Introduzione alla neurofisiologia

Il campo della neurofisiologia fornisce informazioni su come funziona il sistema nervoso e su come la sua disfunzione può portare alla malattia. La fisiologia è lo studio di come funzionano gli organismi e le loro parti. La neurofisiologia può essere definita come lo studio del funzionamento del sistema nervoso, che comprende il cervello, il midollo spinale, i nervi periferici e gli organi sensoriali.

I neurofisiologi si avvicinano al sistema nervoso a più livelli di organizzazione che includono sistemi funzionali, circuiti, singoli neuroni e compartimenti neuronali.

Questo video presenta una breve storia della neurofisiologia, introduce le domande chiave poste dai neurofisiologi, descrive alcuni metodi importanti e infine discute le applicazioni di questo campo.

Iniziamo rivedendo alcuni studi di riferimento nella storia della neurofisiologia.

Le proprietà del sistema nervoso hanno affascinato l'umanità almeno dal 1600 aC, quando gli egiziani redigevano il più antico testo sopravvissuto che menzionava il cervello.

Saltando all'era moderna, nel 1771, Luigi Galvani dimostrò che una scossa elettrica poteva far tremare un muscolo di rana morto. Ha affermato che questo effetto era dovuto all'"elettricità animale".

Fu solo nel 1840 che Emil Du Bois-Reymond fu in grado di dimostrare che l'elettricità animale era in realtà un impulso nervoso o "potenziale d'azione".

Passando al 1924, Hans Berger registrò la natura elettrica dell'attività cerebrale globale negli esseri umani mediante elettroencefalografia o EEG, una tecnica che è ancora ampiamente utilizzata dai neurofisiologi di oggi.

Più tardi, nel 1939, Alan Hodgkin e Andrew Huxley determinarono che le membrane cellulari dei neuroni permettevano alle particelle cariche di fluire dentro e fuori in modo prevedibile nell'assone gigante dei calamari.

Nel 1951 Sir John Eccles ha capito un modo critico in cui le informazioni vengono trasmesse da un neurone all'altro. Ha descritto la sinapsi chimica in cui il segnale elettrico da un neurone viene convertito in un segnale chimico che viene ricevuto da un secondo neurone.

Poi, nel 1976, Erwin Neher e Bert Sakmann svilupparono la tecnica del patch-clamp, che fornì un modo per studiare le membrane delle cellule eccitabili con dettagli squisiti.

Più recentemente, nel 2005, Karl Diesseroth, Ed Boyden e Feng Zhang hanno ideato una strategia rivoluzionaria chiamata optogenetica per controllare le proprietà elettriche dei neuroni ingegnerizzandoli geneticamente per esprimere canali sensibili alla luce appartenenti a una famiglia di proteine chiamate "opsins". Attivando questi canali con luce mirata, neuroni specifici possono essere eccitati o inibiti con una precisione che prima non era possibile, consentendo una manipolazione dettagliata dei circuiti neuronali.

Ora che abbiamo esaminato i punti salienti storici, esaminiamo alcune delle domande fondamentali poste dai neurofisiologi oggi.

Per iniziare, alcuni ricercatori si concentrano su come vengono regolate le funzioni a livello cellulare e molecolare dei singoli neuroni.

Ad esempio, potrebbero studiare come i recettori specifici sui dendriti contribuiscono alla risposta post sinaptica, che potrebbe portare a un potenziale d'azione. Possono anche studiare l'accoppiamento eccitazione-secrezione alla sinapsi, il che significa che sono interessati a come l'eccitazione neuronale e il macchinario presinaptico influenzano il rilascio di neurotrasmettitori.

Altri neurofisiologi chiedono come i neuroni elaborano le informazioni ricevute nei loro pergolati dendritici. Potrebbero usare più tecniche per studiare contemporaneamente l'assone, i dendriti e le spine dendritiche di un singolo neurone.

Altri neurofisiologi studiano come i circuiti neuronali elaborano le informazioni. I circuiti sono solitamente studiati nel contesto di un semplice comportamento o risposta di stimolo che si pensa che controllino.

Alcuni neurofisiologi esaminano i modelli di attività sulle grandi regioni del sistema nervoso. Possono chiedersi come l'attività cerebrale, mostrata in giallo e rosso, si muove tra le regioni del cervello a seconda di ciò che il soggetto sta facendo.

Come puoi vedere, un neurofisiologo può affrontare una serie di domande scientifiche, dalle singole molecole nei neuroni all'attività diffusa nel cervello.

Ora che hai un'idea di alcune delle domande chiave poste dai neurofisiologi, diamo un'occhiata ad alcuni dei metodi più importanti utilizzati per rispondere.

Il patch clamping è una delle tecniche più utilizzate per studiare i neuroni a livello cellulare e molecolare. Usando un po 'di aspirazione, un elettrodo capillare di vetro fine è sigillato sul neurone consentendo il monitoraggio interno dell'eccitabilità dell'intera cellula. Ci sono anche configurazioni di patch clamp in cui una piccola macchia di membrana viene asportata dalla cellula, fornendo così l'accesso al lato citoplasmatico della membrana plasmatica per la manipolazione farmacologica.

L'imaging del calcio può essere utilizzato per studiare l'eccitazione sull'intero neurone. I neuroni sono caricati con un colorante che cambia la sua fluorescenza in risposta a un'elevata concentrazione di calcio all'interno della cellula. Mentre il calcio intracellulare ha molte funzioni, l'imaging del calcio può essere utilizzato come misura indiretta dei potenziali d'azione, come mostrato con questo neurone di esempio.

Le tecniche utilizzate per studiare i circuiti neurali devono essere in grado di monitorare molti neuroni contemporaneamente. L'uso di array multielettrodi con molti contatti è un metodo utilizzato per registrare da più neuroni contemporaneamente.

I circuiti neurali possono anche essere studiati usando l'optogenetica, in cui i neuroni vengono modificati per esprimere canali ionici sensibili alla luce. Quando esposti alla luce, questi canali si aprono e, a seconda della loro selettività iona, possono inibire o eccitare il neurone, il che fornisce informazioni su quale ruolo svolge quel neurone in un particolare circuito e sulla risposta comportamentale governata da quel circuito.

Per visualizzare i modelli di attività su una scala più ampia, vengono utilizzate una varietà di tecniche. L'elettroencefalografia o EEG utilizza elettrodi sul cranio per monitorare l'attività elettrica in tutto il cervello.

Un secondo metodo è l'elettrocorticografia o ECoG, che monitora anche l'attività elettrica tranne che gli elettrodi sono posizionati sulla superficie del cervello. Questo metodo viene in genere eseguito in combinazione con una procedura clinica come quelle eseguite nei pazienti con epilessia. In alternativa, una tecnica nota come spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso impiega la luce infrarossa per monitorare l'uso di ossigeno come correlato dell'attività neurale, che può essere monitorato durante le attività comportamentali.

Ora che hai familiarità con alcuni approcci di ricerca comuni, diamo un'occhiata ad alcune applicazioni della ricerca neurofisiologica.

Uno dei principali obiettivi di questo campo è capire la causa e il trattamento della disfunzione del sistema nervoso, come nell'epilessia. Un approccio è quello di impiantare elettrodi per le registrazioni elettrocorticografiche dell'attività cerebrale del paziente al fine di localizzare le regioni disfunzionali del cervello che causano convulsioni.

Una nuova entusiasmante applicazione per la neurofisiologia è lo sviluppo di interfacce cervello-macchina. In queste interfacce, l'attività cerebrale viene monitorata mentre il soggetto pensa di svolgere un compito, come spostare un cursore su uno schermo. L'attività viene immessa nel computer come segnale di comando per il cursore. In sostanza, questo è il controllo del dispositivo usando il pensiero.

Un'altra applicazione della neurofisiologia è lo studio dei circuiti neurali utilizzando l'optogenetica. Assemblando un cavo in fibra ottica che si collega a un accoppiatore impiantato nel cervello di un topo geneticamente modificato, questi ricercatori possono visualizzare direttamente il risultato comportamentale della stimolazione di circuiti neurali definiti.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE alla neurofisiologia e il suo studio del sistema nervoso. Abbiamo esaminato i punti salienti storici, le domande chiave poste dai neurofisiologi e alcune delle tecniche che usano.

Grazie per l'attenzione!