Eine Einführung in die Neurophysiologie

An Introduction to Neurophysiology

JoVE Science Education
Neuroscience

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Science Education Neuroscience

An Introduction to Neurophysiology

1.2: Patch Clamp Electrophysiology

90,309 Views

•

09:16 min

•

April 30, 2023

Overview

Neurophysiologie wird allgemein als die Erforschung der Funktion des Nervensystems definiert. In diesem Bereich erforschen Wissenschaftler das zentrale und periphere Nervensystem auf der Ebene der Organe, der zellulären Netzwerke, einzelner Zellen oder sogar auf subzellulären Kompartimenten. Ein verbindendes Merkmal dieser weitreichenden Fachrichtung ist ein Interesse an den Mechanismen, die zur Entstehung und Ausbreitung von elektrischen Impulsen innerhalb und zwischen den Nervenzellen führen. Dieses Fachgebiet ist nicht nur wichtig für das Verständnis dieser faszinierenden Prozesse, die das menschliche Denken lenken, sondern auch für unsere Fähigkeit zur Diagnose und Behandlung von Fehlsteuerungen des dysfunktionalem Nervensystems.

Dieses Video bietet eine Einführung in das Gebiet der Neurophysiologie beginnend mit einer kurzen Geschichte der neurophysiologischen Forschung, das grundlegende Beobachtungen präsentiert, wie die Studie vom zuckenden Froschschenkel von Galvani und die Entdeckung der chemischen Synapse von Eccles. Anschließend werden zentrale Fragen vorgestellt, die von den Neurophysiologen gefragt werden, gefolgt von einem Überblick über einige herausragende experimentelle Geräte, die verwendet werden, um diese Fragen zu beantworten. Die vorgestellten Methoden reichen von Techniken, die verwendet werden, um einzelne Zellen zu untersuchen, wie das Patch-Clamp-Verfahren, bis zu diesen, die Aktivitäten in weiten Regionen des Gehirns messen können, wie die Elektroenzephalographie (EEG). Schließlich werden Anwendungen der neurophysiologischen Forschung besprochen, einschließlich der Entwicklung der Gehirn-Computer-Schnittstelle, die die Gerätesteuerung mit Gedanken ermöglicht.

Procedure

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.

Transcript

The field of neurophysiology provides insight into how the nervous system works and how its dysfunction can lead to disease. Physiology is the study of how organisms and their parts function. Neurophysiology can be defined as the study of the functioning of the nervous system, which includes the brain, the spinal cord, peripheral nerves, and sensory organs.

Neurophysiologists approach the nervous system at multiple levels of organization that include functional systems, circuits, single neurons, and neuronal compartments.

This video presents a brief history of neurophysiology, introduces key questions asked by neurophysiologists, describes some prominent methods, and finally discusses applications of this field.

Let’s start by reviewing some landmark studies in the history of neurophysiology.

The properties of the nervous system have captivated mankind since at least 1600 BC, when the Egyptians drafted the oldest surviving text mentioning the brain.

Jumping to the modern era, in 1771, Luigi Galvani demonstrated that an electrical shock could make a dead frog muscle twitch. He claimed this effect was due to ‘animal electricity.’

It was not until the 1840s that Emil Du Bois-Reymond was able to prove that animal electricity was actually a nerve impulse or “action potential.”

Moving on to 1924, Hans Berger recorded the electrical nature of global brain activity in humans by electroencephalography or EEG, a technique that is still widely used by today’s neurophysiologists.

Later, in 1939, Alan Hodgkin and Andrew Huxley determined that neuron cell membranes allowed charged particles to flow in and out in a predictable manner in the squid giant axon.

In 1951 Sir John Eccles figured out one critical way in which information is transmitted from one neuron to another. He described the chemical synapse where the electrical signal from one neuron is converted into a chemical signal that is received by a second neuron.

Then, in 1976 Erwin Neher and Bert Sakmann developed the patch-clamp technique, which provided a way to study the membranes of excitable cells in exquisite detail.

More recently, in 2005, Karl Diesseroth, Ed Boyden, and Feng Zhang devised a revolutionary strategy called optogenetics to control the electrical properties of neurons by genetically engineering them to express light sensitive channels belonging to a family of proteins called “opsins.”. By activating these channels with targeted light, specific neurons can be excited or inhibited with a precision that was not previously possible, allowing for detailed manipulation of neuronal circuits.

Now that we have reviewed the historical highlights, let’s examine some of the fundamental questions asked by neurophysiologists today.

To begin, some researchers focus on how the cellular- and molecular-level functions of individual neurons are regulated.

For example, they might study how specific receptors on dendrites contribute to the post synaptic response, which could lead to an action potential. They may also investigate excitation-secretion coupling at the synapse, which means that they are interested in how neuronal excitation and presynaptic machinery affect the release of neurotransmitters.

Other neurophysiologists ask how neurons process information received at their dendritic arbors. They might use multiple techniques to investigate the axon, dendrites and dendritic spines of a single neuron simultaneously.

Other neurophysiologists study how neuronal circuits process information. Circuits are usually studied in the context of a simple behavior or stimulus response that they are thought to control.

Some neurophysiologists look at patterns of activity over the large regions of the nervous system. They may ask how brain activity, shown in yellow and red, moves between brain regions depending on what the subject is doing.

As you can see a neurophysiologist can tackle a range of scientific questions from single molecules in neurons to widespread activity in the brain.

Now that you have a feel for some of the key questions asked by neurophysiologists, let’s look at some of the prominent methods used to answer them.

Patch clamping is one of the most widely used techniques for investigating neurons at the cell and molecular level. Using a little bit of suction, a fine glass capillary electrode is sealed onto the neuron allowing for internal monitoring of whole cell excitability. There are also patch clamp configurations where a small patch of membrane is excised from the cell, thereby providing access to the cytoplasmic side of the plasma membrane for pharmacological manipulation.

Calcium imaging can be used to investigate excitation over the entire neuron. Neurons are loaded with a dye that changes its fluorescence in response to an elevated calcium concentration within the cell. While intracellular calcium has many functions, calcium imaging can be used as an indirect measure of action potentials as shown with this example neuron.

Techniques used to study neural circuits need to be able to monitor many neurons at once. The use of multielectrode arrays with many contacts is one method used to record from multiple neurons simultaneously.

Neural circuitry can also be investigated using optogenetics, in which neurons are modified to express light sensitive ion channels. When exposed to light, these channels open and, depending on their ion selectivity, they can either inhibit or excite the neuron, which provides insight into what role that neuron plays in a particular circuit and the behavioral response governed by that circuit.

To visualize patterns of activity on a broader scale, a variety of techniques are used. Electroencephalography or EEG uses electrodes on the skull to monitor electrical activity across the entire brain.

A second method is electrocorticography or ECoG, which also monitors electrical activity except that the electrodes are placed on the surface of the brain. This method is typically performed in conjunction with a clinical procedure such as those performed in epilepsy patients. Alternatively, a technique known as functional near-infrared spectroscopy employs infrared light to monitor oxygen use as a correlate of neural activity, which can be monitored during behavioral tasks.

Now that you’re familiar with some common research approaches, let’s look at some applications of neurophysiological research.

One of the major goals of this field is to figure out the cause and treatment of nervous system dysfunction, such as in epilepsy. One approach is to implant electrodes for electrocorticographic recordings of patient brain activity in order to localize the seizure-causing dysfunctional regions of the brain.

An exciting new application for neurophysiology is the development of brain-machine interfaces. In these interfaces, brain activity is monitored while the subject thinks about doing a task, such as moving a cursor on a screen. The activity is fed into the computer as the command signal for the cursor. In essence, this is device control using thought.

Another application of neurophysiology is the investigation of neural circuitry using optogenetics. By assembling a fiber optic cord that connects to a coupler implanted in the brain of a genetically engineered mouse, these researchers can directly visualize the behavioral outcome of stimulating defined neural circuits.

You’ve just watched JoVE’s introduction to neurophysiology and its study of the nervous system. We reviewed historical highlights, key questions asked by neurophysiologists, and some of the techniques they use.

Thanks for watching!