Een introductie tot de neurofysiologie

Het vakgebied van de neurofysiologie biedt inzicht in hoe het zenuwstelsel werkt en hoe een disfunctie daarvan tot ziekten kan leiden. Fysiologie is de studie van hoe organismen en hun onderdelen functioneren. Neurofysiologie kan worden gedefinieerd als de studie van de werking van het zenuwstelsel, waartoe de hersenen, het ruggenmerg, de perifere zenuwen en de zintuigen behoren.

Neurofysiologen benaderen het zenuwstelsel op verschillende organisatieniveaus, waaronder functionele systemen, circuits, individuele neuronen en neuronale compartimenten.

Deze video geeft een kort overzicht van de geschiedenis van de neurofysiologie, introduceert kernvragen die door neurofysiologen worden gesteld, beschrijft enkele prominente methoden en bespreekt tot slot toepassingen van dit vakgebied.

Laten we beginnen met het bekijken van enkele baanbrekende studies in de geschiedenis van de neurofysiologie.

De eigenschappen van het zenuwstelsel boeien de mensheid al sinds ten minste 1600 v.Chr., toen de Egyptenaren de oudste bewaard gebleven tekst schreven waarin de hersenen worden genoemd.

Als we naar het moderne tijdperk gaan: in 1771 demonstreerde Luigi Galvani dat een elektrische schok een dode kikkerspier kon doen samentrekken. Hij beweerde dat dit effect te wijten was aan 'dierlijke elektriciteit'.

Pas in de jaren 1840 kon Emil Du Bois-Reymond bewijzen dat dierlijke elektriciteit in feite een zenuwprikkel of "actiepotentiaal" was.

Verder naar 1924: Hans Berger legde de elektrische aard van de globale hersenactiviteit bij mensen vast via elektro-encefalografie of EEG, een techniek die nog steeds veelvuldig wordt gebruikt door hedendaagse neurofysiologen.

Later, in 1939, stelden Alan Hodgkin en Andrew Huxley vast dat neuronale celmembranen in het reuzenaxon van de inktvis geladen deeltjes op een voorspelbare manier naar binnen en buiten lieten stromen.

In 1951 ontdekte Sir John Eccles een cruciale manier waarop informatie van het ene neuron naar het andere wordt overgebracht. Hij beschreef de chemische synaps, waarbij het elektrische signaal van één neuron wordt omgezet in een chemisch signaal dat door een tweede neuron wordt ontvangen.

Daarna ontwikkelden Erwin Neher en Bert Sakmann in 1976 de patch-clamptechniek, die een manier bood om de membranen van exciteerbare cellen in uiterst detail te bestuderen.

Recentelijk, in 2005, bedachten Karl Diesseroth, Ed Boyden en Feng Zhang een revolutionaire strategie genaamd optogenetica om de elektrische eigenschappen van neuronen te beheersen door ze genetisch te modificeren zodat ze lichtgevoelige kanalen tot expressie brengen die behoren tot een familie van eiwitten genaamd "opsines". Door deze kanalen met gerichte lichtinstraling te activeren, kunnen specifieke neuronen met een precisie worden geëxciteerd of geremd die voorheen niet mogelijk was, wat gedetailleerde manipulatie van neuronale circuits mogelijk maakt.

Nu we de historische hoogtepunten hebben besproken, laten we kijken naar enkele van de fundamentele vragen die neurofysiologen vandaag de dag stellen.

Om te beginnen richten sommige onderzoekers zich op de regulatie van functies op cellulair en moleculair niveau van individuele neuronen.

Zo bestuderen ze bijvoorbeeld hoe specifieke receptoren op dendrieten bijdragen aan de postsynaptische respons, wat kan leiden tot een actiepotentiaal. Ze kunnen ook de excitatie-secretiekoppeling bij de synaps onderzoeken, wat betekent dat ze geïnteresseerd zijn in hoe neuronale excitatie enHet presynaptische mechanisme de afgifte van neurotransmitters beïnvloeden.

Andere neurofysiologen onderzoeken hoe neuronen informatie verwerken die wordt ontvangen bij hun dendritische vertakkingen. Ze kunnen meerdere technieken gebruiken om het axon, de dendrieten en de dendritische stekels van een enkel neuron gelijktijdig te onderzoeken.

Andere neurofysiologen bestuderen hoe neuronale circuits informatie verwerken. Circuits worden gewoonlijk bestudeerd in de context van een eenvoudig gedrag of een stimulusrespons die ze naar verluidt aansturen.

Sommige neurofysiologen kijken naar activiteitspatronen over grote regio's van het zenuwstelsel. Zij kunnen onderzoeken hoe hersenactiviteit, weergegeven in geel en rood, zich tussen hersengebieden verplaatst, afhankelijk van wat het subject doet.

Zoals u kunt zien, kan een neurofysioloog een breed scala aan wetenschappelijke vragen aanpakken, van enkele moleculen in neuronen tot wijdverspreide activiteit in de hersenen.

Nu u een idee heeft van enkele van de belangrijkste vragen die neurofysiologen stellen, bekijken we enkele van de prominente methoden die worden gebruikt om deze te beantwoorden.

Patch clamping is een van de meest gebruikte technieken voor het onderzoeken van neuronen op cellulair en moleculair niveau. Met behulp van een kleine hoeveelheid zuiging wordt een fijne glazen capillaire elektrode afgesloten op het neuron, waardoor interne monitoring van de exciteerbaarheid van de gehele cel mogelijk is. Er zijn ook patch clamp-configuraties waarbij een klein stukje membraan uit de cel wordt gesneden, waardoor toegang ontstaat tot de cytoplasmatische zijde van het plasmamembraan voor farmacologische manipulatie.

Calcium-imaging kan worden gebruikt om excitatie over het gehele neuron te onderzoeken. Neuronen worden geladen met een kleurstof die van fluorescentie verandert als reactie op een verhoogde calciumconcentratie binnen de cel. Hoewel intracellulair calcium vele functies heeft, kan calcium-imaging worden gebruikt als een indirecte maat voor actiepotentialen, zoals getoond bij dit voorbeeldneuron.

Technieken die worden gebruikt om neurale circuits te bestuderen, moeten in staat zijn om veel neuronen tegelijkertijd te monitoren. Het gebruik van multielektrode-arrays met veel contactpunten is een methode om simultaan registraties van meerdere neuronen te maken.

Neurale circuits kunnen ook worden onderzocht met behulp van optogenetica, waarbij neuronen worden gemodificeerd om lichtgevoelige ionkanalen tot expressie te brengen. Wanneer ze aan licht worden blootgesteld, openen deze kanalen en kunnen ze, afhankelijk van hun ionselectiviteit, het neuron remmen of exciteren, wat inzicht geeft in de rol die dat neuron speelt in een specifiek circuit en de gedragsrespons die door dat circuit wordt aangestuurd.

Om activiteitspatronen op grotere schaal te visualiseren, worden verschillende technieken gebruikt. Elektro-encefalografie of EEG maakt gebruik van elektroden op de schedel om de elektrische activiteit in de gehele hersenen te monitoren.

Een tweede methode is electrocorticografie of ECoG, die ook elektrische activiteit monitort, maar waarbij de elektroden op het oppervlak van de hersenen worden geplaatst. Deze methode wordt doorgaans uitgevoerd in combinatie met een klinische procedure, zoals die bij epilepsiepatiënten worden uitgevoerd. Alternatief maakt een techniek genaamd functionele nabij-infraroodspectroscopie gebruik van infraroodlicht om het zuurstofverbruik als correlaat van neurale activiteit te monitoren, wat tijdens gedragstaken kan worden gevolgd.

Nu u bekend bent met enkele gangbare onderzoeksbenaderingen, bekijken we een aantal toepassingen van neurofysiologisch onderzoek.

Een van de belangrijkste doelen van dit vakgebied is het achterhalen van de oorzaak en behandeling van dysfuncties van het zenuwstelsel, zoals bij epilepsie. Een methode is het implanteren van elektroden voor elektrocorticografische registraties van de hersenactiviteit van de patiënt, om zo de dysfunctionele hersengebieden te lokaliseren die de insulten veroorzaken.

Een opwindende nieuwe toepassing voor de neurofysiologie is de ontwikkeling van hersen-machine-interfaces. Bij deze interfaces wordt de hersenactiviteit gemonitord terwijl de proefpersoon denkt aan het uitvoeren van een taak, zoals het bewegen van een cursor op een scherm. De activiteit wordt naar de computer gestuurd als het aansturingssignaal voor de cursor. In essentie betreft dit apparaatbesturing met behulp van gedachten.

Een andere toepassing van de neurofysiologie is het onderzoek naar neurale circuits met behulp van optogenetica. Door een glasvezelkabel te koppelen aan een coupler die is geïmplanteerd in de hersenen van een genetisch gemodificeerde muis, kunnen deze onderzoekers de gedragsmatige uitkomst van het stimuleren van gedefinieerde neurale circuits direct visualiseren.

U heeft zojuist de introductie van JoVE over neurofysiologie en de studie van het zenuwstelsel bekeken. We hebben historische hoogtepunten besproken, kernvragen die door neurofysiologen worden gesteld en enkele van de technieken die zij gebruiken.

Bedankt voor het kijken!