Wprowadzenie do neurofizjologii

Dziedzina neurofizjologii pozwala zrozumieć, w jaki sposób działa układ nerwowy i jak jego dysfunkcje mogą prowadzić do chorób. Fizjologia jest nauką o funkcjonowaniu organizmów i ich poszczególnych części. Neurofizjologię można zdefiniować jako badanie funkcjonowania układu nerwowego, który obejmuje mózg, rdzeń kręgowy, nerwy obwodowe oraz narządy zmysłów.

Neurofizjolodzy analizują układ nerwowy na wielu poziomach organizacji, obejmujących systemy funkcjonalne, obwody, pojedyncze neurony oraz przedziały neuronalne.

Niniejsze nagranie prezentuje krótki rys historyczny neurofizjologii, wprowadza kluczowe pytania badawcze stawiane przez neurofizjologów, opisuje niektóre z najważniejszych metod i na koniec omawia zastosowania tej dziedziny.

Zacznijmy od przeglądu kilku przełomowych badań w historii neurofizjologii.

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

Przenosząc się do ery nowożytnej, w 1771 roku Luigi Galvani wykazał, że wstrząs elektryczny może wywołać skurcz mięśnia martwej żaby. Twierdził on, że efekt ten jest wynikiem „elektryczności zwierzęcej”.

Dopiero w latach 40. XIX wieku Emil Du Bois-Reymond zdołał udowodnić, że elektryczność zwierzęca była w rzeczywistości impulsem nerwowym, czyli „potencjałem czynnościowym”.

Przechodząc do roku 1924, Hans Berger zarejestrował elektryczną naturę globalnej aktywności mózgu u ludzi za pomocą elektroencefalografii (EEG) – techniki, która do dziś jest powszechnie stosowana przez neurofizjologów.

Później, w 1939 roku, Alan Hodgkin i Andrew Huxley ustalili, że błony komórkowe neuronów w olbrzymim aksonie kalmara umożliwiają przepływ naładowanych cząstek do wnętrza i na zewnątrz komórki w przewidywalny sposób.

W 1951 roku sir John Eccles odkrył jeden z kluczowych sposobów przekazywania informacji z jednego neuronu do drugiego. Opisał on synapsę chemiczną, w której sygnał elektryczny z jednego neuronu jest przekształcany w sygnał chemiczny odbierany przez drugi neuron.

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

W bardziej niedawnym czasie, w 2005 roku, Karl Diesseroth, Ed Boyden i Feng Zhang opracowali rewolucyjną strategię zwaną optogenetyką, służącą do kontrolowania właściwości elektrycznych neuronów poprzez ich modyfikację genetyczną w celu ekspresji kanałów światłoczułych należących do rodziny białek zwanych „opsynami”. Poprzez aktywację tych kanałów ukierunkowanym światłem, konkretne neurony mogą być pobudzane lub hamowane z precyzją, która wcześniej nie była możliwa, co pozwala na szczegółową manipulację obwodami neuronalnymi.

Po przeanalizowaniu najważniejszych wydarzeń historycznych przyjrzyjmy się niektórym z podstawowych pytań, które stawiają dzisiejsi neurofizjolodzy.

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

Na przykład mogą oni badać, w jaki sposób specyficzne receptory na dendrytach wpływają na odpowiedź postsynaptyczną, która może prowadzić do powstania potencjału czynnościowego. Mogą również badać sprzężenie pobudzenia z wydzielaniem w synapsie, co oznacza, że interesuje ich wpływ pobudzenia neuronalnego i mechanizmów presynaptycznych na uwalnianie neurotransmiterów.

Inni neurofizjolodzy zastanawiają się, w jaki sposób neurony przetwarzają informacje odbierane przez ich drzewa dendrytyczne. Mogą oni stosować wiele technik, aby jednocześnie badać akson, dendryty i kolce dendrytyczne pojedynczego neuronu.

Kolejni neurofizjolodzy badają, w jaki sposób obwody neuronalne przetwarzają informacje. Obwody te są zazwyczaj badane w kontekście prostego zachowania lub odpowiedzi na bodziec, które uważa się, że one kontrolują.

Niektórzy neurofizjolodzy analizują wzorce aktywności w rozległych obszarach układu nerwowego. Mogą oni badać, jak aktywność mózgu, zaznaczona kolorem żółtym i czerwonym, przemieszcza się między obszarami mózgu w zależności od tego, co robi badany osobnik.

Jak widać, neurofizjolog może zajmować się szerokim zakresem zagadnień naukowych – od pojedynczych cząsteczek w neuronach po rozległą aktywność w mózgu.

Skoro zapoznali się Państwo z niektórymi kluczowymi pytaniami, które stawiają neurofizjolodzy, przyjrzyjmy się teraz najważniejszym metodom stosowanym w celu znalezienia odpowiedzi.

Metoda patch clamp jest jedną z najszerzej stosowanych technik badania neuronów na poziomie komórkowym i molekularnym. Dzięki zastosowaniu niewielkiego podciśnienia cienka szklana elektroda kapilarna zostaje uszczelniona na neuronie, co umożliwia wewnętrzne monitorowanie pobudliwości całej komórki. Istnieją również konfiguracje patch clamp, w których z komórki wycina się niewielki fragment błony, zapewniając tym samym dostęp do strony cytoplazmatycznej błony plazmatycznej w celu manipulacji farmakologicznych.

Obrazowanie wapnia może być wykorzystywane do badania pobudzenia w całym neuronie. Neurony są obciążane barwnikiem, który zmienia swoją fluorescencję w odpowiedzi na podwyższone stężenie wapnia wewnątrz komórki. Choć wewnątrzkomórkowy wapń pełni wiele funkcji, obrazowanie wapnia może służyć jako pośrednia miara potencjałów czynnościowych, co pokazano na przykładzie tego neuronu.

Techniki stosowane do badania obwodów neuronalnych muszą umożliwiać jednoczesne monitorowanie wielu neuronów. Jedną z metod zapisu z wielu neuronów jednocześnie jest wykorzystanie macierzy wieloelektrodowych z wieloma kontaktami.

Obwody neuronalne można badać również za pomocą optogenetyki, w której neurony są modyfikowane tak, aby eksponowały światłoczułe kanały jonowe. Pod wpływem światła kanały te otwierają się i, w zależności od ich selektywności jonowej, mogą hamować lub pobudzać neuron, co pozwala zrozumieć rolę, jaką dany neuron odgrywa w konkretnym obwodzie, oraz odpowiedź behawioralną sterowaną przez ten obwód.

Do wizualizacji wzorców aktywności w szerszej skali stosuje się różne techniki. Elektroencefalografia, czyli EEG, wykorzystuje elektrody umieszczone na czaszce do monitorowania aktywności elektrycznej całego mózgu.

Drugą metodą jest elektrokortykografia, czyli ECoG, która również monitoruje aktywność elektryczną, z tą różnicą, że elektrody są umieszczane bezpośrednio na powierzchni mózgu. Metoda ta jest zazwyczaj wykonywana w połączeniu z procedurą kliniczną, np. u pacjentów z epilepsją. Alternatywnie, technika znana jako funkcjonalna spektroskopia bliskiej podczerwieni wykorzystuje światło podczerwone do monitorowania zużycia tlenu jako korelatu aktywności neuronalnej, co może być obserwowane podczas zadań behawioralnych.

Teraz, gdy zapoznali się już Państwo z niektórymi powszechnymi podejściami badawczymi, przyjrzyjmy się kilku zastosowaniom badań neurofizjologicznych.

Jednym z głównych celów tej dziedziny jest ustalenie przyczyn i metod leczenia dysfunkcji układu nerwowego, na przykład w przypadku epilepsji. Jednym z podejść jest implantacja elektrod do rejestracji elektrokortykograficznej aktywności mózgu pacjenta w celu lokalizacji dysfunkcyjnych obszarów mózgu wywołujących napady.

Ekscytującym nowym zastosowaniem neurofizjologii jest rozwój interfejsów mózg-komputer. W tych interfejsach monitorowana jest aktywność mózgu, podczas gdy badany myśli o wykonaniu zadania, np. o przesunięciu kursora na ekranie. Aktywność ta jest przekazywana do komputera jako sygnał sterujący kursorem. W istocie jest to sterowanie urządzeniem za pomocą myśli.

Kolejnym zastosowaniem neurofizjologii jest badanie obwodów neuronalnych z wykorzystaniem optogenetyki. Poprzez zestawienie przewodu światłowodowego połączonego ze sprzęgaczem implantowanym w mózgu genetycznie zmodyfikowanej myszy, badacze mogą bezpośrednio wizualizować efekt behawioralny stymulacji określonych obwodów neuronalnych.

Właśnie obejrzeli Państwo wprowadzenie JoVE do neurofizjologii i badania układu nerwowego. Przeglądaliśmy najważniejsze wydarzenia historyczne, kluczowe pytania stawiane przez neurofizjologów oraz niektóre z technik, których używają.

Dziękujemy za uwagę!