Introducción a la neurofisiología

El campo de la neurofisiología proporciona una idea de cómo funciona el sistema nervioso y cómo su disfunción puede conducir a la enfermedad. Fisiología es el estudio de cómo los organismos y su función de partes. Neurofisiología se puede definir como el estudio del funcionamiento del sistema nervioso, que incluye el cerebro, la médula espinal, nervios periféricos y órganos sensoriales.

Neurofisiólogos acercan el sistema nervioso en múltiples niveles de organización que incluyen sistemas funcionales, circuitos, las neuronas individuales y compartimientos neuronales.

Este video presenta una breve historia de Neurofisiología, introduce preguntas claves por neurofisiólogos, describe algunos métodos importantes y finalmente discute aplicaciones de este campo.

Empecemos por revisar algunos estudios hito en la historia de la neurofisiología.

Las propiedades del sistema nervioso han cautivado a la humanidad desde al menos 1600 AC, cuando los egipcios redactaron el texto más antiguo sobreviviente mencionar el cerebro.

Salto a la era moderna, en 1771, Luigi Galvani demostró que una descarga eléctrica podría hacer que un músculo de rana muerta twitch. Afirmó que este efecto era debido a la 'electricidad animal'.

No fue hasta la década de 1840 que Emil Du Bois-Reymond era capaz de demostrar que la electricidad animal era realmente un impulso nervioso o "potencial de acción de."

Hacia 1924, Hans Berger registró la naturaleza eléctrica de la actividad global del cerebro en seres humanos por electroencefalografía o EEG, una técnica que sigue siendo ampliamente utilizada por neurofisiólogos de hoy.

Más tarde, en 1939, Alan Hodgkin y Andrew Huxley determinan que las membranas celulares de la neurona permite las partículas cargadas al flujo hacia adentro y hacia afuera de manera predecible en el axón gigante de calamar.

En 1951 Sir John Eccles calculó hacia fuera de una manera crítica en la cual se transmite información de una neurona a otra. Él describió la sinapsis química donde la señal eléctrica de una neurona se convierte en una señal química que es recibida por una segunda neurona.

Luego, en 1976 Erwin Neher y Bert Sakmann desarrollaron la técnica de patch-clamp, que proporcionó una manera para el estudio de las membranas de células excitables en detalle exquisito.

Más recientemente, en 2005, Karl Diesseroth, Ed Boyden y Feng Zhang idearon una estrategia revolucionaria llamada optogenetics para controlar las propiedades eléctricas de las neuronas por la ingeniería genética para expresar luz canales sensibles perteneciente a una familia de proteínas llamadas "opsins.". Mediante la activación de estos canales con la luz dirigida, las neuronas específicas pueden ser excitadas o inhibidas con una precisión que no era previamente posible, lo que permite la manipulación detallada de los circuitos neuronales.

Ahora que hemos repasado los puntos históricos, vamos a examinar algunas de las preguntas fundamentales formuladas por neurofisiólogos hoy.

Para empezar, algunos investigadores se centran en cómo están reguladas las funciones de nivel molecular y celular de las neuronas individuales.

Por ejemplo, podrían estudiar lo específicos receptores en las dendritas contribuyen a la respuesta post sináptica, que podría llevar a un potencial de acción. También puede investigar excitación-secreción de acoplamiento en la sinapsis, lo que significa que están interesados en cómo la excitación neuronal y maquinaria presináptica afectan la liberación de neurotransmisores.

Otros neurofisiólogos preguntar cómo las neuronas procesan información recibida en sus árboles dendríticos. Pueden utilizar múltiples técnicas para investigar el axón, las dendritas y espinas dendríticas de la neurona única al mismo tiempo.

Otros neurofisiólogos estudian cómo neuronal circuitos proceso información. Circuitos se estudian generalmente en el contexto de una respuesta simple de comportamiento o estímulo que se piensan para control.

Algunos neurofisiólogos ven patrones de actividad sobre las grandes regiones del sistema nervioso. Puede preguntar cómo la actividad cerebral, que se muestra en amarillo y rojo, se mueve entre las regiones del cerebro dependiendo de lo que está haciendo el tema.

Como se puede ver un neurofisiólogo puede abordar una amplia gama de cuestiones científicas de las moléculas individuales en las neuronas a la actividad generalizada en el cerebro.

Ahora que tienes una sensación de algunas de las preguntas claves por neurofisiólogos, echemos un vistazo a algunos de los prominentes métodos para responderlas.

Parche de sujeción es una de las técnicas más utilizadas para la investigación de las neuronas en el nivel molecular y celular. Con un poco de succión, un electrodo de vidrio fino capilar está sellado en la neurona para control interno de la excitabilidad de células enteras. También existen configuraciones de abrazadera del remiendo donde es suprimido un pequeño trozo de membrana de la célula, proporcionando así acceso a la parte citoplásmica de la membrana plasmática para manipulación farmacológica.

Proyección de imagen de calcio se puede utilizar para investigar la excitación en la neurona entera. Las neuronas están cargadas de un tinte que cambia su fluorescencia en respuesta a una concentración elevada de calcio dentro de la célula. Mientras que el calcio intracelular tiene muchas funciones, proyección de imagen de calcio puede utilizarse como una medida indirecta de potenciales de acción como se muestra con esta neurona ejemplo.

Técnicas utilizadas para el estudio de circuitos neurales deben ser capaces de controlar muchas neuronas a la vez. El uso de matrices micropozo-microcanal con muchos contactos es un método utilizado para grabar simultáneamente en varias neuronas.

Los circuitos neuronales también pueden ser investigado utilizando optogenetics, en el que las neuronas son modificadas para expresar canales iónicos sensibles luz. Cuando se expone a la luz, abren los canales y, dependiendo de su selectividad del ion, pueden inhibir o excitar a la neurona, que proporciona una idea de qué papel neurona juega en un circuito determinado y la respuesta de comportamiento regidas por ese circuito.

Para visualizar patrones de actividad en una escala más amplia, se utiliza una variedad de técnicas. Electroencefalografía o EEG usa electrodos sobre el cráneo para monitorizar la actividad eléctrica a través de todo el cerebro.

Un segundo método es electrocorticography o ECoG, que también supervisa la actividad eléctrica excepto que los electrodos se colocan sobre la superficie del cerebro. Este método se realiza típicamente en conjunto con un procedimiento clínico tales como los realizados en pacientes con epilepsia. Por otra parte, una técnica conocida como espectroscopia de infrarrojo cercano funcional emplea luz infrarroja para controlar el uso de oxígeno como un correlato de la actividad de los nervios, que puede ser monitoreada durante las tareas de comportamiento.

Ahora que usted está familiarizado con algunos enfoques de investigación comunes, vamos a ver algunas aplicaciones de la investigación neurofisiológica.

Uno de los principales objetivos de este campo es entender la causa y el tratamiento de la disfunción del sistema nervioso, como en la epilepsia. Un método consiste en implantar electrodos para electrocorticográfica grabaciones de la actividad cerebral del paciente con el fin de localizar las regiones disfuncionales del cerebro que causa convulsiones.

Una emocionante nueva aplicación para la neurofisiología es el desarrollo de las interfaces cerebro-máquina. En estas interfaces, se controla la actividad cerebral mientras que el sujeto piensa en hacer una tarea, como mover un cursor en una pantalla. La actividad se introduce en el ordenador como la señal de mando para el cursor. En esencia, se trata de control de dispositivos mediante el pensamiento.

Otra aplicación de la neurofisiología es la investigación de los circuitos neuronales usando optogenetics. Montando un cable de fibra óptica que se conecta a un acoplador implantado en el cerebro de un ratón genéticamente, estos investigadores pueden visualizar directamente el comportamiento resultado de estimular los circuitos neuronales definidos.

Sólo ha visto introducción de Zeus a la Neurofisiología y su estudio del sistema nervioso. Repasamos históricos destacados, preguntas claves por neurofisiólogos y algunas de las técnicas que utilizan.

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