مقدمة في الفيزيولوجيا العصبية
يوفر مجال الفيزيولوجيا العصبية نظرة ثاقبة حول كيفية عمل الجهاز العصبي وكيف يمكن أن يؤدي الخلل الوظيفي فيه إلى المرض. علم وظائف الأعضاء هو دراسة كيفية عمل الكائنات الحية وأجزائها. يمكن تعريف الفيزيولوجيا العصبية على أنها دراسة عمل الجهاز العصبي ، والتي تشمل الدماغ والحبل الشوكي والأعصاب الطرفية والأعضاء الحسية.
يقترب علماء الفيزيولوجيا العصبية من الجهاز العصبي على مستويات متعددة من التنظيم تشمل الأنظمة الوظيفية والدوائر والخلايا العصبية المفردة والمقصورات العصبية.
يقدم هذا الفيديو تاريخا موجزا لعلم الفيزيولوجيا العصبية ، ويقدم الأسئلة الرئيسية التي يطرحها علماء الفيزيولوجيا العصبية ، ويصف بعض الأساليب البارزة ، وأخيرا يناقش تطبيقات هذا المجال.
لنبدأ بمراجعة بعض الدراسات البارزة في تاريخ الفيزيولوجيا العصبية.
أسرت خصائص الجهاز العصبي البشرية منذ عام 1600 قبل الميلاد على الأقل ، عندما صاغ المصريون أقدم نص باقي يذكر الدماغ.
بالقفز إلى العصر الحديث ، في عام 1771 ، أظهر لويجي جالفاني أن الصدمة الكهربائية يمكن أن تجعل عضلة الضفدع الميتة ترتعش. وادعى أن هذا التأثير كان بسبب "كهرباء".
لم يكن حتى أربعينيات القرن التاسع عشر أن إميل دو بوا ريموند كان قادرا على إثبات أن الكهرباء الحيوانية كانت في الواقع نبضة عصبية أو "إمكانات عمل".
بالانتقال إلى عام 1924 ، سجل هانز بيرغر الطبيعة الكهربائية لنشاط الدماغ العالمي لدى البشر عن طريق تخطيط كهربية الدماغ أو مخطط كهربية الدماغ ، وهي تقنية لا تزال مستخدمة على نطاق واسع من قبل علماء الفيزيولوجيا العصبية اليوم.
في وقت لاحق ، في عام 1939 ، قرر آلان هودجكين وأندرو هكسلي أن أغشية الخلايا العصبية تسمح للجزيئات المشحونة بالتدفق داخل وخارج بطريقة يمكن التنبؤ بها في محور الحبار العملاق.
في عام 1951 ، اكتشف السير جون إكليس طريقة مهمة تنتقل بها المعلومات من خلية عصبية إلى أخرى. ووصف المشبك الكيميائي حيث يتم تحويل الإشارة الكهربائية من خلية عصبية واحدة إلى إشارة كيميائية تتلقاها خلية عصبية ثانية.
بعد ذلك ، في عام 1976 ، طور إروين نيهر وبيرت ساكمان تقنية المشبك الرقعة ، والتي وفرت طريقة لدراسة أغشية الخلايا القابلة للإثارة بتفاصيل رائعة.
في الآونة الأخيرة ، في عام 2005 ، ابتكر كارل ديسيروث وإد بويدن وفنغ تشانغ استراتيجية ثورية تسمى علم البصريات الوراثي للتحكم في الخصائص الكهربائية للخلايا العصبية عن طريق هندستها وراثيا للتعبير عن القنوات الحساسة للضوء التي تنتمي إلى عائلة من البروتينات تسمى "opsins". من خلال تنشيط هذه القنوات بالضوء المستهدف ، يمكن إثارة خلايا عصبية معينة أو تثبيطها بدقة لم تكن ممكنة من قبل ، مما يسمح بالتلاعب التفصيلي بالدوائر العصبية.
الآن بعد أن راجعنا النقاط البارزة التاريخية ، دعنا نفحص بعض الأسئلة الأساسية التي طرحها علماء الفيزيولوجيا العصبية اليوم.
للبدء ، يركز بعض الباحثين على كيفية تنظيم الوظائف الخلوية والجزيئية للخلايا العصبية الفردية.
على سبيل المثال ، قد يدرسون كيف تساهم مستقبلات محددة على التشعبات في استجابة ما بعد التشابك ، مما قد يؤدي إلى جهد فعل. قد يحققون أيضا في اقتران الإثارة والإفراز في المشبك ، مما يعني أنهم مهتمون بكيفية تأثير الإثارة العصبية وآلية ما قبل المشبكي على إطلاق الناقلات العصبية.
يسأل علماء الفيزيولوجيا العصبية الآخرون عن كيفية معالجة الخلايا العصبية للمعلومات الواردة في العرش المتغصنة. قد يستخدمون تقنيات متعددة للتحقيق في المحور العصبي والتشعبات والعمود الفقري الشجيري لخلية عصبية واحدة في وقت واحد.
يدرس علماء الفيزيولوجيا العصبية الآخرون كيفية معالجة الدوائر العصبية للمعلومات. عادة ما تتم دراسة الدوائر في سياق سلوك بسيط أو استجابة تحفيزية يعتقد أنها تتحكم فيها.
ينظر بعض علماء الفيزيولوجيا العصبية إلى أنماط النشاط على المناطق الكبيرة من الجهاز العصبي. قد يسألون كيف ينتقل نشاط الدماغ ، الموضح باللونين الأصفر والأحمر ، بين مناطق الدماغ اعتمادا على ما يفعله الموضوع.
كما ترى ، يمكن لأخصائي الفيزيولوجيا العصبية معالجة مجموعة من الأسئلة العلمية من الجزيئات المفردة في الخلايا العصبية إلى النشاط الواسع النطاق في الدماغ.
الآن بعد أن أصبحت تشعر ببعض الأسئلة الرئيسية التي يطرحها علماء الفيزيولوجيا العصبية ، دعنا نلقي نظرة على بعض الطرق البارزة المستخدمة للإجابة عليها.
يعد لقط التصحيح أحد أكثر التقنيات استخداما للتحقيق في الخلايا العصبية على مستوى الخلية والجزيئية. باستخدام القليل من الشفط ، يتم إغلاق قطب كهربائي شعري زجاجي ناعم على الخلايا العصبية مما يسمح بالمراقبة الداخلية لاستثارة الخلية بأكملها. هناك أيضا تكوينات مشبك التصحيح حيث يتم استئصال رقعة صغيرة من الغشاء من الخلية ، مما يوفر الوصول إلى الجانب السيتوبلازمي من غشاء البلازما للتلاعب الدوائي.
يمكن استخدام تصوير الكالسيوم للتحقيق في الإثارة على الخلايا العصبية بأكملها. يتم تحميل الخلايا العصبية بصبغة تغير تألقها استجابة لارتفاع تركيز الكالسيوم داخل الخلية. في حين أن الكالسيوم داخل الخلايا له العديد من الوظائف ، يمكن استخدام تصوير الكالسيوم كمقياس غير مباشر لإمكانات الفعل كما هو موضح في هذا المثال من الخلايا العصبية.
يجب أن تكون التقنيات المستخدمة لدراسة الدوائر العصبية قادرة على مراقبة العديد من الخلايا العصبية في وقت واحد. يعد استخدام مصفوفات متعددة الأقطاب الكهربائية مع العديد من جهات الاتصال إحدى الطرق المستخدمة للتسجيل من خلايا عصبية متعددة في وقت واحد.
يمكن أيضا فحص الدوائر العصبية باستخدام علم البصريات الوراثي ، حيث يتم تعديل الخلايا العصبية للتعبير عن القنوات الأيونية الحساسة للضوء. عند تعرضها للضوء ، تفتح هذه القنوات ، واعتمادا على انتقائية الأيونات ، يمكنها إما تثبيط الخلايا العصبية أو إثارتها ، مما يوفر نظرة ثاقبة حول الدور الذي تلعبه الخلايا العصبية في دائرة معينة والاستجابة السلوكية التي تحكمها تلك الدائرة.
لتصور أنماط النشاط على نطاق أوسع ، يتم استخدام مجموعة متنوعة من التقنيات. يستخدم تخطيط كهربية الدماغ أو مخطط كهربية الدماغ أقطاب كهربائية على الجمجمة لمراقبة النشاط الكهربائي عبر الدماغ بأكمله.
الطريقة الثانية هي القشرة الكهربائية أو ECoG ، والتي تراقب أيضا النشاط الكهربائي باستثناء أن الأقطاب الكهربائية توضع على سطح الدماغ. عادة ما يتم تنفيذ هذه الطريقة بالتزامن مع إجراء سريري مثل تلك التي يتم إجراؤها في مرضى الصرع. بدلا من ذلك ، تستخدم تقنية تعرف باسم التحليل الطيفي الوظيفي للأشعة تحت الحمراء القريبة ضوء الأشعة تحت الحمراء لمراقبة استخدام الأكسجين كارتباط بالنشاط العصبي ، والذي يمكن مراقبته أثناء المهام السلوكية.
الآن بعد أن أصبحت على دراية ببعض مناهج البحث الشائعة ، دعنا نلقي نظرة على بعض تطبيقات البحوث الفيزيولوجية العصبية.
أحد الأهداف الرئيسية لهذا المجال هو معرفة سبب وعلاج ضعف الجهاز العصبي ، كما هو الحال في الصرع. تتمثل إحدى الطرق في زرع أقطاب كهربائية للتسجيلات القشرية الكهربائية لنشاط دماغ المريض من أجل تحديد المناطق المختلة المسببة للنوبات في الدماغ.
تطبيق جديد ومثير لعلم الفيزيولوجيا العصبية هو تطوير واجهات الدماغ والآلة. في هذه الواجهات ، تتم مراقبة نشاط الدماغ بينما يفكر الشخص في القيام بمهمة ، مثل تحريك المؤشر على الشاشة. يتم تغذية النشاط في الكمبيوتر كإشارة أمر للمؤشر. في جوهرها ، هذا هو التحكم في الجهاز باستخدام الفكر.
تطبيق آخر للفيزيولوجيا العصبية هو التحقيق في الدوائر العصبية باستخدام علم البصريات الوراثي. من خلال تجميع سلك ألياف ضوئية يتصل بمقرنة مزروعة في دماغ فأر معدل وراثيا ، يمكن لهؤلاء الباحثين تصور النتيجة السلوكية مباشرة لتحفيز الدوائر العصبية المحددة.
لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE في الفيزيولوجيا العصبية ودراستها للجهاز العصبي. قمنا بمراجعة النقاط البارزة التاريخية ، والأسئلة الرئيسية التي طرحها علماء الفيزيولوجيا العصبية ، وبعض التقنيات التي يستخدمونها.
شكرا للمشاهدة!
يتم تعريف الفيزيولوجيا العصبية على نطاق واسع على أنها دراسة وظيفة الجهاز العصبي. في هذا المجال ، يبحث العلماء في الجهاز العصبي المركزي والمحيطي على مس…
يوفر مجال الفيزيولوجيا العصبية نظرة ثاقبة حول كيفية عمل الجهاز العصبي وكيف يمكن أن يؤدي الخلل الوظيفي فيه إلى المرض. علم وظائف الأعضاء هو دراسة كيفية عمل الكائنات الحية وأجزائها. يمكن تعريف الفيزيولوجيا العصبية على أنها دراسة عمل الجهاز العصبي ، والتي تشمل الدماغ والحبل الشوكي والأعصاب الطرفية والأعضاء الحسية.
يقترب علماء الفيزيولوجيا العصبية من الجهاز العصبي على مستويات متعددة من التنظيم تشمل الأنظمة الوظيفية والدوائر والخلايا العصبية المفردة والمقصورات العصبية.
يقدم هذا الفيديو تاريخا موجزا لعلم الفيزيولوجيا العصبية ، ويقدم الأسئلة الرئيسية التي يطرحها علماء الفيزيولوجيا العصبية ، ويصف بعض الأساليب البارزة ، وأخيرا يناقش تطبيقات هذا المجال.
لنبدأ بمراجعة بعض الدراسات البارزة في تاريخ الفيزيولوجيا العصبية.
أسرت خصائص الجهاز العصبي البشرية منذ عام 1600 قبل الميلاد على الأقل ، عندما صاغ المصريون أقدم نص باقي يذكر الدماغ.
بالقفز إلى العصر الحديث ، في عام 1771 ، أظهر لويجي جالفاني أن الصدمة الكهربائية يمكن أن تجعل عضلة الضفدع الميتة ترتعش. وادعى أن هذا التأثير كان بسبب "كهرباء".
لم يكن حتى أربعينيات القرن التاسع عشر أن إميل دو بوا ريموند كان قادرا على إثبات أن الكهرباء الحيوانية كانت في الواقع نبضة عصبية أو "إمكانات عمل".
بالانتقال إلى عام 1924 ، سجل هانز بيرغر الطبيعة الكهربائية لنشاط الدماغ العالمي لدى البشر عن طريق تخطيط كهربية الدماغ أو مخطط كهربية الدماغ ، وهي تقنية لا تزال مستخدمة على نطاق واسع من قبل علماء الفيزيولوجيا العصبية اليوم.
في وقت لاحق ، في عام 1939 ، قرر آلان هودجكين وأندرو هكسلي أن أغشية الخلايا العصبية تسمح للجزيئات المشحونة بالتدفق داخل وخارج بطريقة يمكن التنبؤ بها في محور الحبار العملاق.
في عام 1951 ، اكتشف السير جون إكليس طريقة مهمة تنتقل بها المعلومات من خلية عصبية إلى أخرى. ووصف المشبك الكيميائي حيث يتم تحويل الإشارة الكهربائية من خلية عصبية واحدة إلى إشارة كيميائية تتلقاها خلية عصبية ثانية.
بعد ذلك ، في عام 1976 ، طور إروين نيهر وبيرت ساكمان تقنية المشبك الرقعة ، والتي وفرت طريقة لدراسة أغشية الخلايا القابلة للإثارة بتفاصيل رائعة.
في الآونة الأخيرة ، في عام 2005 ، ابتكر كارل ديسيروث وإد بويدن وفنغ تشانغ استراتيجية ثورية تسمى علم البصريات الوراثي للتحكم في الخصائص الكهربائية للخلايا العصبية عن طريق هندستها وراثيا للتعبير عن القنوات الحساسة للضوء التي تنتمي إلى عائلة من البروتينات تسمى "opsins". من خلال تنشيط هذه القنوات بالضوء المستهدف ، يمكن إثارة خلايا عصبية معينة أو تثبيطها بدقة لم تكن ممكنة من قبل ، مما يسمح بالتلاعب التفصيلي بالدوائر العصبية.
الآن بعد أن راجعنا النقاط البارزة التاريخية ، دعنا نفحص بعض الأسئلة الأساسية التي طرحها علماء الفيزيولوجيا العصبية اليوم.
للبدء ، يركز بعض الباحثين على كيفية تنظيم الوظائف الخلوية والجزيئية للخلايا العصبية الفردية.
على سبيل المثال ، قد يدرسون كيف تساهم مستقبلات محددة على التشعبات في استجابة ما بعد التشابك ، مما قد يؤدي إلى جهد فعل. قد يحققون أيضا في اقتران الإثارة والإفراز في المشبك ، مما يعني أنهم مهتمون بكيفية تأثير الإثارة العصبية وآلية ما قبل المشبكي على إطلاق الناقلات العصبية.
يسأل علماء الفيزيولوجيا العصبية الآخرون عن كيفية معالجة الخلايا العصبية للمعلومات الواردة في العرش المتغصنة. قد يستخدمون تقنيات متعددة للتحقيق في المحور العصبي والتشعبات والعمود الفقري الشجيري لخلية عصبية واحدة في وقت واحد.
يدرس علماء الفيزيولوجيا العصبية الآخرون كيفية معالجة الدوائر العصبية للمعلومات. عادة ما تتم دراسة الدوائر في سياق سلوك بسيط أو استجابة تحفيزية يعتقد أنها تتحكم فيها.
ينظر بعض علماء الفيزيولوجيا العصبية إلى أنماط النشاط على المناطق الكبيرة من الجهاز العصبي. قد يسألون كيف ينتقل نشاط الدماغ ، الموضح باللونين الأصفر والأحمر ، بين مناطق الدماغ اعتمادا على ما يفعله الموضوع.
كما ترى ، يمكن لأخصائي الفيزيولوجيا العصبية معالجة مجموعة من الأسئلة العلمية من الجزيئات المفردة في الخلايا العصبية إلى النشاط الواسع النطاق في الدماغ.
الآن بعد أن أصبحت تشعر ببعض الأسئلة الرئيسية التي يطرحها علماء الفيزيولوجيا العصبية ، دعنا نلقي نظرة على بعض الطرق البارزة المستخدمة للإجابة عليها.
يعد لقط التصحيح أحد أكثر التقنيات استخداما للتحقيق في الخلايا العصبية على مستوى الخلية والجزيئية. باستخدام القليل من الشفط ، يتم إغلاق قطب كهربائي شعري زجاجي ناعم على الخلايا العصبية مما يسمح بالمراقبة الداخلية لاستثارة الخلية بأكملها. هناك أيضا تكوينات مشبك التصحيح حيث يتم استئصال رقعة صغيرة من الغشاء من الخلية ، مما يوفر الوصول إلى الجانب السيتوبلازمي من غشاء البلازما للتلاعب الدوائي.
يمكن استخدام تصوير الكالسيوم للتحقيق في الإثارة على الخلايا العصبية بأكملها. يتم تحميل الخلايا العصبية بصبغة تغير تألقها استجابة لارتفاع تركيز الكالسيوم داخل الخلية. في حين أن الكالسيوم داخل الخلايا له العديد من الوظائف ، يمكن استخدام تصوير الكالسيوم كمقياس غير مباشر لإمكانات الفعل كما هو موضح في هذا المثال من الخلايا العصبية.
يجب أن تكون التقنيات المستخدمة لدراسة الدوائر العصبية قادرة على مراقبة العديد من الخلايا العصبية في وقت واحد. يعد استخدام مصفوفات متعددة الأقطاب الكهربائية مع العديد من جهات الاتصال إحدى الطرق المستخدمة للتسجيل من خلايا عصبية متعددة في وقت واحد.
يمكن أيضا فحص الدوائر العصبية باستخدام علم البصريات الوراثي ، حيث يتم تعديل الخلايا العصبية للتعبير عن القنوات الأيونية الحساسة للضوء. عند تعرضها للضوء ، تفتح هذه القنوات ، واعتمادا على انتقائية الأيونات ، يمكنها إما تثبيط الخلايا العصبية أو إثارتها ، مما يوفر نظرة ثاقبة حول الدور الذي تلعبه الخلايا العصبية في دائرة معينة والاستجابة السلوكية التي تحكمها تلك الدائرة.
لتصور أنماط النشاط على نطاق أوسع ، يتم استخدام مجموعة متنوعة من التقنيات. يستخدم تخطيط كهربية الدماغ أو مخطط كهربية الدماغ أقطاب كهربائية على الجمجمة لمراقبة النشاط الكهربائي عبر الدماغ بأكمله.
الطريقة الثانية هي القشرة الكهربائية أو ECoG ، والتي تراقب أيضا النشاط الكهربائي باستثناء أن الأقطاب الكهربائية توضع على سطح الدماغ. عادة ما يتم تنفيذ هذه الطريقة بالتزامن مع إجراء سريري مثل تلك التي يتم إجراؤها في مرضى الصرع. بدلا من ذلك ، تستخدم تقنية تعرف باسم التحليل الطيفي الوظيفي للأشعة تحت الحمراء القريبة ضوء الأشعة تحت الحمراء لمراقبة استخدام الأكسجين كارتباط بالنشاط العصبي ، والذي يمكن مراقبته أثناء المهام السلوكية.
الآن بعد أن أصبحت على دراية ببعض مناهج البحث الشائعة ، دعنا نلقي نظرة على بعض تطبيقات البحوث الفيزيولوجية العصبية.
أحد الأهداف الرئيسية لهذا المجال هو معرفة سبب وعلاج ضعف الجهاز العصبي ، كما هو الحال في الصرع. تتمثل إحدى الطرق في زرع أقطاب كهربائية للتسجيلات القشرية الكهربائية لنشاط دماغ المريض من أجل تحديد المناطق المختلة المسببة للنوبات في الدماغ.
تطبيق جديد ومثير لعلم الفيزيولوجيا العصبية هو تطوير واجهات الدماغ والآلة. في هذه الواجهات ، تتم مراقبة نشاط الدماغ بينما يفكر الشخص في القيام بمهمة ، مثل تحريك المؤشر على الشاشة. يتم تغذية النشاط في الكمبيوتر كإشارة أمر للمؤشر. في جوهرها ، هذا هو التحكم في الجهاز باستخدام الفكر.
تطبيق آخر للفيزيولوجيا العصبية هو التحقيق في الدوائر العصبية باستخدام علم البصريات الوراثي. من خلال تجميع سلك ألياف ضوئية يتصل بمقرنة مزروعة في دماغ فأر معدل وراثيا ، يمكن لهؤلاء الباحثين تصور النتيجة السلوكية مباشرة لتحفيز الدوائر العصبية المحددة.
لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE في الفيزيولوجيا العصبية ودراستها للجهاز العصبي. قمنا بمراجعة النقاط البارزة التاريخية ، والأسئلة الرئيسية التي طرحها علماء الفيزيولوجيا العصبية ، وبعض التقنيات التي يستخدمونها.
شكرا للمشاهدة!
تسجيل الدخول أو للوصول إلى المحتوى الكامل. تعرّف على المزيد حول وصول مؤسستك إلى محتوى JoVE هنا
يوفر مجال الفيزيولوجيا العصبية نظرة ثاقبة حول كيفية عمل الجهاز العصبي وكيف يمكن أن يؤدي الخلل الوظيفي فيه إلى المرض. علم وظائف الأعضاء هو دراسة كيفية عمل الكائنات الحية وأجزائها. يمكن تعريف الفيزيولوجيا العصبية على أنها دراسة عمل الجهاز العصبي ، والتي تشمل الدماغ والحبل الشوكي والأعصاب الطرفية والأعضاء الحسية.
يقترب علماء الفيزيولوجيا العصبية من الجهاز العصبي على مستويات متعددة من التنظيم تشمل الأنظمة الوظيفية والدوائر والخلايا العصبية المفردة والمقصورات العصبية.
يقدم هذا الفيديو تاريخا موجزا لعلم الفيزيولوجيا العصبية ، ويقدم الأسئلة الرئيسية التي يطرحها علماء الفيزيولوجيا العصبية ، ويصف بعض الأساليب البارزة ، وأخيرا يناقش تطبيقات هذا المجال.
لنبدأ بمراجعة بعض الدراسات البارزة في تاريخ الفيزيولوجيا العصبية.
أسرت خصائص الجهاز العصبي البشرية منذ عام 1600 قبل الميلاد على الأقل ، عندما صاغ المصريون أقدم نص باقي يذكر الدماغ.
بالقفز إلى العصر الحديث ، في عام 1771 ، أظهر لويجي جالفاني أن الصدمة الكهربائية يمكن أن تجعل عضلة الضفدع الميتة ترتعش. وادعى أن هذا التأثير كان بسبب "كهرباء".
لم يكن حتى أربعينيات القرن التاسع عشر أن إميل دو بوا ريموند كان قادرا على إثبات أن الكهرباء الحيوانية كانت في الواقع نبضة عصبية أو "إمكانات عمل".
بالانتقال إلى عام 1924 ، سجل هانز بيرغر الطبيعة الكهربائية لنشاط الدماغ العالمي لدى البشر عن طريق تخطيط كهربية الدماغ أو مخطط كهربية الدماغ ، وهي تقنية لا تزال مستخدمة على نطاق واسع من قبل علماء الفيزيولوجيا العصبية اليوم.
في وقت لاحق ، في عام 1939 ، قرر آلان هودجكين وأندرو هكسلي أن أغشية الخلايا العصبية تسمح للجزيئات المشحونة بالتدفق داخل وخارج بطريقة يمكن التنبؤ بها في محور الحبار العملاق.
في عام 1951 ، اكتشف السير جون إكليس طريقة مهمة تنتقل بها المعلومات من خلية عصبية إلى أخرى. ووصف المشبك الكيميائي حيث يتم تحويل الإشارة الكهربائية من خلية عصبية واحدة إلى إشارة كيميائية تتلقاها خلية عصبية ثانية.
بعد ذلك ، في عام 1976 ، طور إروين نيهر وبيرت ساكمان تقنية المشبك الرقعة ، والتي وفرت طريقة لدراسة أغشية الخلايا القابلة للإثارة بتفاصيل رائعة.
في الآونة الأخيرة ، في عام 2005 ، ابتكر كارل ديسيروث وإد بويدن وفنغ تشانغ استراتيجية ثورية تسمى علم البصريات الوراثي للتحكم في الخصائص الكهربائية للخلايا العصبية عن طريق هندستها وراثيا للتعبير عن القنوات الحساسة للضوء التي تنتمي إلى عائلة من البروتينات تسمى "opsins". من خلال تنشيط هذه القنوات بالضوء المستهدف ، يمكن إثارة خلايا عصبية معينة أو تثبيطها بدقة لم تكن ممكنة من قبل ، مما يسمح بالتلاعب التفصيلي بالدوائر العصبية.
الآن بعد أن راجعنا النقاط البارزة التاريخية ، دعنا نفحص بعض الأسئلة الأساسية التي طرحها علماء الفيزيولوجيا العصبية اليوم.
للبدء ، يركز بعض الباحثين على كيفية تنظيم الوظائف الخلوية والجزيئية للخلايا العصبية الفردية.
على سبيل المثال ، قد يدرسون كيف تساهم مستقبلات محددة على التشعبات في استجابة ما بعد التشابك ، مما قد يؤدي إلى جهد فعل. قد يحققون أيضا في اقتران الإثارة والإفراز في المشبك ، مما يعني أنهم مهتمون بكيفية تأثير الإثارة العصبية وآلية ما قبل المشبكي على إطلاق الناقلات العصبية.
يسأل علماء الفيزيولوجيا العصبية الآخرون عن كيفية معالجة الخلايا العصبية للمعلومات الواردة في العرش المتغصنة. قد يستخدمون تقنيات متعددة للتحقيق في المحور العصبي والتشعبات والعمود الفقري الشجيري لخلية عصبية واحدة في وقت واحد.
يدرس علماء الفيزيولوجيا العصبية الآخرون كيفية معالجة الدوائر العصبية للمعلومات. عادة ما تتم دراسة الدوائر في سياق سلوك بسيط أو استجابة تحفيزية يعتقد أنها تتحكم فيها.
ينظر بعض علماء الفيزيولوجيا العصبية إلى أنماط النشاط على المناطق الكبيرة من الجهاز العصبي. قد يسألون كيف ينتقل نشاط الدماغ ، الموضح باللونين الأصفر والأحمر ، بين مناطق الدماغ اعتمادا على ما يفعله الموضوع.
كما ترى ، يمكن لأخصائي الفيزيولوجيا العصبية معالجة مجموعة من الأسئلة العلمية من الجزيئات المفردة في الخلايا العصبية إلى النشاط الواسع النطاق في الدماغ.
الآن بعد أن أصبحت تشعر ببعض الأسئلة الرئيسية التي يطرحها علماء الفيزيولوجيا العصبية ، دعنا نلقي نظرة على بعض الطرق البارزة المستخدمة للإجابة عليها.
يعد لقط التصحيح أحد أكثر التقنيات استخداما للتحقيق في الخلايا العصبية على مستوى الخلية والجزيئية. باستخدام القليل من الشفط ، يتم إغلاق قطب كهربائي شعري زجاجي ناعم على الخلايا العصبية مما يسمح بالمراقبة الداخلية لاستثارة الخلية بأكملها. هناك أيضا تكوينات مشبك التصحيح حيث يتم استئصال رقعة صغيرة من الغشاء من الخلية ، مما يوفر الوصول إلى الجانب السيتوبلازمي من غشاء البلازما للتلاعب الدوائي.
يمكن استخدام تصوير الكالسيوم للتحقيق في الإثارة على الخلايا العصبية بأكملها. يتم تحميل الخلايا العصبية بصبغة تغير تألقها استجابة لارتفاع تركيز الكالسيوم داخل الخلية. في حين أن الكالسيوم داخل الخلايا له العديد من الوظائف ، يمكن استخدام تصوير الكالسيوم كمقياس غير مباشر لإمكانات الفعل كما هو موضح في هذا المثال من الخلايا العصبية.
يجب أن تكون التقنيات المستخدمة لدراسة الدوائر العصبية قادرة على مراقبة العديد من الخلايا العصبية في وقت واحد. يعد استخدام مصفوفات متعددة الأقطاب الكهربائية مع العديد من جهات الاتصال إحدى الطرق المستخدمة للتسجيل من خلايا عصبية متعددة في وقت واحد.
يمكن أيضا فحص الدوائر العصبية باستخدام علم البصريات الوراثي ، حيث يتم تعديل الخلايا العصبية للتعبير عن القنوات الأيونية الحساسة للضوء. عند تعرضها للضوء ، تفتح هذه القنوات ، واعتمادا على انتقائية الأيونات ، يمكنها إما تثبيط الخلايا العصبية أو إثارتها ، مما يوفر نظرة ثاقبة حول الدور الذي تلعبه الخلايا العصبية في دائرة معينة والاستجابة السلوكية التي تحكمها تلك الدائرة.
لتصور أنماط النشاط على نطاق أوسع ، يتم استخدام مجموعة متنوعة من التقنيات. يستخدم تخطيط كهربية الدماغ أو مخطط كهربية الدماغ أقطاب كهربائية على الجمجمة لمراقبة النشاط الكهربائي عبر الدماغ بأكمله.
الطريقة الثانية هي القشرة الكهربائية أو ECoG ، والتي تراقب أيضا النشاط الكهربائي باستثناء أن الأقطاب الكهربائية توضع على سطح الدماغ. عادة ما يتم تنفيذ هذه الطريقة بالتزامن مع إجراء سريري مثل تلك التي يتم إجراؤها في مرضى الصرع. بدلا من ذلك ، تستخدم تقنية تعرف باسم التحليل الطيفي الوظيفي للأشعة تحت الحمراء القريبة ضوء الأشعة تحت الحمراء لمراقبة استخدام الأكسجين كارتباط بالنشاط العصبي ، والذي يمكن مراقبته أثناء المهام السلوكية.
الآن بعد أن أصبحت على دراية ببعض مناهج البحث الشائعة ، دعنا نلقي نظرة على بعض تطبيقات البحوث الفيزيولوجية العصبية.
أحد الأهداف الرئيسية لهذا المجال هو معرفة سبب وعلاج ضعف الجهاز العصبي ، كما هو الحال في الصرع. تتمثل إحدى الطرق في زرع أقطاب كهربائية للتسجيلات القشرية الكهربائية لنشاط دماغ المريض من أجل تحديد المناطق المختلة المسببة للنوبات في الدماغ.
تطبيق جديد ومثير لعلم الفيزيولوجيا العصبية هو تطوير واجهات الدماغ والآلة. في هذه الواجهات ، تتم مراقبة نشاط الدماغ بينما يفكر الشخص في القيام بمهمة ، مثل تحريك المؤشر على الشاشة. يتم تغذية النشاط في الكمبيوتر كإشارة أمر للمؤشر. في جوهرها ، هذا هو التحكم في الجهاز باستخدام الفكر.
تطبيق آخر للفيزيولوجيا العصبية هو التحقيق في الدوائر العصبية باستخدام علم البصريات الوراثي. من خلال تجميع سلك ألياف ضوئية يتصل بمقرنة مزروعة في دماغ فأر معدل وراثيا ، يمكن لهؤلاء الباحثين تصور النتيجة السلوكية مباشرة لتحفيز الدوائر العصبية المحددة.
لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE في الفيزيولوجيا العصبية ودراستها للجهاز العصبي. قمنا بمراجعة النقاط البارزة التاريخية ، والأسئلة الرئيسية التي طرحها علماء الفيزيولوجيا العصبية ، وبعض التقنيات التي يستخدمونها.
شكرا 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