神经生理学导论

Neuroscience

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Summary

神经生理学被广泛定义为研究神经系统功能的学科。在该领域中,科研人员在整个器官,细胞网络,单个细胞甚至亚细胞结构水平上研究中枢和周边神经系统。这种广泛学科的统一特征是其关注的是神经元内部以及之间电脉冲产生和传播的机理。该学科不仅对我们了解人类进行思考的神秘过程很重要,而且对于诊断和治疗与神经系统障碍相关的疾病也很重要。

本短片将对神经生理学领域作一个介绍,先简单介绍神经生理学的研究历史,包括一些标志性的研究,例如伽伐尼现象中抽搐的青蛙腿和艾尔克斯发现的化学突触。然后是介绍神经生理学家所提出的一些核心问题,接下来会概述用于回答这些问题用到的一些重要的实验工具。展示的方法包括从研究单细胞的膜片钳技术到测量横跨脑部大区域的活动的技术,如脑电图 EEG。最后将讨论神经生理学研究的应用,例如用思想来控制仪器的脑机接口的发展。

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JoVE Science Education Database. 神经科学的基本知识. 神经生理学导论. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

神经生理学领域让我们能深入了解神经系统是怎样运行以及当它功能异常时是怎样导致疾病的。生理学是对生物体及其器官如何行使功能进行研究。神经生理学可以定义为对包括大脑、脊髓、外周神经和感觉器官在内的神经系统的功能的研究。

神经生理学家在不同的组织水平研究神经系统,这包括功能系统、神经回路、单个神经元和神经元结构。

本短片展示了神经生理学的简史,介绍了神经生理学家提出的核心问题,描述了一些卓越的方法。最后讨论了该领域的应用。

首先让我们来回顾神经生理学历史上一些标志性的研究。

至少在公元前1600年,神经系统的特性就引起了人类的兴趣,埃及人当时写下了现存最古老的关于大脑的文字。

到了近代,在1771年,Luigi Galvani发现电击能够使死亡青蛙的肌肉抽搐。他声称这种效果是由于“动物电”的缘故。

直到1840年,Emil Du Bois-Reymond才证明这种动物电实际上是神经脉冲,或称“动作电位”。

进入到1924年,Hans Berger使用脑电图或EEG记录到了人全脑活动的电属性。这种技术直到今天依然被神经生理学家广泛使用。

后来,在1939年,Alan Hodgkin和Andrew Huxley在枪乌贼巨大轴突上发现神经细胞的细胞膜可以允许带电粒子以可预见的方式流入和流出。

在1951年,John Eccles爵士发现了信息从一个神经元传递到另一个神经元的重要途径。他描述了化学突触,在该部位来自一个神经元的电信号被转变为化学信号,而后被另一个神经元接受。

然后在1976年,Erwin Neher和Bert Sakmann开发了膜片钳技术,它使得可以精确细致地研究可兴奋细胞的细胞膜。

最近,在2005年,Karl Diesseroth, Ed Boyden和Feng Zhang发明了一种叫做光电遗传学的革新性策略来控制神经元的电属性, 该方法通过遗传工程让神经元细胞表达一类属于“视蛋白”家族的光敏感通道蛋白。利用目标光源来激活这些通道,从而能前所未有地精确激活或者抑制特定的神经元,进而实现对神经回路的精细调控。

我们刚回顾了历史要件,现在让我们来看一下今天的神经生理学家们所提出的主要问题。

首先,有些研究人员侧重研究单个神经元细胞在细胞水平和分子水平上是如何被调控的。

例如,他们可能研究树突上的特异性受体蛋白如何促成突触后反应,这种反应可能导致一个动作电位。他们也可会探讨突触的兴奋-分泌偶联,这意味着他们对神经元的兴奋和突触前机制如何影响神经递质的释放感兴趣。

有些神经生理学家想知道神经元如何处理它们在树突部接受到的信息。他们会用多种技术来同时研究单个神经元的轴突、树突和树突棘。

还有一些神经生理学家会研究神经回路如何处理信息。研究神经回路通常是在研究人员认为能控制的一个简单的行为或刺激反应范畴下进行的。

有些神经生理学家会在神经系统的大区域范围观察活动的格局。他们会想知道脑部活动,用黄色和红色显示,如何根据所做的活动不同来在大脑区域之间移动。

如您所见,神经生理学家可以解决从神经元中的单个分子到大脑中的整个活动这样一系列的科学问题。

现在您已经对神经生理学家想知道的核心问题有了初步印象,那让我们来看看在回答这些问题时用到的一些重要方法。

膜片钳是最广泛的用于在细胞和分子水平研究神经元的技术之一。只用很小的吸力,将一个细的玻璃毛细管电极封接到神经元上,从而能内部监控全细胞的兴奋性。还有的膜片钳将一小片膜从细胞上切除,从而使质膜的胞质面暴露受到药物的处理。

钙成像可用于研究整个神经元的兴奋。神经元被一种染料标记,该染料能随细胞内钙离子浓度的升高而改变其荧光。细胞内的钙具有许多功能,如这个例子里的神经元,钙成像可以用来间接测量动作电位。

用于研究神经回路的技术需要能够同时监测多个神经元。有许多接触的多电极阵列是用来同时记录多个神经元的一个方法。

也可以使用光遗传学来研究神经回路,其中神经元被修饰以表达光敏感的离子通道。当暴露于光源时,这些通道开放,并根据它们的离子选择性,它们可以抑制或激发神经元,这使得能深入了解神经元在某特定回路中的作用以及该回路所控制的行为反应。

要想观察到更大范围的活动模式,需要采用多种技术。脑电图或EEG使用颅骨电极来监控整个大脑的电活动。

第二种方法是脑皮层电图或ECoG,它也监测脑电活动,只不过是将电极放置在脑的表面。这种方法通常与临床操作相结合,

例如对癫痫患者进行的临床操作。另外,一种被称为功能性近红外光谱技术采用红外线监控氧气的使用以作为神经活动的相关指标,这样可监测执行行为任务时的神经活动。

现在您已经熟悉一些常用的研究方法,让我们来看看神经生理学研究的一些应用。

这一领域的主要目标之一是要弄清楚神经系统功能紊乱,如癫痫,的病因及治疗。一种方法是植入用于记录患者大脑活动的脑皮层电图记录电极以定位癫痫发作引起的大脑不正常的区域。

神经生理学一个令人兴奋的新应用是脑 - 机接口的开发。在这些接口中,当研究目标在想完成一个任务,如想在屏幕上移动光标时,其大脑活动受到了监测。这些大脑活动被输入到计算机中作为光标的命令信号。在本质上,这是使用思想来进行设备控制。

神经生理学的另一个应用是使用光遗传学来研究神经回路。通过组装植入到基因工程小鼠的大脑中的光纤线,研究人员可以直接观测刺激特定的神经回路引起的行为结果。

您刚观看的是JoVE对神经生理学和神经系统研究的介绍。我们回顾了历史要件,神经生理学家所提出的核心问题以及一些他们所使用的技术。

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