מבוא לנוירופיזיולוגיה

תחום הנוירופיזיולוגיה מספק תובנה כיצד פועלת מערכת העצבים וכיצד תפקוד לקוי שלה יכול להוביל למחלות. פיזיולוגיה היא חקר האופן שבו אורגניזמים וחלקיהם מתפקדים. נוירופיזיולוגיה יכולה להיות מוגדרת כמחקר של תפקוד מערכת העצבים, הכוללת את המוח, חוט השדרה, העצבים ההיקפיים, ואיברי חישה.

נוירופיזיולוגים מתקרבים למערכת העצבים ברמות מרובות של ארגון הכוללות מערכות פונקציונליות, מעגלים, נוירונים בודדים ותאים עצביים.

וידאו זה מציג היסטוריה קצרה של נוירופיזיולוגיה, מציג שאלות מפתח שנשאלו על ידי נוירופיזיולוגים, מתאר כמה שיטות בולטות, ולבסוף דן ביישומים של תחום זה.

בואו נתחיל על ידי סקירת כמה מחקרים ציון דרך בהיסטוריה של נוירופיזיולוגיה.

תכונותיה של מערכת העצבים כבשו את האנושות מאז שנת 1600 לפנה"ס לפחות, כאשר המצרים ניסחו את הטקסט העתיק ביותר ששרד והזכיר את המוח.

ב-1771, ב-1771, לואיג'י גלווני הראה שהלם חשמלי עלול לגרום לצפרדע מתה להתעוות. לדבריו, השפעה זו נבעה מ"חשמל לבעלי חיים".

רק בשנות ה-40 של ה-19 הצליח אמיל דו בואה-ריימונד להוכיח שחשמל לבעלי חיים הוא למעשה דחף עצבי או "פוטנציאל פעולה".

ב-1924 תיעד הנס ברגר את האופי החשמלי של פעילות המוח העולמית בבני אדם באמצעות אלקטרואנצפלוגרפיה או EEG, טכניקה שעדיין נמצאת בשימוש נרחב על ידי הנוירופיזיולוגים של ימינו.

מאוחר יותר, בשנת 1939, אלן הודג'קין ואנדרו האקסלי קבעו כי קרום תאי הנוירון אפשר לחלקיקים טעונים לזרום פנימה והחוצה באופן צפוי באקסון הענק של הדיונון.

בשנת 1951 הבין סר ג'ון אקלס דרך קריטית אחת שבה המידע מועבר מתא עצב אחד למשנהו. הוא תיאר את הסינפסה הכימית שבה האות החשמלי מתא עצב אחד מומר לאות כימי המתקבל על ידי נוירון שני.

ואז, בשנת 1976 פיתחו ארווין נהר וברט סקמן את טכניקת מהדק התיקון, שסיפקה דרך לחקור את הממברנות של תאים נרגשים בפירוט רב.

לאחרונה, בשנת 2005, קרל דיסרות', אד בוידן ופנג זאנג המציאו אסטרטגיה מהפכנית בשם אופטוגנטיקה לשלוט בתכונות החשמליות של נוירונים על ידי הנדסה גנטית שלהם כדי לבטא ערוצים רגישים לאור השייכים למשפחה של חלבונים הנקראים "אופסינים". על ידי הפעלת ערוצים אלה עם אור ממוקד, נוירונים ספציפיים יכולים להיות נרגשים או מעוכבים עם דיוק שלא היה אפשרי בעבר, ומאפשר מניפולציה מפורטת של מעגלים עצביים.

כעת, לאחר שסקרנו את הדגשים ההיסטוריים, בואו נבחן כמה מהשאלות הבסיסיות שנשאלו על ידי נוירופיזיולוגים כיום.

ראשית, חלק מהחוקרים מתמקדים באופן שבו הפונקציות ברמה התאית והמולקולרית של נוירונים בודדים מוסדרות.

לדוגמה, הם עשויים לחקור כיצד קולטנים ספציפיים על דנדריטים לתרום לתגובה לאחר סינפטי, אשר יכול להוביל פוטנציאל פעולה. הם עשויים גם לחקור צימוד הפרשת עירור בסינפסה, מה שאומר שהם מעוניינים כיצד עירור עצבי ומכונות presynaptic להשפיע על שחרור של נוירוטרנסמיטורים.

נוירופיזיולוגים אחרים שואלים כיצד נוירונים מעבדים מידע שהתקבל בארבורים הדנדריטיים שלהם. הם עשויים להשתמש בטכניקות מרובות כדי לחקור את האקסון, דנדריטים וקוצים דנדריטים של נוירון יחיד בו זמנית.

נוירופיזיולוגים אחרים חוקרים כיצד מעגלים עצביים מעבדים מידע. מעגלים נחקרים בדרך כלל בהקשר של התנהגות פשוטה או תגובת גירוי שהם נחשבים לשלוט.

כמה נוירופיזיולוגים מסתכלים על דפוסי פעילות על פני האזורים הגדולים של מערכת העצבים. הם עשויים לשאול כיצד פעילות המוח, המוצגת בצהוב ואדום, נעה בין אזורי המוח בהתאם למה שהנושא עושה.

כפי שניתן לראות נוירופיזיולוגי יכול להתמודד עם מגוון של שאלות מדעיות ממולקולות בודדות בתאי עצב לפעילות נרחבת במוח.

עכשיו שיש לכם תחושה של כמה מהשאלות המרכזיות שנשאלו על ידי נוירופיזיולוגים, בואו נסתכל על כמה מהשיטות הבולטות המשמשות כדי לענות עליהן.

הידוק תיקון היא אחת הטכניקות הנפוצות ביותר לחקירת נוירונים ברמה התאית והמולקולרית. באמצעות קצת שאיבה, אלקטרודה נימי זכוכית עדינה אטומה על הנוירון המאפשר ניטור פנימי של עירור תאים שלם. ישנן גם תצורות מהדק תיקון שבו חלקה קטנה של ממברנה הוא excised מהתא, ובכך מתן גישה לצד הציטופלסמי של קרום הפלזמה עבור מניפולציה פרמקולוגית.

הדמיית סידן יכולה לשמש כדי לחקור עירור על הנוירון כולו. נוירונים עמוסים בצבע שמשנה את הפלואורסצנטיות שלו בתגובה לריכוז סידן גבוה בתוך התא. בעוד סידן תאי יש פונקציות רבות, הדמיית סידן יכול לשמש כמדד עקיף של פוטנציאל פעולה כפי שמוצג עם נוירון דוגמה זו.

טכניקות המשמשות לחקר מעגלים עצביים צריכות להיות מסוגלות לפקח על נוירונים רבים בבת אחת. השימוש במערכים multielectrode עם אנשי קשר רבים היא שיטה אחת המשמשת להקלטה נוירונים מרובים בו זמנית.

מעגלים עצביים יכולים להיחקר גם באמצעות אופטוגנטיקה, שבה נוירונים משתנים כדי להביע ערוצי יונים רגישים לאור. כאשר הם נחשפים לאור, ערוצים אלה נפתחים, ובהתאם לסלקטיביות היונים שלהם, הם יכולים לעכב או לרגש את הנוירון, המספק תובנה לגבי התפקיד שהנוירון ממלא במעגל מסוים והתגובה ההתנהגותית הנשלטת על ידי המעגל הזה.

כדי לדמיין דפוסי פעילות בקנה מידה רחב יותר, נעשה שימוש במגוון טכניקות. אלקטרואנצפלוגרפיה או EEG משתמשת באלקטרודות על הגולגולת כדי לעקוב אחר פעילות חשמלית בכל המוח.

שיטה שנייה היא אלקטרוקורטיקוגרפיה או ECoG, אשר גם מנטר פעילות חשמלית למעט כי האלקטרודות ממוקמות על פני השטח של המוח. שיטה זו מבוצעת בדרך כלל בשילוב עם הליך קליני כגון אלה המבוצעים בחולי אפילפסיה. לחלופין, טכניקה המכונה ספקטרוסקופיה כמעט אינפרא אדום פונקציונלי משתמש באור אינפרא אדום כדי לפקח על השימוש בחמצן כמתאם של פעילות עצבית, אשר ניתן לפקח במהלך משימות התנהגותיות.

עכשיו שאתם מכירים כמה גישות מחקר נפוצות, בואו נסתכל על כמה יישומים של מחקר נוירופיזיולוגי.

אחת המטרות העיקריות של תחום זה היא להבין את הגורם והטיפול בתפקוד מערכת העצבים, כגון באפילפסיה. גישה אחת היא להשתיל אלקטרודות להקלטות אלקטרוקורטיקוגרפיות של פעילות המוח החולה על מנת למקם את האזורים הלא מתפקדים הגורמים להתקפים במוח.

יישום חדש ומלהיב לנוירופיזיולוגיה הוא פיתוח ממשקי מוח-מכונה. בממשקים אלה, פעילות המוח מנוטרת בזמן שהנושא חושב על ביצוע משימה, כגון הזזת סמן על מסך. הפעילות מוזן למחשב כאות פקודה עבור הסמן. בעיקרו של דבר, זוהי בקרת מכשיר באמצעות מחשבה.

יישום נוסף של נוירופיזיולוגיה הוא חקירת מעגלים עצביים באמצעות אופטוגנטיקה. על ידי הרכבת כבל סיבים אופטיים המתחבר למצמד המושתל במוחו של עכבר מהונדס גנטית, חוקרים אלה יכולים לדמיין ישירות את התוצאה ההתנהגותית של גירוי מעגלים עצביים מוגדרים.

הרגע צפית בהקדמה של JoVE לנוירופיזיולוגיה ובמחקר שלה על מערכת העצבים. סקרנו נקודות עיקריות היסטוריות, שאלות מפתח שנשאלו על ידי נוירופיזיולוגים, וחלק מהטכניקות בהן הם משתמשים.

תודה שצפיתם!