القشرة الدماغية أو ECoG، والتي تراقب أيضاً النشاط الكهربائي ولكن مع وضع الأقطاب الكهربائية على سطح الدماغ. وعادة ما يتم إجراء هذه الطريقة بالتزامن مع إجراء سريري مثل تلك التي تُجرى لمرضى الصرع. وبدلاً من ذلك، تستخدم تقنية تُعرف باسم مطيافية الأشعة تحت الحمراء القريبة الوظيفية الأشعة تحت الحمراء لمراقبة استخدام الأكسجين كعلاقة ارتباطية بالنشاط العصبي، وهو ما يمكن مراقبته أثناء المهام السلوكية.
الآن وبعد أن أصبحت على دراية ببعض مناهج البحث الشائعة، دعنا نلقي نظرة على بعض تطبيقات أبحاث الفسيولوجيا العصبية.
أحد الأهداف الرئيسية لهذا المجال هو تحديد سبب وعلاج خلل وظائف الجهاز العصبي، كما هو الحال في الصرع. وتتمثل إحدى الطرق في زرع أقطاب كهربائية لتسجيلات تخطيط قشرة الدماغ لنشاط دماغ المريض من أجل تحديد موقع المناطق المختلة وظيفياً في الدماغ التي تسبب النوبات.
من التطبيقات الجديدة والمثيرة للفسيولوجيا العصبية تطوير واجهات الدماغ والآلة. في هذه الواجهات، يتم مراقبة نشاط الدماغ بينما يفكر الشخص في أداء مهمة ما، مثل تحريك مؤشر على الشاشة. ويتم تغذية هذا النشاط في الكمبيوتر كإشارة أمر لتحريك المؤشر. وجوهر هذه العملية هو التحكم في الجهاز باستخدام التفكير.
هناك تطبيق آخر للفسيولوجيا العصبية وهو استقصاء الدوائر العصبية باستخدام علم البصريات الوراثي (optogenetics). من خلال تجميع سلك ألياف بصرية يتصل بموصل مزروع في دماغ فأر معدل وراثياً، يمكن لهؤلاء الباحثين تصور النتيجة السلوكية لتحفيز دوائر عصبية محددة بشكل مباشر.
لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE عن الفسيولوجيا العصبية ودراستها للجهاز العصبي. لقد استعرضنا أبرز المحطات التاريخية، والأسئلة الجوهرية التي يطرحها علماء الفسيولوجيا العصبية، وبعض التقنيات التي يستخدمونها.
شكرًا للمشاهدة!
تُعرف الفسيولوجيا العصبية بشكل عام بأنها دراسة وظائف الجهاز العصبي. وفي هذا المجال، يبحث العلماء في الجهازين العصبيين المركزي والمحيطي على مستوى الأعض…
يوفر مجال الفسيولوجيا العصبية رؤية متعمقة حول كيفية عمل الجهاز العصبي وكيف يمكن أن يؤدي خلله الوظيفي إلى الإصابة بالأمراض. والفسيولوجيا هي دراسة كيفية عمل الكائنات الحية وأجزائها. ويمكن تعريف الفسيولوجيا العصبية بأنها دراسة وظائف الجهاز العصبي، الذي يشمل الدماغ، والنخاع الشوكي، والأعصاب الطرفية، وأعضاء الحس.
يتناول علماء الفسيولوجيا العصبية الجهاز العصبي عند مستويات متعددة من التنظيم تشمل الأنظمة الوظيفية، والدوائر العصبية، والعصبونات المنفردة، والمقصورات العصبونية.
يقدم هذا الفيديو نبذة تاريخية موجزة عن الفسيولوجيا العصبية، ويطرح الأسئلة الرئيسية التي يطرحها علماء الفسيولوجيا العصبية، ويصف بعض الطرق البارزة، وأخيرًا يناقش تطبيقات هذا المجال.
لنبدأ بمراجعة بعض الدراسات البارزة في تاريخ الفسيولوجيا العصبية.
لقد استحوذت خصائص الجهاز العصبي على اهتمام البشر منذ عام 1600 قبل الميلاد على الأقل، عندما صاغ المصريون أقدم نص باقٍ يشير إلى الدماغ.
وبالانتقال إلى العصر الحديث، في عام 1771، أثبت لويجي جالفاني أن الصدمة الكهربائية يمكن أن تجعل عضلة ضفدع ميت تتقلص. وزعم أن هذا التأثير كان بسبب "الكهرباء الحيوانية".
ولم يتمكن إميل دو بوا ريموند حتى أربعينيات القرن التاسع عشر من إثبات أن الكهرباء الحيوانية كانت في الواقع نبضة عصبية أو "جهد فعل".
وبالانتقال إلى عام 1924، سجل هانز بيرجر الطبيعة الكهربائية لنشاط الدماغ الشامل لدى البشر عن طريق تخطيط كهربائية الدماغ أو EEG، وهي تقنية لا تزال مستخدمة على نطاق واسع من قبل علماء الفسيولوجيا العصبية اليوم.
وفي وقت لاحق، في عام 1939، حدد آلان هودجكين وأندرو هكسلي أن أغشية الخلايا العصبية تسمح للجزيئات المشحونة بالتدفق من وإلى الخلية بطريقة يمكن التنبؤ بها في المحور العصبي العملاق للحبار.
وفي عام 1951، اكتشف السير جون إيكلز طريقة حاسمة يتم من خلالها نقل المعلومات من خلية عصبية إلى أخرى. حيث وصف المشبك الكيميائي حيث يتم تحويل الإشارة الكهربائية من خلية عصبية إلى إشارة كيميائية تستقبلها خلية عصبية ثانية.
بعد ذلك، في عام 1976، طور إروين نيهر وبيرت ساكمان تقنية تثبيت الرقعة (patch-clamp)، والتي وفرت وسيلة لدراسة أغشية الخلايا القابلة للاستثارة بتفاصيل دقيقة للغاية.
وفي الآونة الأخيرة، في عام 2005، ابتكر كارل ديسيروث وإد بويدن وفينج تشانج استراتيجية ثورية تسمى علم البصريات الوراثي (optogenetics) للتحكم في الخصائص الكهربائية للخلايا العصبية عن طريق هندستها وراثياً للتعبير عن قنوات حساسة للضوء تنتمي إلى عائلة من البروتينات تسمى "opsins". ومن خلال تنشيط هذه القنوات بضوء مستهدف، يمكن استثارة خلايا عصبية معينة أو تثبيطها بدقة لم تكن ممكنة من قبل، مما يسمح بالتلاعب المفصل بالدوائر العصبية.
بعد أن استعرضنا أبرز المحطات التاريخية، دعونا نفحص بعض الأسئلة الجوهرية التي يطرحها علماء الفسيولوجيا العصبية اليوم.
في البداية، يركز بعض الباحثين على كيفية تنظيم الوظائف على المستويين الخلوي والجزيئي للعصبونات الفردية.
على سبيل المثال، قد يدرسون كيف تساهم مستقبلات محددة على الزوائد الشجرية في الاستجابة بعد التشابكية، والتي قد تؤدي إلى جهد فعل. كما قد يبحثون في اقتران الإثارة بالإفراز عند التشابك العصبي، وهو ما يعني اهتمامهم بكيفية تأثير الإثارة العصبية والآليات قبل التشابكية على إطلاق النواقل العصبية.
ويتساءل علماء فسيولوجيا عصبية آخرون عن كيفية معالجة العصبونات للمعلومات التي يتم استقبالها في تفرعات الزوائد الشجرية. وقد يستخدمون تقنيات متعددة لفحص المحور العصبي، والزوائد الشجرية، والأشواك الشجرية لعصبون واحد في آن واحد.
بينما يدرس علماء فسيولوجيا عصبية آخرون كيفية معالجة الدوائر العصبية للمعلومات. وعادةً ما تُدرس هذه الدوائر في سياق سلوك بسيط أو استجابة لمحفز يُعتقد أنها تتحكم فيه.
وينظر بعض علماء الفسيولوجيا العصبية في أنماط النشاط عبر مناطق واسعة من الجهاز العصبي. فقد يتساءلون عن كيفية انتقال نشاط الدماغ، الموضح باللونين الأصفر والأحمر، بين مناطق الدماغ اعتماداً على ما يقوم به الخاضع للتجربة.
وكما ترون، يمكن لعالم الفسيولوجيا العصبية معالجة مجموعة من الأسئلة العلمية، بدءاً من الجزيئات المفردة في العصبونات وصولاً إلى النشاط واسع النطاق في الدماغ.
الآن وبعد أن أصبحت لديك فكرة عن بعض الأسئلة الجوهرية التي يطرحها علماء الفسيولوجيا العصبية، لنلقِ نظرة على بعض الطرق البارزة المستخدمة للإجابة عليها.
تعد تقنية تثبيت الرقعة (Patch clamping) واحدة من أكثر التقنيات استخداماً لاستقصاء العصبونات على المستويين الخلوي والجزيئي. وباستخدام قدر ضئيل من الشفط، يتم إحكام غلق قطب شعري زجاجي دقيق على العصبون، مما يسمح بالمراقبة الداخلية لاستثارة الخلية بأكملها. وهناك أيضاً تكوينات لتثبيت الرقعة يتم فيها استئصال رقعة صغيرة من الغشاء من الخلية، مما يتيح الوصول إلى الجانب السيتوبلازمي للغشاء البلازمي لإجراء التدخلات الدوائية.
يمكن استخدام تصوير الكالسيوم لاستقصاء الاستثارة عبر العصبون بأكمله. حيث يتم تحميل العصبونات بصبغة يتغير فلورها استجابةً لارتفاع تركيز الكالسيوم داخل الخلية. وبينما يمتلك الكالسيوم داخل الخلايا وظائف عديدة، يمكن استخدام تصوير الكالسيوم كمقياس غير مباشر لجهود الفعل كما هو موضح في هذا العصبون النموذجي.
يجب أن تكون التقنيات المستخدمة لدراسة الدوائر العصبية قادرة على مراقبة العديد من العصبونات في وقت واحد. ويعد استخدام مصفوفات الأقطاب الكهربائية المتعددة ذات نقاط التلامس الكثيرة إحدى الطرق المستخدمة للتسجيل من عصبونات متعددة بشكل متزامن.
يمكن أيضاً استقصاء الدوائر العصبية باستخدام علم البصريات الوراثي (optogenetics)، حيث يتم تعديل العصبونات للتعبير عن قنوات أيونية حساسة للضوء. وعند تعرضها للضوء، تفتح هذه القنوات، وبناءً على انتقائيتها الأيونية، يمكنها إما تثبيط أو استثارة العصبون، مما يوفر رؤية حول الدور الذي يلعبه ذلك العصبون في دائرة معينة والاستجابة السلوكية التي تحكمها تلك الدائرة.
لتصور أنماط النشاط على نطاق أوسع، يتم استخدام مجموعة متنوعة من التقنيات. يستخدم تخطيط كهربائية الدماغ أو EEG أقطاباً كهربائية على الجمجمة لمراقبة النشاط الكهربائي عبر الدماغ بأكمله.
والطريقة الثانية هي تخطيط كهربائية القشرة الدماغية أو ECoG، والتي تراقب أيضاً النشاط الكهربائي ولكن مع وضع الأقطاب الكهربائية على سطح الدماغ. وعادة ما يتم إجراء هذه الطريقة بالتزامن مع إجراء سريري مثل تلك التي تُجرى لمرضى الصرع. وبدلاً من ذلك، تستخدم تقنية تُعرف باسم مطيافية الأشعة تحت الحمراء القريبة الوظيفية الأشعة تحت الحمراء لمراقبة استخدام الأكسجين كعلاقة ارتباطية بالنشاط العصبي، وهو ما يمكن مراقبته أثناء المهام السلوكية.
الآن وبعد أن أصبحت على دراية ببعض مناهج البحث الشائعة، دعنا نلقي نظرة على بعض تطبيقات أبحاث الفسيولوجيا العصبية.
أحد الأهداف الرئيسية لهذا المجال هو تحديد سبب وعلاج خلل وظائف الجهاز العصبي، كما هو الحال في الصرع. وتتمثل إحدى الطرق في زرع أقطاب كهربائية لتسجيلات تخطيط قشرة الدماغ لنشاط دماغ المريض من أجل تحديد موقع المناطق المختلة وظيفياً في الدماغ التي تسبب النوبات.
من التطبيقات الجديدة والمثيرة للفسيولوجيا العصبية تطوير واجهات الدماغ والآلة. في هذه الواجهات، يتم مراقبة نشاط الدماغ بينما يفكر الشخص في أداء مهمة ما، مثل تحريك مؤشر على الشاشة. ويتم تغذية هذا النشاط في الكمبيوتر كإشارة أمر لتحريك المؤشر. وجوهر هذه العملية هو التحكم في الجهاز باستخدام التفكير.
هناك تطبيق آخر للفسيولوجيا العصبية وهو استقصاء الدوائر العصبية باستخدام علم البصريات الوراثي (optogenetics). من خلال تجميع سلك ألياف بصرية يتصل بموصل مزروع في دماغ فأر معدل وراثياً، يمكن لهؤلاء الباحثين تصور النتيجة السلوكية لتحفيز دوائر عصبية محددة بشكل مباشر.
لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE عن الفسيولوجيا العصبية ودراستها للجهاز العصبي. لقد استعرضنا أبرز المحطات التاريخية، والأسئلة الجوهرية التي يطرحها علماء الفسيولوجيا العصبية، وبعض التقنيات التي يستخدمونها.
شكرًا للمشاهدة!
تسجيل الدخول أو للوصول إلى المحتوى الكامل. تعرّف على المزيد حول وصول مؤسستك إلى محتوى JoVE هنا
يوفر مجال الفسيولوجيا العصبية رؤية متعمقة حول كيفية عمل الجهاز العصبي وكيف يمكن أن يؤدي خلله الوظيفي إلى الإصابة بالأمراض. والفسيولوجيا هي دراسة كيفية عمل الكائنات الحية وأجزائها. ويمكن تعريف الفسيولوجيا العصبية بأنها دراسة وظائف الجهاز العصبي، الذي يشمل الدماغ، والنخاع الشوكي، والأعصاب الطرفية، وأعضاء الحس.
يتناول علماء الفسيولوجيا العصبية الجهاز العصبي عند مستويات متعددة من التنظيم تشمل الأنظمة الوظيفية، والدوائر العصبية، والعصبونات المنفردة، والمقصورات العصبونية.
يقدم هذا الفيديو نبذة تاريخية موجزة عن الفسيولوجيا العصبية، ويطرح الأسئلة الرئيسية التي يطرحها علماء الفسيولوجيا العصبية، ويصف بعض الطرق البارزة، وأخيرًا يناقش تطبيقات هذا المجال.
لنبدأ بمراجعة بعض الدراسات البارزة في تاريخ الفسيولوجيا العصبية.
لقد استحوذت خصائص الجهاز العصبي على اهتمام البشر منذ عام 1600 قبل الميلاد على الأقل، عندما صاغ المصريون أقدم نص باقٍ يشير إلى الدماغ.
وبالانتقال إلى العصر الحديث، في عام 1771، أثبت لويجي جالفاني أن الصدمة الكهربائية يمكن أن تجعل عضلة ضفدع ميت تتقلص. وزعم أن هذا التأثير كان بسبب "الكهرباء الحيوانية".
ولم يتمكن إميل دو بوا ريموند حتى أربعينيات القرن التاسع عشر من إثبات أن الكهرباء الحيوانية كانت في الواقع نبضة عصبية أو "جهد فعل".
وبالانتقال إلى عام 1924، سجل هانز بيرجر الطبيعة الكهربائية لنشاط الدماغ الشامل لدى البشر عن طريق تخطيط كهربائية الدماغ أو EEG، وهي تقنية لا تزال مستخدمة على نطاق واسع من قبل علماء الفسيولوجيا العصبية اليوم.
وفي وقت لاحق، في عام 1939، حدد آلان هودجكين وأندرو هكسلي أن أغشية الخلايا العصبية تسمح للجزيئات المشحونة بالتدفق من وإلى الخلية بطريقة يمكن التنبؤ بها في المحور العصبي العملاق للحبار.
وفي عام 1951، اكتشف السير جون إيكلز طريقة حاسمة يتم من خلالها نقل المعلومات من خلية عصبية إلى أخرى. حيث وصف المشبك الكيميائي حيث يتم تحويل الإشارة الكهربائية من خلية عصبية إلى إشارة كيميائية تستقبلها خلية عصبية ثانية.
بعد ذلك، في عام 1976، طور إروين نيهر وبيرت ساكمان تقنية تثبيت الرقعة (patch-clamp)، والتي وفرت وسيلة لدراسة أغشية الخلايا القابلة للاستثارة بتفاصيل دقيقة للغاية.
وفي الآونة الأخيرة، في عام 2005، ابتكر كارل ديسيروث وإد بويدن وفينج تشانج استراتيجية ثورية تسمى علم البصريات الوراثي (optogenetics) للتحكم في الخصائص الكهربائية للخلايا العصبية عن طريق هندستها وراثياً للتعبير عن قنوات حساسة للضوء تنتمي إلى عائلة من البروتينات تسمى "opsins". ومن خلال تنشيط هذه القنوات بضوء مستهدف، يمكن استثارة خلايا عصبية معينة أو تثبيطها بدقة لم تكن ممكنة من قبل، مما يسمح بالتلاعب المفصل بالدوائر العصبية.
بعد أن استعرضنا أبرز المحطات التاريخية، دعونا نفحص بعض الأسئلة الجوهرية التي يطرحها علماء الفسيولوجيا العصبية اليوم.
في البداية، يركز بعض الباحثين على كيفية تنظيم الوظائف على المستويين الخلوي والجزيئي للعصبونات الفردية.
على سبيل المثال، قد يدرسون كيف تساهم مستقبلات محددة على الزوائد الشجرية في الاستجابة بعد التشابكية، والتي قد تؤدي إلى جهد فعل. كما قد يبحثون في اقتران الإثارة بالإفراز عند التشابك العصبي، وهو ما يعني اهتمامهم بكيفية تأثير الإثارة العصبية والآليات قبل التشابكية على إطلاق النواقل العصبية.
ويتساءل علماء فسيولوجيا عصبية آخرون عن كيفية معالجة العصبونات للمعلومات التي يتم استقبالها في تفرعات الزوائد الشجرية. وقد يستخدمون تقنيات متعددة لفحص المحور العصبي، والزوائد الشجرية، والأشواك الشجرية لعصبون واحد في آن واحد.
بينما يدرس علماء فسيولوجيا عصبية آخرون كيفية معالجة الدوائر العصبية للمعلومات. وعادةً ما تُدرس هذه الدوائر في سياق سلوك بسيط أو استجابة لمحفز يُعتقد أنها تتحكم فيه.
وينظر بعض علماء الفسيولوجيا العصبية في أنماط النشاط عبر مناطق واسعة من الجهاز العصبي. فقد يتساءلون عن كيفية انتقال نشاط الدماغ، الموضح باللونين الأصفر والأحمر، بين مناطق الدماغ اعتماداً على ما يقوم به الخاضع للتجربة.
وكما ترون، يمكن لعالم الفسيولوجيا العصبية معالجة مجموعة من الأسئلة العلمية، بدءاً من الجزيئات المفردة في العصبونات وصولاً إلى النشاط واسع النطاق في الدماغ.
الآن وبعد أن أصبحت لديك فكرة عن بعض الأسئلة الجوهرية التي يطرحها علماء الفسيولوجيا العصبية، لنلقِ نظرة على بعض الطرق البارزة المستخدمة للإجابة عليها.
تعد تقنية تثبيت الرقعة (Patch clamping) واحدة من أكثر التقنيات استخداماً لاستقصاء العصبونات على المستويين الخلوي والجزيئي. وباستخدام قدر ضئيل من الشفط، يتم إحكام غلق قطب شعري زجاجي دقيق على العصبون، مما يسمح بالمراقبة الداخلية لاستثارة الخلية بأكملها. وهناك أيضاً تكوينات لتثبيت الرقعة يتم فيها استئصال رقعة صغيرة من الغشاء من الخلية، مما يتيح الوصول إلى الجانب السيتوبلازمي للغشاء البلازمي لإجراء التدخلات الدوائية.
يمكن استخدام تصوير الكالسيوم لاستقصاء الاستثارة عبر العصبون بأكمله. حيث يتم تحميل العصبونات بصبغة يتغير فلورها استجابةً لارتفاع تركيز الكالسيوم داخل الخلية. وبينما يمتلك الكالسيوم داخل الخلايا وظائف عديدة، يمكن استخدام تصوير الكالسيوم كمقياس غير مباشر لجهود الفعل كما هو موضح في هذا العصبون النموذجي.
يجب أن تكون التقنيات المستخدمة لدراسة الدوائر العصبية قادرة على مراقبة العديد من العصبونات في وقت واحد. ويعد استخدام مصفوفات الأقطاب الكهربائية المتعددة ذات نقاط التلامس الكثيرة إحدى الطرق المستخدمة للتسجيل من عصبونات متعددة بشكل متزامن.
يمكن أيضاً استقصاء الدوائر العصبية باستخدام علم البصريات الوراثي (optogenetics)، حيث يتم تعديل العصبونات للتعبير عن قنوات أيونية حساسة للضوء. وعند تعرضها للضوء، تفتح هذه القنوات، وبناءً على انتقائيتها الأيونية، يمكنها إما تثبيط أو استثارة العصبون، مما يوفر رؤية حول الدور الذي يلعبه ذلك العصبون في دائرة معينة والاستجابة السلوكية التي تحكمها تلك الدائرة.
لتصور أنماط النشاط على نطاق أوسع، يتم استخدام مجموعة متنوعة من التقنيات. يستخدم تخطيط كهربائية الدماغ أو EEG أقطاباً كهربائية على الجمجمة لمراقبة النشاط الكهربائي عبر الدماغ بأكمله.
والطريقة الثانية هي تخطيط كهربائية القشرة الدماغية أو ECoG، والتي تراقب أيضاً النشاط الكهربائي ولكن مع وضع الأقطاب الكهربائية على سطح الدماغ. وعادة ما يتم إجراء هذه الطريقة بالتزامن مع إجراء سريري مثل تلك التي تُجرى لمرضى الصرع. وبدلاً من ذلك، تستخدم تقنية تُعرف باسم مطيافية الأشعة تحت الحمراء القريبة الوظيفية الأشعة تحت الحمراء لمراقبة استخدام الأكسجين كعلاقة ارتباطية بالنشاط العصبي، وهو ما يمكن مراقبته أثناء المهام السلوكية.
الآن وبعد أن أصبحت على دراية ببعض مناهج البحث الشائعة، دعنا نلقي نظرة على بعض تطبيقات أبحاث الفسيولوجيا العصبية.
أحد الأهداف الرئيسية لهذا المجال هو تحديد سبب وعلاج خلل وظائف الجهاز العصبي، كما هو الحال في الصرع. وتتمثل إحدى الطرق في زرع أقطاب كهربائية لتسجيلات تخطيط قشرة الدماغ لنشاط دماغ المريض من أجل تحديد موقع المناطق المختلة وظيفياً في الدماغ التي تسبب النوبات.
من التطبيقات الجديدة والمثيرة للفسيولوجيا العصبية تطوير واجهات الدماغ والآلة. في هذه الواجهات، يتم مراقبة نشاط الدماغ بينما يفكر الشخص في أداء مهمة ما، مثل تحريك مؤشر على الشاشة. ويتم تغذية هذا النشاط في الكمبيوتر كإشارة أمر لتحريك المؤشر. وجوهر هذه العملية هو التحكم في الجهاز باستخدام التفكير.
هناك تطبيق آخر للفسيولوجيا العصبية وهو استقصاء الدوائر العصبية باستخدام علم البصريات الوراثي (optogenetics). من خلال تجميع سلك ألياف بصرية يتصل بموصل مزروع في دماغ فأر معدل وراثياً، يمكن لهؤلاء الباحثين تصور النتيجة السلوكية لتحفيز دوائر عصبية محددة بشكل مباشر.
لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE عن الفسيولوجيا العصبية ودراستها للجهاز العصبي. لقد استعرضنا أبرز المحطات التاريخية، والأسئلة الجوهرية التي يطرحها علماء الفسيولوجيا العصبية، وبعض التقنيات التي يستخدمونها.
شكرًا للمشاهدة!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is neurophysiology and what does it study?
Neurophysiology is the study of how the nervous system functions, including the brain, spinal cord, peripheral nerves, and sensory organs. Neurophysiologists investigate the nervous system at multiple levels of organization, from functional systems and circuits to single neurons and neuronal compartments. A unifying focus is understanding the mechanisms that generate and propagate electrical impulses within and between neurons.
Q2: How did Luigi Galvani and Emil Du Bois-Reymond contribute to neurophysiology?
In 1771, Luigi Galvani demonstrated that electrical shock could make a dead frog muscle twitch, proposing 'animal electricity' as the cause. Later, in the 1840s, Emil Du Bois-Reymond proved that animal electricity was actually a nerve impulse or action potential. These discoveries established that electrical signals underlie nervous system function.
Q3: What is the patch clamp technique and why is it important?
Developed in 1976 by Erwin Neher and Bert Sakmann, patch clamp electrophysiology uses a fine glass capillary electrode sealed onto a neuron to monitor electrical activity at the cell and molecular level. This technique allows researchers to study ion channels and membrane properties in exquisite detail, making it one of the most widely used methods for investigating neurons today.
Q4: How does calcium imaging help researchers study neuronal activity?
Calcium imaging loads neurons with a fluorescent dye that changes brightness in response to elevated intracellular calcium concentration. Since calcium levels rise during action potentials, this technique provides an indirect measure of neuronal excitation across the entire neuron, allowing researchers to visualize activity patterns in living cells.
Q5: What is optogenetics and how does it advance neurophysiology research?
Optogenetics, developed in 2005, involves genetically engineering neurons to express light-sensitive ion channels called opsins. By activating these channels with targeted light, researchers can excite or inhibit specific neurons with unprecedented precision, enabling detailed manipulation of neuronal circuits and revealing how specific neurons control behavior.
Q6: What are brain-machine interfaces and how do they use neurophysiology?
Brain-machine interfaces monitor brain activity while a subject thinks about performing a task, such as moving a cursor. This neural activity is converted into computer commands that control external devices. This application demonstrates how neurophysiological research enables device control using thought, offering potential therapeutic benefits for patients with motor impairments.
Q7: How do electroencephalography and electrocorticography differ in measuring brain activity?
Electroencephalography (EEG) uses electrodes placed on the skull to monitor electrical activity across the entire brain non-invasively. Electrocorticography (ECoG) places electrodes directly on the brain surface, typically during clinical procedures like epilepsy surgery, providing higher spatial resolution. Both techniques help neurophysiologists study large-scale brain activity patterns.
الفصول في هذا الفيديو
0:00
Overview
1:01
Historical Highlights
3:24
Key Questions
5:02
Prominent Methods
7:38
Applications
8:55
Summary