1.1: Введение в нейрофизиологию

Область нейрофизиологии дает представление о том, как работает нервная система и как ее дисфункция может привести к заболеванию. Физиология изучает, как функционируют организмы и их части. Нейрофизиологию можно определить как науку о функционировании нервной системы, которая включает в себя головной мозг, спинной мозг, периферические нервы и органы чувств.

Нейрофизиологи рассматривают нервную систему на нескольких уровнях организации, которые включают в себя функциональные системы, цепи, отдельные нейроны и нейронные компартменты.

В этом видео представлена краткая история нейрофизиологии, представлены ключевые вопросы, заданные нейрофизиологами, описаны некоторые известные методы и, наконец, обсуждаются приложения в этой области.

Давайте начнем с обзора некоторых знаковых исследований в истории нейрофизиологии.

Свойства нервной системы очаровывают человечество по крайней мере с 1600 года до нашей эры, когда египтяне составили древнейший сохранившийся текст, в котором упоминается мозг.

В 1771 году Луиджи Гальвани продемонстрировал, что электрический удар может заставить мышцу мертвой лягушки дернуться. Он утверждал, что этот эффект был вызван «животным электричеством».

Только в 1840-х годах Эмиль Дюбуа-Реймон смог доказать, что животное электричество на самом деле является нервным импульсом или «потенциалом действия».

В 1924 году Ганс Бергер зафиксировал электрическую природу глобальной активности мозга человека с помощью электроэнцефалографии или ЭЭГ, метода, который до сих пор широко используется современными нейрофизиологами.

Позже, в 1939 году, Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли определили, что мембраны нейронных клеток позволяют заряженным частицам входить и выходить предсказуемым образом в гигантском аксоне кальмара.

В 1951 году сэр Джон Эклз выяснил один важнейший способ, с помощью которого информация передается от одного нейрона к другому. Он описал химический синапс, в котором электрический сигнал от одного нейрона преобразуется в химический сигнал, который принимается вторым нейроном.

Затем, в 1976 году, Эрвин Неер и Берт Сакман разработали технику патч-зажима, которая позволила изучить мембраны возбудимых клеток в мельчайших подробностях.

Совсем недавно, в 2005 году, Карл Диссерот, Эд Бойден и Фэн Чжан разработали революционную стратегию, называемую оптогенетикой, для управления электрическими свойствами нейронов путем их генной инженерии для экспрессии светочувствительных каналов, принадлежащих к семейству белков, называемых «опсинами». Активируя эти каналы с помощью направленного света, определенные нейроны могут быть возбуждены или подавлены с точностью, которая ранее была невозможна, что позволяет детально манипулировать нейронными цепями.

Теперь, когда мы рассмотрели исторические события, давайте рассмотрим некоторые из фундаментальных вопросов, которые сегодня задают нейрофизиологи.

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

Например, они могут изучить, как специфические рецепторы на дендритах участвуют в постсинаптическом ответе, который может привести к потенциалу действия. Они также могут исследовать связь возбуждения и секреции в синапсе, что означает, что их интересует, как возбуждение нейронов и пресинаптические механизмы влияют на высвобождение нейротрансмиттеров.

Другие нейрофизиологи задаются вопросом, как нейроны обрабатывают информацию, полученную в их дендритных беседках. Они могут использовать несколько методов для одновременного исследования аксонов, дендритов и дендритных шипиков одного нейрона.

Другие нейрофизиологи изучают, как нейронные цепи обрабатывают информацию. Цепи обычно изучаются в контексте простого поведения или реакции на стимул, которые, как считается, они контролируют.

Некоторые нейрофизиологи изучают паттерны активности в больших областях нервной системы. Они могут спросить, как активность мозга, показанная желтым и красным цветом, перемещается между областями мозга в зависимости от того, что делает испытуемый.

Как видите, нейрофизиолог может решать целый ряд научных вопросов, начиная с отдельных молекул в нейронах и заканчивая широко распространенной активностью в мозге.

Теперь, когда вы получили представление о некоторых ключевых вопросах, которые задают нейрофизиологи, давайте рассмотрим некоторые из основных методов, используемых для ответа на них.

Зажим пластыря является одним из наиболее широко используемых методов исследования нейронов на клеточном и молекулярном уровне. С помощью небольшого отсасывания, тонкий стеклянный капиллярный электрод запечатывается на нейроне, что позволяет осуществлять внутренний мониторинг возбудимости всей клетки. Существуют также конфигурации с патч-зажимами, при которых небольшой участок мембраны вырезается из клетки, тем самым обеспечивая доступ к цитоплазматической стороне плазматической мембраны для фармакологических манипуляций.

Визуализация кальция может быть использована для исследования возбуждения по всему нейрону. Нейроны загружены красителем, который изменяет свою флуоресценцию в ответ на повышенную концентрацию кальция в клетке. В то время как внутриклеточный кальций выполняет множество функций, визуализация кальция может быть использована в качестве косвенной меры потенциалов действия, как показано на этом примере нейрона.

Методы, используемые для изучения нейронных цепей, должны иметь возможность контролировать множество нейронов одновременно. Использование многоэлектродных матриц с большим количеством контактов является одним из методов, используемых для одновременной записи с нескольких нейронов.

Нейронные схемы также могут быть исследованы с помощью оптогенетики, в которой нейроны модифицируются для экспрессии светочувствительных ионных каналов. При воздействии света эти каналы открываются и, в зависимости от их ионной избирательности, могут либо подавлять, либо возбуждать нейрон, что дает представление о том, какую роль этот нейрон играет в конкретной цепи и какую поведенческую реакцию она регулирует.

Для визуализации закономерностей активности в более широком масштабе используются самые разные методики. Электроэнцефалография или ЭЭГ использует электроды на черепе для мониторинга электрической активности по всему мозгу.

Вторым методом является электрокортикография или ЭКоГ, которая также контролирует электрическую активность, за исключением того, что электроды размещаются на поверхности мозга. Этот метод обычно выполняется в сочетании с клиническими процедурами, такими как те, которые выполняются у пациентов с эпилепсией. В качестве альтернативы, метод, известный как функциональная спектроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне, использует инфракрасный свет для мониторинга использования кислорода в качестве коррелята нейронной активности, которую можно отслеживать во время поведенческих задач.

Теперь, когда вы знакомы с некоторыми распространенными исследовательскими подходами, давайте рассмотрим некоторые приложения нейрофизиологических исследований.

Одной из основных целей этой области является выяснение причины и лечение дисфункции нервной системы, например, при эпилепсии. Один из подходов заключается в имплантации электродов для электрокортикографических записей активности мозга пациента с целью локализации дисфункциональных областей мозга, вызывающих судороги.

Захватывающим новым приложением для нейрофизиологии является разработка интерфейсов мозг-машина. В этих интерфейсах активность мозга отслеживается, пока субъект думает о выполнении задачи, например, о перемещении курсора по экрану. Действие подается в компьютер в качестве командного сигнала для курсора. По сути, это управление устройством с помощью мысли.

Еще одним применением нейрофизиологии является исследование нейронных схем с помощью оптогенетики. Собрав оптоволоконный шнур, который соединяется с соединителем, имплантированным в мозг генетически модифицированной мыши, эти исследователи могут непосредственно визуализировать поведенческий результат стимуляции определенных нейронных цепей.

Вы только что посмотрели введение JoVE в нейрофизиологию и ее изучение нервной системы. Мы рассмотрели исторические события, ключевые вопросы, которые задают нейрофизиологи, и некоторые методы, которые они используют.

Спасибо за просмотр!