Eine Einführung in die Neurophysiologie

Das Gebiet der Neurophysiologie bietet Einblicke wie das Nervensystem funktioniert und wie die Dysfunktion zu Krankheiten führen kann. Physiologie ist die Studie, wie Organismen und ihre Bestandteile funktionieren.

Die Neurophysiologie kann definiert werden als die Untersuchung der Funktion des Nervensystems, dass das Gehirn, das Rückenmark, die periphere Nerven und die Sinnesorgane miteinbezieht.

Neurophysiologen nähern sich dem Nervensystem auf verschiedenen Organisationsebenen. Dazu gehören die Funktionssysteme, die Netzwerke, einzelne Neuronen und neuronale Abgrenzungen.

Dieses Video zeigt eine kurze Darstellung der Neurophysiologie, stellt wichtige Fragen vor, die von den Neurophysiologen gefragt werden, beschreibt einige bedeutende Methoden und bespricht schließlich Anwendungen in diesem Bereich

Zuerst wollen wir einige grundlegende Beobachtungen in der Geschichte der Neurophysiologie besprechen.

Die Eigenschaften des Nervensystems hat die Menschheit seit mindestens 1600 vor Christus fasziniert, als die Ägypter den ältesten erhaltenen Text formuliert haben, der das Gehirn erwähnt.

Nun springen wir zur Neuzeit. Im Jahre 1771 demonstrierte Luigi Galvani, dass ein Stromschlag Muskelzuckungen bei einen toten Frosch auslösen kann. Er behauptete, dass dieser Effekt aufgrund der "Tier Elektrizität" war.

Erst in den 1840er Jahren war Emil Du Bois-Reymond in der Lage zu beweisen, dass die tierische Elektrizität eigentlich ein Nervenimpuls oder "Aktionspotential" war.

Weitergehend im Jahr 1924 hat Hans Berger die elektrische Natur der globalen Hirnaktivität beim Menschen durch Elektroenzephalographie oder EEG aufgezeichnet - eine Technik, die noch weitgehend von den heutigen Neurophysiologen verwendet wird.

Im Jahr 1951 hat Sir John Eccles einen entscheidenden Weg herausgefunden in dem Informationen von einem Neuron zum anderen übertragen werden. Er beschrieb die chemische Synapse, wo das elektrische Signal von einem Neuron in ein chemisches Signal umgewandelt wird, das von einem zweiten Neuron empfangen wird.

Später im Jahre 1939 haben Alan Hodgkin und Andrew Huxley festgestellt, dass im Riesenaxon von Tintenfischen die Zellmembranen von Neuronen geladene Teilchen in einer vorhersagbaren Weise in und ausströmen lassen.

Im Jahr 1976 haben dann Erwin Neher und Bert Sakmann die Patch-Clamp-Technik entwickelt, die eine Möglichkeit bereitstellte, um die Membranen der erregbaren Zellen im kleinsten Detail zu untersuchen.

Vor kurzem, im Jahr 2005, haben Karl Diesseroth, Ed Boyden und Feng Zhang eine revolutionäre Strategie Namens Optogenetik entwickelt, um die elektrischen Eigenschaften von Neuronen durch gentechnische Veränderung zu kontrollieren, indem lichtempfindliche Kanälen, die zu einer Familie von Proteinen Namens "Opsinen" gehören, exprimiert werden. Durch die Aktivierung dieser Kanäle mit gezieltem Licht können spezifische Neuronen erregt oder gehemmt werden, mit einer Genauigkeit, die bisher nicht möglich war, was eine detaillierte Manipulation der neuronalen Netzwerke ermöglicht.

Zuerst wollen wir einige grundlegende Beobachtungen in der Geschichte der Neurophysiologie besprechen.

Die Eigenschaften des Nervensystems hat die Menschheit seit mindestens 1600 vor Christus fasziniert, als die Ägypter den ältesten erhaltenen Text formuliert haben, der das Gehirn erwähnt.

Nun springen wir zur Neuzeit. Im Jahre 1771 demonstrierte Luigi Galvani, dass ein Stromschlag Muskelzuckungen bei einen toten Frosch auslösen kann. Er behauptete, dass dieser Effekt aufgrund der "Tier Elektrizität" war.

Erst in den 1840er Jahren war Emil Du Bois-Reymond in der Lage zu beweisen, dass die tierische Elektrizität eigentlich ein Nervenimpuls oder "Aktionspotential" war.

Weitergehend im Jahr 1924 hat Hans Berger die elektrische Natur der globalen Hirnaktivität beim Menschen durch Elektroenzephalographie oder EEG aufgezeichnet - eine Technik, die noch weitgehend von den heutigen Neurophysiologen verwendet wird.

Im Jahr 1951 hat Sir John Eccles einen entscheidenden Weg herausgefunden in dem Informationen von einem Neuron zum anderen übertragen werden. Er beschrieb die chemische Synapse, wo das elektrische Signal von einem Neuron in ein chemisches Signal umgewandelt wird, das von einem zweiten Neuron empfangen wird.

Später im Jahre 1939 haben Alan Hodgkin und Andrew Huxley festgestellt, dass im Riesenaxon von Tintenfischen die Zellmembranen von Neuronen geladene Teilchen in einer vorhersagbaren Weise in und ausströmen lassen.

Im Jahr 1976 haben dann Erwin Neher und Bert Sakmann die Patch-Clamp-Technik entwickelt, die eine Möglichkeit bereitstellte, um die Membranen der erregbaren Zellen im kleinsten Detail zu untersuchen.

Vor kurzem, im Jahr 2005, haben Karl Diesseroth, Ed Boyden und Feng Zhang eine revolutionäre Strategie Namens Optogenetik entwickelt, um die elektrischen Eigenschaften von Neuronen durch gentechnische Veränderung zu kontrollieren, indem lichtempfindliche Kanälen, die zu einer Familie von Proteinen Namens "Opsinen" gehören, exprimiert werden. Durch die Aktivierung dieser Kanäle mit gezieltem Licht können spezifische Neuronen erregt oder gehemmt werden, mit einer Genauigkeit, die bisher nicht möglich war, was eine detaillierte Manipulation der neuronalen Netzwerke ermöglicht.

Da wir nun ein Gefühl haben für einige der wichtigsten Fragen, die von Neurophysiologen gefragt werden,

schauen wir uns einige der bedeutenden Methoden an, die verwendet werden, um sie zu beantworten.

Das Patch-Clamp-Verfahren ist eines der am häufigsten verwendeten Techniken für die Untersuchung von Neuronen in der Zelle und auf molekularer Ebene. Mit ein wenig Ansaugen wird eine feine Elektrode aus einer Glaskapillare an die Neuronen angeschlossen, so dass eine interne Beobachtung der ganzen Zellerregbarkeit ermöglicht wird. Es gibt auch Patch-Clamp-Konfigurationen, bei denen ein kleines Stück Membran aus der Zelle entfernt wird, wodurch der Zugang zu der zytoplasmatischen Seite der Plasmamembran, für pharmakologische Manipulation, ermöglicht wird.

Kalzium-Imaging kann zur Untersuchung der Erregbarkeit des gesamten Neurons verwendet werden. Neuronen sind mit einem Farbstoff beladen, dessen Fluoreszenz sich als Reaktion auf eine erhöhte Kalziumkonzentration in der Zelle verändert. Während das intrazelluläre Kalzium viele Funktionen hat, kann Kalzium-Imaging als indirektes Maß für das Aktionspotential genutzt werden, wie bei diesem Beispiel mit dem Neuron gezeigt.

Die Techniken, die verwendet werden, um neuronale Netzwerke zu untersuchen, müssen in der Lage sein viele Nervenzellen gleichzeitig zu beobachten. Die Verwendung von Multielektrodenarrays mit vielen Kontakten, ist eine Methode, die verwendet wird, um mehrere Neuronen gleichzeitig aufzuzeichnen.

Neuronale Netzwerke können auch mit Optogenetik untersucht werden, wobei Nervenzellen modifiziert werden das sie lichtempfindliche Ionenkanäle exprimieren. Wenn sie Licht ausgesetzt sind, öffnen sich diese Kanäle und in Abhängigkeit von ihrer Ionenselektivität, werden sie entweder die Neuronen hemmen oder erregen, dies ermöglicht einen Einblick, welche Rolle das Neuron in diesem bestimmten Netzwerk spielt und wie die Verhaltensreaktion von diesem Netzwerk gesteuert wird.

Um das Aktivitätsmuster auf einer breiteren Skala zu visualisieren, wird eine Vielzahl von Techniken verwendet. Die Elektroenzephalographie oder EEG verwendet Elektroden am Schädel um die elektrische Aktivität des gesamten Gehirns zu überwachen. Ein zweites Verfahren ist die Elektrokortikographie oder ECoG, die auch die elektrische Aktivität überwacht, mit der Ausnahme, dass die Elektroden auf der Oberfläche des Gehirns platziert werden. Diese Methode wird typischerweise in Verbindung mit einem klinischen Verfahren durchgeführt, wie die bei Epilepsiepatienten. Alternativ kann eine Technik verwendet werden, die als funktionelle Nahinfrarotspektroskopie bekannt ist, die Infrarotlicht zur Überwachung des Sauerstoffes verwendet. Sauerstoff kann als Korrelat für die neuronale Aktivität genommen werden, der während Verhaltensaufgaben überwacht werden kann.

Da wir nun mit einigen verbreiteten Forschungsansätzen vertraut sind, wollen wir uns ein paar Anwendungen der neurophysiologischen Forschung anschauen.

Eines der Hauptziele dieses Bereiches ist herauszufinden, was die Ursache und wie die Behandlung der Dysfunktion des Nervensystems ist, wie zum Beispiel bei Epilepsie. Ein Ansatz ist das Implantieren von Elektroden für elektrokardiographische Aufnahmen der Hirnaktivität von Patienten, um die Anfall auslösenden dysfunktionalen Regionen des Gehirns zu lokalisieren.

Eine aufregende neue Anwendung in der Neurophysiologie ist die Entwicklung einer Gehirn-Computer-Schnittstelle. An diesen Schnittstellen wird die Gehirnaktivität überwacht, während das Objekt über die Ausführung einer Aufgabe nachdenkt, wie die Bewegung des Mauszeigers auf einem Bildschirm. Die Aktivität wird als Befehlssignal für den Cursor in den Computer eingespeist. Im Wesentlichen ist diese Gerätesteuerung über Gedanken.

Eine weitere Anwendung der Neurophysiologie ist die Untersuchung der neuronalen Netzwerke mit Optogenetik. Zusammen mit einem faseroptischen Kabel das mit einem Koppler im Gehirn einer gentechnisch veränderten Maus implantiert und verbunden ist, können diese Forscher direkt nach der Stimulation definierter neuronaler Netzwerke die Verhaltensergebnisse visualisieren.

Das war die JoVE-Einführung in die Neurophysiologie und die Erforschung des Nervensystems. Wir haben historische Höhepunkte, Schlüsselfragen, die von Neurophysiologen gefragt werden und einige der Techniken, die sie verwenden, besprochen.