Введение в нейрофизиологию

Область нейрофизиологии позволяет понять, как работает нервная система и как ее дисфункция может привести к заболеваниям. Физиология — это наука о том, как функционируют организмы и их отдельные части. Нейрофизиологию можно определить как изучение функционирования нервной системы, которая включает в себя головной и спинной мозг, периферические нервы и органы чувств.

Нейрофизиологи изучают нервную систему на нескольких уровнях организации, включая функциональные системы, нейронные цепи, отдельные нейроны и отделы нейронов.

В данном видео представлен краткий обзор истории нейрофизиологии, вводятся ключевые вопросы, изучаемые нейрофизиологами, описываются некоторые основные методы и, наконец, обсуждаются области применения этой дисциплины.

Для начала давайте рассмотрим некоторые знаковые исследования в истории нейрофизиологии.

Свойства нервной системы привлекали внимание людей как минимум с 1600 года до н. э., когда египтяне составили старейший из сохранившихся текстов с упоминанием мозга.

Переходя к современности: в 1771 году Луиджи Гальвани продемонстрировал, что электрический разряд может вызвать сокращение мышцы погибшей лягушки. Он утверждал, что этот эффект обусловлен «животным электричеством».

Лишь в 1840-х годах Эмиль Дюбуа-Реймон смог доказать, что «животное электричество» на самом деле представляет собой нервный импульс или «потенциал действия».

В 1924 году Ханс Бергер зарегистрировал электрическую природу глобальной активности мозга человека с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ) — метода, который до сих пор широко используется современными нейрофизиологами.

Позже, в 1939 году, Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли определили, что мембраны нейронов в гигантском аксоне кальмара позволяют заряженным частицам перемещаться внутрь и наружу предсказуемым образом.

В 1951 году сэр Джон Экклес раскрыл один из важнейших механизмов передачи информации от одного нейрона к другому. Он описал химический синапс, в котором электрический сигнал одного нейрона преобразуется в химический сигнал, воспринимаемый вторым нейроном.

Затем, в 1976 году, Эрвин Неер и Берт Сакман разработали метод патч-клампа, который позволил изучать мембраны возбудимых клеток с исключительной точностью.

Совсем недавно, в 2005 году, Карл Диссерот, Эд Бойден и Фэн Чжан разработали революционную стратегию под названием оптогенетика для управления электрическими свойствами нейронов путем их генетической модификации для экспрессии светочувствительных каналов, принадлежащих к семейству белков, называемых «опсинами». Активируя эти каналы направленным светом, можно возбуждать или подавлять специфические нейроны с точностью, которая ранее была недостижима, что позволяет детально манипулировать нейронными цепями.

Теперь, когда мы рассмотрели основные исторические вехи, давайте изучим некоторые из фундаментальных вопросов, которые ставят нейрофизиологи сегодня.

Для начала отметим, что некоторые исследователи сосредотачиваются на том, как регулируются функции отдельных нейронов на клеточном и молекулярном уровнях.

Например, они могут изучать, какой вклад вносят специфические рецепторы на дендритах в постсинаптический ответ, который может привести к возникновению потенциала действия. Также они могут исследовать сопряжение возбуждения и секреции в синапсе, то есть изучать, как возбуждение нейрона и пресинаптический аппарат влияют на высвобождение нейромедиаторов.

Другие нейрофизиологи задаются вопросом о том, как нейроны обрабатывают информацию, полученную через свои дендритные деревья. Они могут использовать несколько методов для одновременного исследования аксона, дендритов и дендритных шипиков одного нейрона.

Иные нейрофизиологи изучают, как информацию обрабатывают нейронные сети. Сети обычно исследуются в контексте простого поведения или реакции на стимул, которые, как считается, они контролируют.

Некоторые нейрофизиологи рассматривают паттерны активности в крупных областях нервной системы. Они могут изучать, как активность мозга, показанная желтым и красным цветом, перемещается между областями мозга в зависимости от действий субъекта.

Как видите, нейрофизиолог может решать широкий спектр научных задач: от изучения отдельных молекул в нейронах до анализа масштабной активности мозга.

Теперь, когда вы ознакомились с некоторыми ключевыми вопросами, которые изучают нейрофизиологи, давайте рассмотрим основные методы, используемые для поиска ответов на них.

Патч-кламп — один из наиболее широко применяемых методов исследования нейронов на клеточном и молекулярном уровнях. С помощью небольшого вакуума тонкий стеклянный капиллярный электрод герметично прижимается к нейрону, что позволяет осуществлять внутренний мониторинг возбудимости всей клетки. Существуют также конфигурации патч-клампа, при которых из клетки вырезается небольшой участок мембраны, что обеспечивает доступ к цитоплазматической стороне плазматической мембраны для фармакологического воздействия.

Кальциевый имиджинг может быть использован для исследования возбуждения всего нейрона. Нейроны нагружают красителем, флуоресценция которого изменяется в ответ на повышение концентрации кальция внутри клетки. Хотя внутриклеточный кальций выполняет множество функций, кальциевый имиджинг может использоваться в качестве косвенного метода измерения потенциалов действия, как показано на примере данного нейрона.

Методы, используемые для изучения нейронных сетей, должны обеспечивать одновременный мониторинг множества нейронов. Использование многоэлектродных матриц с большим количеством контактов — один из способов одновременной регистрации сигналов от нескольких нейронов.

Нейронные сети также могут быть исследованы с помощью оптогенетики, при которой нейроны модифицируются для экспрессии светочувствительных ионных каналов. При воздействии света эти каналы открываются и, в зависимости от их ионной селективности, могут либо подавлять, либо возбуждать нейрон, что позволяет понять, какую роль данный нейрон играет в конкретной сети и какой поведенческий ответ управляется этой сетью.

Для визуализации паттернов активности в более широком масштабе используется ряд различных методов. Электроэнцефалография или ЭЭГ использует электроды на черепе для мониторинга электрической активности всего мозга.

Вторым методом является электрокортикография или ЭКоГ, которая также регистрирует электрическую активность, но электроды при этом размещаются непосредственно на поверхности мозга. Этот метод обычно применяется в сочетании с клиническими процедурами, например, при лечении пациентов с эпилепсией. В качестве альтернативы используется метод, известный как функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия, при котором инфракрасный свет применяется для мониторинга потребления кислорода как коррелята нейронной активности, что может отслеживаться во время выполнения поведенческих задач.

Теперь, когда вы ознакомились с некоторыми распространенными исследовательскими подходами, давайте рассмотрим некоторые области применения нейрофизиологических исследований.

Одной из основных целей данной области является поиск причин и способов лечения дисфункций нервной системы, например, при эпилепсии. Один из подходов заключается в имплантации электродов для электрокортикографической регистрации мозговой активности пациента с целью локализации дисфункциональных областей мозга, вызывающих приступы.

Захватывающей новой областью применения нейрофизиологии является разработка интерфейсов «мозг-компьютер». В таких интерфейсах активность мозга мониторируется, пока испытуемый думает о выполнении определенной задачи, например, о перемещении курсора по экрану. Эти данные передаются в компьютер в качестве командного сигнала для курсора. По сути, это управление устройством с помощью мысли.

Еще одним применением нейрофизиологии является исследование нейронных цепей с помощью оптогенетики. Соединяя оптоволоконный кабель с коннектором, имплантированным в мозг генетически модифицированной мыши, исследователи могут напрямую визуализировать поведенческий результат стимуляции определенных нейронных цепей.

Вы только что посмотрели вступительное видео JoVE по нейрофизиологии и изучению нервной системы. Мы рассмотрели основные исторические вехи, ключевые вопросы, которые ставят нейрофизиологи, и некоторые из используемых ими методов.

Благодарим за просмотр!