1.1: Wprowadzenie do neurofizjologii

Dziedzina neurofizjologii zapewnia wgląd w to, jak działa układ nerwowy i jak jego dysfunkcja może prowadzić do choroby. Fizjologia to nauka o tym, jak funkcjonują organizmy i ich części. Neurofizjologię można zdefiniować jako badanie funkcjonowania układu nerwowego, który obejmuje mózg, rdzeń kręgowy, nerwy obwodowe i narządy zmysłów.

Neurofizjolodzy podchodzą do układu nerwowego na wielu poziomach organizacji, które obejmują systemy funkcjonalne, obwody, pojedyncze neurony i przedziały neuronalne.

Ten film przedstawia krótką historię neurofizjologii, wprowadza kluczowe pytania zadawane przez neurofizjologów, opisuje niektóre najważniejsze metody, a na koniec omawia zastosowania tej dziedziny.

Zacznijmy od przeglądu kilku przełomowych badań w historii neurofizjologii.

Właściwości układu nerwowego fascynują ludzkość od co najmniej 1600 r. p.n.e., kiedy to Egipcjanie sporządzili najstarszy zachowany tekst wspominający o mózgu.

Przeskakując do epoki nowożytnej, w 1771 roku, Luigi Galvani zademonstrował, że porażenie prądem może spowodować drganie mięśni martwej żaby. Twierdził, że efekt ten był spowodowany "elektrycznością zwierzęcą".

Dopiero w latach czterdziestych XIX wieku Emil Du Bois-Reymond był w stanie udowodnić, że elektryczność zwierzęca jest w rzeczywistości impulsem nerwowym lub "potencjałem czynnościowym".

Przechodząc do 1924 roku, Hans Berger zarejestrował elektryczną naturę globalnej aktywności mózgu u ludzi za pomocą elektroencefalografii lub EEG, techniki, która jest nadal szeroko stosowana przez dzisiejszych neurofizjologów.

Później, w 1939 roku, Alan Hodgkin i Andrew Huxley ustalili, że błony komórkowe neuronów pozwalają naładowanym cząstkom przepływać i wypływać w przewidywalny sposób w gigantycznym aksonie kałamarnicy.

W 1951 roku Sir John Eccles odkrył jeden z kluczowych sposobów, w jaki informacja jest przekazywana z jednego neuronu do drugiego. Opisał synapsę chemiczną, w której sygnał elektryczny z jednego neuronu jest przekształcany w sygnał chemiczny, który jest odbierany przez drugi neuron.

Następnie, w 1976 roku, Erwin Neher i Bert Sakmann opracowali technikę patch-clamp, która umożliwiła badanie błon komórek pobudliwych w najdrobniejszych szczegółach.

Niedawno, w 2005 roku, Karl Diesseroth, Ed Boyden i Feng Zhang opracowali rewolucyjną strategię zwaną optogenetyką, aby kontrolować właściwości elektryczne neuronów poprzez genetyczną inżynierię ich w celu ekspresji wrażliwych na światło kanałów należących do rodziny białek zwanych "opsynami". Aktywując te kanały za pomocą ukierunkowanego światła, określone neurony mogą być pobudzane lub hamowane z precyzją, która wcześniej nie była możliwa, co pozwala na szczegółową manipulację obwodami neuronalnymi.

Teraz, gdy dokonaliśmy przeglądu najważniejszych wydarzeń historycznych, przyjrzyjmy się niektórym z podstawowych pytań zadawanych dziś przez neurofizjologów.

Na początek niektórzy badacze skupiają się na tym, w jaki sposób regulowane są funkcje poszczególnych neuronów na poziomie komórkowym i molekularnym.

Na przykład mogą badać, w jaki sposób specyficzne receptory na dendrytach przyczyniają się do odpowiedzi postsynaptycznej, co może prowadzić do potencjału czynnościowego. Mogą również badać sprzężenie pobudzenia i wydzielania w synapsie, co oznacza, że są zainteresowani tym, jak pobudzenie neuronów i maszyneria presynaptyczna wpływają na uwalnianie neuroprzekaźników.

Inni neurofizjolodzy pytają, w jaki sposób neurony przetwarzają informacje otrzymane w ich dendrytycznych altanach. Mogą używać wielu technik do jednoczesnego badania aksonów, dendrytów i kolców dendrytycznych pojedynczego neuronu.

Inni neurofizjolodzy badają, w jaki sposób obwody neuronalne przetwarzają informacje. Obwody są zwykle badane w kontekście prostego zachowania lub reakcji na bodziec, którą uważa się, że kontrolują.

Niektórzy neurofizjolodzy przyglądają się wzorcom aktywności w dużych obszarach układu nerwowego. Mogą zapytać, w jaki sposób aktywność mózgu, pokazana na żółto i czerwono, przemieszcza się między obszarami mózgu w zależności od tego, co robi badany.

Jak widać, neurofizjolog może zająć się szeregiem pytań naukowych, od pojedynczych cząsteczek w neuronach po powszechną aktywność w mózgu.

Teraz, gdy znasz już niektóre z kluczowych pytań zadawanych przez neurofizjologów, przyjrzyjmy się niektórym z najważniejszych metod stosowanych w celu udzielenia na nie odpowiedzi.

Zaciskanie łat jest jedną z najczęściej stosowanych technik badania neuronów na poziomie komórkowym i molekularnym. Przy odrobinie ssania cienka szklana elektroda kapilarna jest uszczelniana na neuronie, co pozwala na wewnętrzne monitorowanie pobudliwości całej komórki. Istnieją również konfiguracje klamry krosowej, w których mały fragment błony jest wycinany z komórki, zapewniając w ten sposób dostęp do cytoplazmatycznej strony błony plazmatycznej w celu manipulacji farmakologicznej.

Obrazowanie wapnia może być wykorzystane do zbadania pobudzenia w całym neuronie. Neurony są naładowane barwnikiem, który zmienia swoją fluorescencję w odpowiedzi na podwyższone stężenie wapnia w komórce. Podczas gdy wewnątrzkomórkowy wapń pełni wiele funkcji, obrazowanie wapnia może być używane jako pośrednia miara potencjałów czynnościowych, jak pokazano w tym przykładzie neuronu.

Techniki stosowane do badania obwodów neuronowych muszą być w stanie monitorować wiele neuronów jednocześnie. Wykorzystanie matryc wieloelektrodowych z wieloma kontaktami jest jedną z metod stosowanych do jednoczesnego nagrywania z wielu neuronów.

Obwody neuronalne można również badać za pomocą optogenetyki, w której neurony są modyfikowane w celu ekspresji wrażliwych na światło kanałów jonowych. Po wystawieniu na działanie światła kanały te otwierają się i, w zależności od ich selektywności jonowej, mogą hamować lub pobudzać neuron, co zapewnia wgląd w rolę, jaką ten neuron odgrywa w określonym obwodzie i reakcję behawioralną regulowaną przez ten obwód.

Aby zobrazować wzorce aktywności na szerszą skalę, stosuje się różne techniki. Elektroencefalografia lub EEG wykorzystuje elektrody na czaszce do monitorowania aktywności elektrycznej w całym mózgu.

Drugą metodą jest elektrokortykografia lub ECoG, która również monitoruje aktywność elektryczną, z wyjątkiem tego, że elektrody są umieszczane na powierzchni mózgu. Ta metoda jest zwykle wykonywana w połączeniu z procedurą kliniczną, taką jak te wykonywane u pacjentów z padaczką. Alternatywnie, technika znana jako funkcjonalna spektroskopia bliskiej podczerwieni wykorzystuje światło podczerwone do monitorowania zużycia tlenu jako korelatu aktywności neuronalnej, która może być monitorowana podczas zadań behawioralnych.

Teraz, gdy znasz już niektóre typowe podejścia badawcze, przyjrzyjmy się niektórym zastosowaniom badań neurofizjologicznych.

Jednym z głównych celów tej dziedziny jest ustalenie przyczyny i leczenia dysfunkcji układu nerwowego, np. w padaczce. Jednym z podejść jest wszczepienie elektrod do elektrokortykograficznych zapisów aktywności mózgu pacjenta w celu zlokalizowania dysfunkcyjnych obszarów mózgu powodujących napady.

Ekscytującym nowym zastosowaniem w neurofizjologii jest rozwój interfejsów mózg-maszyna. W tych interfejsach aktywność mózgu jest monitorowana, podczas gdy badany myśli o wykonaniu zadania, takiego jak przesunięcie kursora na ekranie. Aktywność jest wprowadzana do komputera jako sygnał poleceń dla kursora. W istocie jest to sterowanie urządzeniami za pomocą myśli.

Innym zastosowaniem neurofizjologii jest badanie obwodów nerwowych za pomocą optogenetyki. Poprzez zmontowanie przewodu światłowodowego, który łączy się z łącznikiem wszczepionym w mózg genetycznie zmodyfikowanej myszy, naukowcy mogą bezpośrednio wizualizować behawioralne wyniki stymulacji zdefiniowanych obwodów neuronowych.

Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do neurofizjologii i jego badania nad układem nerwowym. Dokonaliśmy przeglądu najważniejszych wydarzeń historycznych, kluczowych pytań zadawanych przez neurofizjologów oraz niektórych technik, których używają.

Dzięki za oglądanie!