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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.
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 gibt Aufschluss darüber, wie das Nervensystem funktioniert und wie seine Funktionsstörung zu Krankheiten führen kann. Physiologie ist die Lehre davon, wie Organismen und ihre Teile funktionieren. Neurophysiologie kann definiert werden als die Lehre von der Funktionsweise des Nervensystems, zu dem das Gehirn, das Rückenmark, die peripheren Nerven und die Sinnesorgane gehören.
Neurophysiologen nähern sich dem Nervensystem auf mehreren Organisationsebenen, die Funktionssysteme, Schaltkreise, einzelne Neuronen und neuronale Kompartimente umfassen.
Dieses Video präsentiert eine kurze Geschichte der Neurophysiologie, stellt Schlüsselfragen von Neurophysiologen vor, beschreibt einige prominente Methoden und diskutiert schließlich Anwendungen dieses Feldes.
Beginnen wir mit einem Überblick über einige bahnbrechende Studien in der Geschichte der Neurophysiologie.
Die Eigenschaften des Nervensystems faszinieren die Menschheit seit mindestens 1600 v. Chr., als die Ägypter den ältesten erhaltenen Text verfassten, in dem das Gehirn erwähnt wird.
Mit einem Sprung in die Neuzeit, im Jahr 1771, demonstrierte Luigi Galvani, dass ein elektrischer Schlag einen toten Froschmuskel zucken lassen kann. Er behauptete, dieser Effekt sei auf "tierische Elektrizität" zurückzuführen.
Erst in den 1840er Jahren konnte Emil Du Bois-Reymond nachweisen, dass tierische Elektrizität tatsächlich ein Nervenimpuls oder ein "Aktionspotential" war.
Im Jahr 1924 erfasste Hans Berger die elektrische Natur der globalen Gehirnaktivität beim Menschen mittels Elektroenzephalographie oder EEG, einer Technik, die auch heute noch von den Neurophysiologen häufig verwendet wird.
Später, im Jahr 1939, stellten Alan Hodgkin und Andrew Huxley fest, dass die Zellmembranen von Neuronen es geladenen Teilchen ermöglichten, auf vorhersehbare Weise im Tintenfisch-Riesenaxon ein- und auszuströmen.
Im Jahr 1951 fand Sir John Eccles eine entscheidende Methode heraus, auf der Informationen von einem Neuron zu einem anderen übertragen werden. Er beschrieb die chemische Synapse, bei der das elektrische Signal eines Neurons in ein chemisches Signal umgewandelt wird, das von einem zweiten Neuron empfangen wird.
1976 entwickelten Erwin Neher und Bert Sakmann die Patch-Clamp-Technik, die es ermöglichte, die Membranen erregbarer Zellen im Detail zu untersuchen.
In jüngerer Zeit, im Jahr 2005, entwickelten Karl Diesseroth, Ed Boyden und Feng Zhang eine revolutionäre Strategie namens Optogenetik, um die elektrischen Eigenschaften von Neuronen zu kontrollieren, indem sie sie genetisch so veränderten, dass sie lichtempfindliche Kanäle exprimieren, die zu einer Familie von Proteinen gehören, die als "Opsine" bezeichnet werden. Durch die Aktivierung dieser Kanäle mit gezieltem Licht können bestimmte Neuronen mit einer Präzision angeregt oder gehemmt werden, die bisher nicht möglich war, was eine detaillierte Manipulation neuronaler Schaltkreise ermöglicht.
Nachdem wir nun die historischen Höhepunkte überprüft haben, wollen wir einige der grundlegenden Fragen untersuchen, die sich Neurophysiologen heute stellen.
Zu Beginn konzentrieren sich einige Forscher darauf, wie die Funktionen einzelner Neuronen auf zellulärer und molekularer Ebene reguliert werden.
Zum Beispiel könnten sie untersuchen, wie spezifische Rezeptoren auf Dendriten zur postsynaptischen Reaktion beitragen, was zu einem Aktionspotenzial führen könnte. Sie könnten auch die Erregungs-Sekretions-Kopplung an der Synapse untersuchen, was bedeutet, dass sie daran interessiert sind, wie neuronale Erregung und präsynaptische Maschinerie die Freisetzung von Neurotransmittern beeinflussen.
Andere Neurophysiologen fragen, wie Neuronen Informationen verarbeiten, die sie an ihren dendritischen Dornen erhalten. Sie könnten mehrere Techniken anwenden, um das Axon, die Dendriten und die dendritischen Dornen eines einzelnen Neurons gleichzeitig zu untersuchen.
Andere Neurophysiologen untersuchen, wie neuronale Schaltkreise Informationen verarbeiten. Schaltkreise werden in der Regel im Zusammenhang mit einem einfachen Verhalten oder einer Reizreaktion untersucht, von der man annimmt, dass sie sie kontrollieren.
Einige Neurophysiologen untersuchen Aktivitätsmuster in den großen Regionen des Nervensystems. Sie fragen möglicherweise, wie sich die Gehirnaktivität, die in Gelb und Rot dargestellt ist, zwischen den Gehirnregionen bewegt, je nachdem, was der Proband tut.
Wie Sie sehen können, kann ein Neurophysiologe eine Reihe von wissenschaftlichen Fragen beantworten, von einzelnen Molekülen in Neuronen bis hin zu weit verbreiteter Aktivität im Gehirn.
Nachdem Sie nun ein Gefühl für einige der wichtigsten Fragen haben, die von Neurophysiologen gestellt werden, schauen wir uns einige der wichtigsten Methoden an, mit denen sie beantwortet werden.
Patch Clamping ist eine der am weitesten verbreiteten Techniken zur Untersuchung von Neuronen auf zellulärer und molekularer Ebene. Mit ein wenig Sog wird eine feine Glaskapillarelektrode auf das Neuron gesiegelt, was eine interne Überwachung der Erregbarkeit der gesamten Zelle ermöglicht. Es gibt auch Patch-Clamp-Konfigurationen, bei denen ein kleines Stück Membran aus der Zelle herausgeschnitten wird, wodurch der Zugang zur zytoplasmatischen Seite der Plasmamembran für die pharmakologische Manipulation ermöglicht wird.
Mit Hilfe der Kalziumbildgebung kann die Erregung über das gesamte Neuron untersucht werden. Neuronen sind mit einem Farbstoff beladen, der seine Fluoreszenz als Reaktion auf eine erhöhte Kalziumkonzentration in der Zelle ändert. Während intrazelluläres Kalzium viele Funktionen hat, kann die Kalziumbildgebung als indirektes Maß für Aktionspotentiale verwendet werden, wie an diesem Beispielneuron gezeigt.
Techniken, die zur Untersuchung neuronaler Schaltkreise verwendet werden, müssen in der Lage sein, viele Neuronen gleichzeitig zu überwachen. Die Verwendung von Multielektrodenarrays mit vielen Kontakten ist eine Methode, mit der mehrere Neuronen gleichzeitig aufgezeichnet werden.
Neuronale Schaltkreise können auch mit Hilfe der Optogenetik untersucht werden, bei der Neuronen so modifiziert werden, dass sie lichtempfindliche Ionenkanäle exprimieren. Wenn sie Licht ausgesetzt werden, öffnen sich diese Kanäle und können je nach ihrer Ionenselektivität das Neuron entweder hemmen oder anregen, was Aufschluss darüber gibt, welche Rolle dieses Neuron in einem bestimmten Schaltkreis spielt und welche Verhaltensreaktion von diesem Schaltkreis gesteuert wird.
Um Aktivitätsmuster auf einer breiteren Skala zu visualisieren, werden eine Vielzahl von Techniken verwendet. Bei der Elektroenzephalographie oder EEG werden Elektroden am Schädel verwendet, um die elektrische Aktivität im gesamten Gehirn zu überwachen.
Eine zweite Methode ist die Elektrokortikographie oder ECoG, die ebenfalls die elektrische Aktivität überwacht, mit der Ausnahme, dass die Elektroden auf der Oberfläche des Gehirns platziert werden. Diese Methode wird in der Regel in Verbindung mit einem klinischen Eingriff durchgeführt, wie er bei Epilepsiepatienten durchgeführt wird. Alternativ verwendet eine Technik, die als funktionelle Nahinfrarotspektroskopie bekannt ist, Infrarotlicht, um den Sauerstoffverbrauch als Korrelat der neuronalen Aktivität zu überwachen, die bei Verhaltensaufgaben überwacht werden kann.
Nachdem Sie nun mit einigen gängigen Forschungsansätzen vertraut sind, schauen wir uns einige Anwendungen der neurophysiologischen Forschung an.
Eines der Hauptziele dieses Feldes ist es, die Ursache und Behandlung von Funktionsstörungen des Nervensystems, wie z. B. bei Epilepsie, herauszufinden. Ein Ansatz besteht darin, Elektroden für die elektrokortikographische Aufzeichnung der Hirnaktivität von Patienten zu implantieren, um die anfallsverursachenden dysfunktionalen Regionen des Gehirns zu lokalisieren.
Eine spannende neue Anwendung für die Neurophysiologie ist die Entwicklung von Gehirn-Maschine-Schnittstellen. In diesen Schnittstellen wird die Gehirnaktivität überwacht, während der Proband darüber nachdenkt, eine Aufgabe zu erledigen, z. B. einen Cursor auf einem Bildschirm zu bewegen. Die Aktivität wird als Befehlssignal für den Cursor in den Computer eingespeist. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um Gerätesteuerung mit Gedanken.
Eine weitere Anwendung der Neurophysiologie ist die Untersuchung neuronaler Schaltkreise mit Hilfe der Optogenetik. Durch die Montage eines Glasfaserkabels, das mit einem Koppler verbunden ist, der in das Gehirn einer gentechnisch veränderten Maus implantiert wurde, können diese Forscher das Verhaltensergebnis der Stimulation definierter neuronaler Schaltkreise direkt visualisieren.
Sie haben gerade JoVEs Einführung in die Neurophysiologie und ihre Untersuchung des Nervensystems gesehen. Wir haben historische Höhepunkte, Schlüsselfragen von Neurophysiologen und einige der von ihnen verwendeten Techniken überprüft.
Danke fürs Zuschauen!
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