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.
Neurophysiologie wird allgemein als die Erforschung der Funktion des Nervensystems definiert. In diesem Bereich erforschen Wissenschaftler das zentral…
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.
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.
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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.
Chapters in this video
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Historical Highlights
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Key Questions
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Prominent Methods
7:38
Applications
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Summary