Elektrophysiologie - Max-Planck-Institut für Kognitions

Methoden der kognitiven
Neurowissenschaften
Elektrophysiologie
Björn Herrmann; Email: bherrmann@cbs.mpg.de; Telefon (bevorzugt): 0341 9940 2606
Einführung
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Elektrophysiologie
„Elektrophysiologie“
Teilgebiet der Physiologie, das sich mit dem Ionenfluss in
biologischem Gewebe befasst und mit den elektrischen
Techniken zur Messung desselben.
• Klassischerweise werden eine oder mehrere Elektroden in
verschiedene Gewebe-Präparationen eingeführt („invasiv“):
• lebendes Gewebe, z.B. ins lebende Gehirn
• entnommenes Gewebe (akut oder als „Kultur“)
• einzelne Zellen des entnommenen Gewebes
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Formen der Aufzeichnung elektrischer Hirnaktivität
EEG – Elektroenzephalographie
ECoG – Elektrokortikographie
Quelle: Humphrey 1990
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Ableitung elektrischer Aktivität
Galvani vs. Volta
Konnten Muskelkontraktionen in
Froschschenkeln auslösen.
Galvani der erste Forscher der die Verbindung
zwischen Elektrizität und Leben herstellte
Volta führte weitere Experimente zum Fluss
von Elektrizität durch
>> Studien zu galvanischen Effekten werden
in der Biologie heute Elektrophysiologie
genannt
Leipzig • 2013-05-03
Luigi Galvani (1737–1798; rechts)
Alessandro Volta (1745 – 1827)
Elektrophysiologie
Ableitung elektrischer Aktivität
Emil Heinrich Du Bois-Reymond (1818–1896)
• Ihm wird die Entdeckung des Aktionspotentials
zugesprochen
• Etablierte die Elektrophysiologie als
Wissenschaft
• Konnte das Aktionspotential jedoch nur
indirekt nachweisen, da seine mechanischen
Messinstrumente zu träge waren
• Du Bois-Reymonds Forschungen führten zum
Elektrokardiogramm, dem
Elektroenzephalogramm und dem
Elektromyogramm.
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Ableitung elektrischer Aktivität
Eccles, Hodgkin, Huxley
• Verhalfen der Ionentheorie der Erregung zum
Durchbruch
• An der Zellmembran abgreifbare Potentiale
entstehen durch unterschiedliche
Ionenverteilungen an beiden Seiten dieser
Membran
Andrew Fielding Huxley
• Nobelpreis 1963
Alan Lloyd Hodgkin
Leipzig • 2013-05-03
John Eccles
Elektrophysiologie
Warum einzelne Zellen ableiten und Wie?
• Nur hier ist es möglich, Aussagen über die Funktionscharakteristika
individueller Zellen zu machen.
• Elektrische Aktivität im Gehirn ist auf Veränderungen inner- und
außerhalb der Zellen zurückzuführen
• Intrazelluläre Ableitungen sind zwar der sicherste Weg von nur einem
Neuron abzuleiten, es besteht allerdings die Gefahr die Zelle zu
beschädigen.
• Dünne Elektroden werden in der Nähe der Zellmembran platziert
(extrazellulär), um elektrische Veränderungen der Zelle zu messen. Die
Elektrode zeichnet in diesem Fall Aktivität mehrere Neurone auf
(Rückrechnung auf Einzelaktivität mit Hilfe geeigneter Software)
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Grundrisse der Zellphysiologie
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Nervenzellen
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Größenverhältnisse
• Durchmesser Zelle: ~50-100 μm
• Durchmesser Axon: 1-3 μm
• Durchmesser menschliches Haar (~50-80 μm):
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Zellmembran
(Konvention: Vout = 0)
• Doppelschichtige Zellmembran aus Fett-Molekülen
(Lipiden):
• „Wasserlösliche Ionen, Proteine und andere
Moleküle, die in der intra- und extrazellulären
Flüssigkeit gelöst sind, können diese Barriere
nicht passieren“
• Austausch zwischen intra- und extrazellulären
Stoffen durch spezifische Strukturen in der
Zellmembran (Ionen-Kanäle und „Pumpen“).
Vout = 0
Vin = –70 mV
Membranpotential
Vm = Vin – Vout
Quelle: Kandel et al. 2000
Leipzig • 2013-05-03
Dendriten Zellkörper Myelin Scheide Axon
Elektrophysiologie
Zellmembran: Ionen
• Ionen sind elektrisch geladene Atome:
• Natrium (Na+)
• Kalium (K+)
• Chlorid (Cl-)
• Organische Anionen (A-)
• Positiv geladene Ionen: Kationen
• Negativ geladene Ionen: Anionen
• Außerhalb der Zelle: Höhere Konzentration von Na+ und Cl• Innerhalb der Zelle: Höhere Konzentration von K+ und A- Ionen
• Man unterscheidet passive Ionenkanäle und aktive Ionenkanäle (Pumpen)
• Ionenkanäle sind in der Regel Ionen-spezifisch
Quelle: Kandel et al. 2000
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Relevanz von Ionenkanälen bei Signalübertragung
• Ionenkanäle haben drei wichtige Eigenschaften:
• Ionen-Weiterleitung
• Erkennung und Selektion von spezifischen Ionen
• Öffnung und Schließung auf spezifische elektrische, mechanische oder
chemische Signale
• Kanäle ermöglichen rapiden Austausch von Ionen durch die Zellmembran
• Dies verursacht rapide Veränderung im Membranpotential  Basis der
elektrischen Aktivität
Quelle: Kandel et al. 2000
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Membranpotential in Ruhe
• Zelle in Ruhe unterhält eine elektrische Potentialdifferenz innerhalb vs.
außerhalb der Zelle
• Diese Differenz in Abhängigkeit von der Zelle zwischen 40–90 mV
• Extrazellular willkürlich als „Null“ definiert  daher Ruhepotential = –65 mV
• Reduktion des Membranpotentials (z.B. von –65 mV zu –55 mV)
• = Depolarisation  erhöhte Wahrscheinlichkeit für ein Aktionspotential
 daher als „erregend“ bezeichnet
• Vergrößerung des Membranpotentials (z.B. von –65 mV zu –75 mV)
• = Hyperpolarisation  verringerte Wahrscheinlichkeit für ein
Aktionspotential  daher als „hemmend“ bezeichnet
Quelle: Kandel et al. 2000
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Ionenwanderung am Beispiel der Gliazelle
• Ionenkanäle nur für K+ durchlässig
• Weil höhere Konzentration an K+ innerhalb der Zelle
• K+ diffundiert nach außen  chemische-bedingte Wanderung
• Dadurch positivere Ladung außerhalb, negativere innerhalb
• Lokale Ansammlung an der Membranoberfläche (+ und – ziehen sich an)
• K+ Ionen nach innen getrieben  elektrisch-bedingte Wanderung
Wenn K+ und K+ ausbalanciert
Equilibrium (EK) = –75 mV
Quelle: Kandel et al. 2000
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Ionenwanderung beim Neuron
• Viele Ionenkanäle für K+
durchlässig
• Weniger Na+
Quelle: Kandel et al. 2000
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Na+–K+ Pumpe (aktiv)
• Moleküle, die Adenosintriphosphat spalten (ATP) und die daraus
gewonnene Energie dazu verwenden, 3 NA+ aus der Zelle heraus und 2
K+ in die Zelle hineinzupumpen.
• Höhere Na+ Konzentration im extrazellulären Raum
• Höhere K+ Konzentration im intrazellulären Raum
• die NA+–K+ Pumpe erreicht ein Gleichgewicht der
Ionenkonzentrationen und –flüsse über die Zellmembran.
K+ Wanderung nach außen und Na+ Wanderung nach innen ausgeglichen
 Ruhepotential (VR) ~ –65 mV
Quelle: Kandel et al. 2000
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Neurone als Signalübertäger
• Morphologisch definierte Regionen:
• Dendriten – Hauptsächlich Signalempfang
• Zellkörper (Soma)
• Axon hillock (oder initial segment) – Initiierung vom
Aktionspotential
• Axon – Hauptsächlich Signalweiterleitung
• Präsynaptisches Terminal
Neurone sind getrennt durch synaptischen Spalt
Hillock – Niedrigste Schwelle, weil hier höchste
Dichte von Na+ sensitiven Kanälen
Quelle: Kandel et al. 2000
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Signalübertragung über vier funktionale Regionen
• Signalübertragung (im Regelfall) ist unidirektional:
• Von den empfangenden Regionen (meist Dendriten oder Zellkörper)
• Zur Trigger-Region am Axon
• Weiterleitung des Aktionspotentials entlang des Axons zum synaptischen
Terminal
Quelle: Kandel et al. 2000
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Aktionspotential (Spike)
• Aktionspotentiale sind vom Ruhepotential ausgehende Änderungen des
Membranpotentials  bis zu positiven Werten um 30 mV
• Nach Auslösung laufen sie mit einem konstanten Zeitverlauf ab
• Bilden sich selbsttätig zum Ruhepotential zurück
• Depolarisation und Repolarisation der Nervenzellen
• Ausgelöst durch Depolarisierung über eine Schwelle  Öffnung von Na+
Kanälen  rapider Einfluss von Na+ , der K+ Ausfluss übersteigt  Steigerung
der Depolarisierung
Quelle: Kandel et al. 2000
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Aktionspotential (Spike)
• Die Amplitude eines AP hängt dabei nicht vom Ausmaß der
Depolarisation ab (Alles-oder-Nichts Prinzip), einmal ausgelöst kann
es nicht mehr aufgehalten werden
• Das AP ist immer gleich stark  die Frequenz/Häufigkeit nimmt zu
bei stärkerem Reiz
• Entscheidend für die Auslösung eines Aktionspotential:
• Inhibitorische und exzitatorische Signale am Axonhügel in ihrer
Gesamtbilanz (EPSP, IPSP)
• AP wird durch die Summe der erregenden Signale ausgelöst
(diese Summe muss grösser sein als die Summe der hemmenden
Signale)
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Vom synaptischen Potential zum Aktionspotential
Quelle: Kandel et al. 2000
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Aktionspotential: Integration
• Integration – Zeitliche Summation:
• Signale, die in rascher Folge an derselben Synapse erzeugt
werden, summieren sich.
• Zwei (oder mehr) rasch aufeinanderfolgende Signale können ein
Aktionspotential auslösen, auch wenn sie einzeln zu schwach
wären, um das Neuron zum feuern zu bringen.
• Integration – Räumliche Summation:
• Zwei gleichzeitige synaptische Potentiale addieren sich
• A = 1, B = 1, A + B = 2  stärkere Depolarisation
• A = -1, B = -1, A + B = -2  stärkere Hyperpolarisation
• A = 1, B = -1, A + B = 0  gegenseitige Auslöschung
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Aktionspotential: Refraktärzeit
• Absolute Refraktärzeit: 1-2 ms nach
Beginn eines Aktionspotentials ist es
nicht möglich ein weiteres
Aktionspotential auszulösen.
• Relative Refraktärzeit: Erregungsschwelle
für die Auslösung eines
Aktionspotentials ist höher als normal
Schwelle
Refraktärzeit hauptsächlich durch
Restinaktivierung von Na+ Kanälen und verstärkte
Öffnung von K+ Kanälen
Quelle: Kandel et al. 2000
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Aktionspotential: Fortleitung
Quelle: Kandel et al. 2000
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Methoden der Elektrophysiologie
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Ableitung der elektrischen Aktivität
Mikroelektroden:
• Glaspipetten-Elektroden
• Metallmikroelektroden: Aus Wolfram (engl. Tungsten), Stahl, Platin.
• Kohlenfaserelektrode: haben keine toxische Wirkung bei
Langzeitableitungen.
• Mehrkanalelektroden: Bündel verschiedener Kapillaren, erlauben
zusätzliche Interventionen wie die Injektion von Transmittern etc.
• Büschelelektroden: Breit gestreutes Bündel von Kapillaren um die
Aktivität vieler Neuronen abzuleiten.
• Unterschiedliche Elektroden messen nicht exakt das gleiche
• Größe der Elektroden hat einen Einfluss auf die Sensitivität der Ableitung,
aber auch der Lokalisationsgenauigkeit
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Formen der Einzelzellableitung
• in vitro (außerhalb lebender Organismen / künstliche Umgebung):
• an Gewebeschnitten (häufig: Hippocampus)
• an vereinzelten Zellen (z.B. das Riesenaxon von Tintenfischen)
• in vivo (im lebendigen Organismus):
• am wachen Versuchstier: Implantate (“chronisch”)
• am anästhetisierten Versuchstier (“akut” oder “chronisch”)
• beim Mensch vor Tumor- oder Epilepsieoperationen
• ex vivo (entnommenes lebendes biologisches Material):
• Lebendes Gewebe wird entnommen und kann eine begrenzte
Zeit kultiviert werden
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Chronisch vs. Akut
Akut:
Elektroden nicht fest implantiert
Vor der Messung wird die
Elektrode wird ins Gewebe
eingeführt
• Kompression des Gewebes
muss beachtet werden
• Chronische Elektrodenimplantierung
• Gut für Aufzeichnungen von sich
bewegenden Tieren
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Intrazelluläre Ableitung
positiver innerhalb
negativer innerhalb
Quelle: Kandel et al. 2000
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Intrazelluläre Ableitung
• Auch „subthreshold“ Aktivität messbar
Quelle: Chorev et al. 2009
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Intrazelluläre Ableitung: Beispiel-Studie
• Schwelle fürs Auslösen eines AP ist dynamisch (visueller Kortex, in vivo)
AP-Zeitpunkt
Elektrische Stimulation
Membranpotential (Vm)
AP-Schwelle
Visuelle Stimulation
Variabilität der AP-Schwelle
AP-Schwelle
Anstieg in Vm innerhalb von 10 ms vor AP
Schwelle am niedrigsten, wenn Vm rapide depolarisiert  neuronale Synchronität
Quelle: Azouz & Gray 2000
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Häufigste Ableitung in vivo – extrazellulär
Quelle: Perrodin / Kayser MPI Tübingen
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Extrazelluläre Ableitung
Mögliches Problem: Selektive
Aufzeichnung bestimmter Zellen
• Große Zellen (größeres
Aktionspotential)
• Sehr aktive Zellen
Abstand von der zu beobachteten Zelle sollte < 50 μm sein, da sich kurze
Aktionspotentiale (0.5-2 ms) über die Zeit nicht aufsummieren, und
deshalb nur lokal beobachtbar sind (im Gegensatz zu LFPs, siehe unten)
Quelle: Lewicki 1998
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Extrazelluläre Ableitung: Beispiel-Studie
• Stimulus-spezifische Adaptation neuronaler Aktivität (primärer auditiver
Kortex; in vivo)  tonotopische Areale
Präsentation von Tönen
(häufig = standard; selten = deviant)
deviant (rot) vs. standard (blau)
Quelle: Ulanovsky et al. 2003
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Patch Clamp
• Als erstes von Neher und Sakmann
1976 beschrieben (Nobelpreis
1991)
• Mikropipetten wird auf der
Zellmembran aufgesetzt und ein
leichter Unterdruck erzeugt
• Position wird so gewählt, dass es
gelingt einen einzelnen
Ionenkanal zu isolieren.
• Verhalten der Zelle kann so über
diesen einen Ionenkanal
gemessen werden.
Quelle: Kandel et al. 2000
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Stereotaxie / stereotaktischer Atlas
Stereotaktische Methode:
• Neurochirurgische Operation, bei der die zu operierende Struktur
nicht operativ freigelegt wird. Der Eingriffsort wird stattdessen mit
geometrischen Methoden berechnet.
• Minimalinvasives Verfahren bei denen der Kopf des Patienten und die
medizinischen Instrumente in einem fest verschraubten Rahmen
fixiert sind, um höchste Genauigkeit zu erreichen.
• Heute: oft Echtzeitbildgebung mittels Computertomographie und
Kernspintomographie, sowie computergestützte
Instrumentenführung.
• Bildgesteuerte, computerassistierte Berechnung der Wege und
Abstände
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Stereotaktische Methode
Quelle: Birbaumer & Schmidt 2003; Perrodin et al. 2011
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Unit-Aktivität
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Single vs. Multi-Unit Aktivität
Single-Unit:
• Ein einzelnes entladendes Neuron, dessen Spike klar isoliert werden
kann
Multi-Unit:
• Die Gesamtheit der Aktivität einer unbekannten Anzahl von Neuronen
in der Nähe der aufzeichnenden Elektrode
Quelle: Humphrey & Schmidt 1990; Supér & Roelfsema, 2005
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Local field potential (LFP)
Local field potential (LFP):
Die vielen tausend synaptischen Inputs zu
einem Neuron kommen nicht zeitgleich an 
Veränderung des Membranpotentials über
mehrere Sekunden.
Extrazellulärer
Ionenfluss
stößt
auf
Widerstand  Spannung
Quelle: Kandel et al. 2000; Zschocke 2002
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Trennung von Unit-Aktivität und LFP
Filterparameter von
Lakatos et al. 2007
Unit-Aktivität
• Hochfrequente Aktivität:
 Band-pass Filter 300–
5000 Hz
Local field potential:
• Niederfrequente
Aktivität: 0.1–300 Hz
Spike-Schwelle
Quelle: Quian Quiroga & Panzeri 2009; z.B. Lakatos et al. 2007
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Dipolstruktur: Quelle und Senke
• Durch Na+ Einfluss an Dendriten
• Negativer an Dendriten
• Positiver am Soma
• Stromfluss von POSITIV (Quelle) zu
NEGATIV (Senke)
= Dipol
Quelle: Birbaumer & Schmidt 2003
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Spike-Sorting
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Spike sorting
• Individuale Spikes werden nicht direkt in
neurophysiologischen Experimenten aufgezeichnet
• Die an einer Elektrode aufgezeichneten extrazellulären
Potentiale repräsentieren die simultane elektrische
Aktivität einer unbekannten Anzahl von Neuronen
• Von diesen Aufzeichnungen muss folgendes identifiziert
werden:
• Spike-Events oder Aktionspotentiale
• Die Anzahl der aufgezeichneten Neurons
• und jeder Spike muss dem Neuron zugeordnet
werden, welches es produzierte
Dreistufiger Prozess „spike sorting“
Quelle: Brown et al., 2004
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Isolierung von Neuronen über Schwelle
Quelle: Quian Quiroga & Panzeri 2009
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Isolierung von Neuronen über Schwelle
Gut isoliertes Neuron
Überlagerung der Aktivität mehrere Neuronen
Schwelle
Schlecht isoliertes Neuron
Schwelle
2
1
Quelle: Lewicki 1998
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Spezielle Elektrodenkonfiguration: Tetroden
• Tetrode: Elektrode mit mehreren
(hier: vier) electrode tips
• Aufgrund der räumlichen Anordnung
der tips zu den umliegenden
Neuronen bildet sich jedes Neuron
leicht anders auf den vier tips ab
• erlaubt u.U. die bessere Trennung von
Neuronen (spike-sorting)
Quelle: Buzsáki 2004
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Modernes Spike Sorting
Quelle: Einevoll et al. 2012
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Darstellungsformen
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Spike-Train
• Membranpotential über die Zeit
Spike  rapider Na+ Einfluss
Depolarisierung
Hyperpolarisierung
Quelle: Wallisch et al. 2009
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Peri-stimulus time histogram (PSTH)
• Raster-Plot: Spikes in jedem Trial über die Zeit
• Peri-stimulus = alle Trials/Zeitepochen werden auf ein bestimmtes
Event/Stimulus zentriert
• Time histogram = Teile die Zeitepoche in eine Serie von bins (kleinere
Zeitabschnitte) und zähle wie viele Spikes in jedes bin fallen
Raster-Plots
PSTH
Quelle: Wallisch et al. 2009
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Frequency response area (FRA)
• Unit-Aktivität von Neuronen in auditorischen Kortizes
Tonfrequenz × Lautstärke
Quelle: Sadagopan & Wang 2010; Wang et al. 2002
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Laminar profiles
Current source density (CSD) maps
Auditorischer Kortex
Tone onset
Quelle: Kajikawa & Schroeder 2011
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
CSD vs. LFP: Räumliche Ausbreitung
CSD  geringere
räumliche Ausbreitung
Quelle: Kajikawa & Schroeder 2011
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Ethik
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Ethik
Bei jedem Tierversuch fordert das Tierschutzgesetz:
Es muss immer die sinnesphysiologisch am niedrigsten
entwickelte Tierart eingesetzt werden, die erlaubt, die
entsprechende Frage zu beantworten …
Quelle: http://hirnforschung.kyb.mpg.de/tiere.html
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Ethik
(ff.) “Rhesusaffen werden deshalb so oft für Versuche genommen, da sie ein
äußerst differenziertes Sozialverhalten aufweisen und viele kognitive
Leistungen erbringen, die denen des Menschen sehr ähnlich sind.
Außerdem besteht aufgrund ihrer jahrelangen Erforschung ein breit
umfassendes Detailwissen über Aufbau und Funktion ihres Gehirns.
Für die Versuche am Max-Planck-Institut werden in der Regel erwachsene
Affen im Alter zwischen 5 und 15 Jahren eingesetzt. Die meisten
Experimente bestehen aus recht komplexen kognitiven Aufgaben. Damit
sie die Aufgaben lösen können, müssen die Tiere bereit sein, konzentriert
mitzuarbeiten. Dies gelingt nur, wenn sie gesund sind und sich in ihrer
Umgebung wohl fühlen.”
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Ethik
• Forschung mit Tieren ist durch die Forschungsinstitution und durch
staatliche Institutionen stark reglementiert.
• Jede Studie muss vorab geprüft und genehmigt werden.
• Auch bei Experimenten mit bspw. Mäusen muss die Verwendung jedes
Tieres vorab gerechtfertigt werden
Wichtiger aber: “Nur Tiere, die richtig gehalten werden, eignen sich für die
Forschung. Die richtige Haltung und Pflege von Versuchstieren ist daher
nicht einfach nur ein Ausdruck einer humanen Einstellung zivilisierter
Leute – sie liegen auch im gesunden Eigeninteresse des Wissenschaftlers.
Die Fürsorge für unsere Tiere schützt auch die Zuverlässigkeit unserer
wissenschaftlichen Daten. Nur sich wohl fühlende Tiere kooperieren in den
Experimenten und erlauben verlässliche Aussagen über den Zusammenhang
von Funktion und Struktur des Gehirns.”
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Zusammenfassung
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Probleme der Einzelableitungen
• Einzelzellableitungen geben wenig Information über die Dynamik in
neuronalen Netzwerken.
• Geringe Anzahl Zellen versus ca. 100 Milliarden Zellen
• Systematische Verzerrung möglich  Aufzeichnung der Aktivität
großer Zellen (stärkeres AP) und von Zellen, die häufig feuern
• Invasive Methode, d.h. am Mensch kaum möglich
• Sehr aufwändige Forschung, speziell in komplexen Organismen (Bei
Affen häufig die Populationsgröße N = 2)  Training sehr aufwändig
• wie verallgemeinerbar / replikabel?
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Nutzen von Einzelableitungen
• Funktionen von Hirnarealen können sehr genau bestimmt und
lokalisiert werden (Tonotopie, Retinotopie etc. )
• Aktionspotentiale messbar, auch „subthreshold“ Aktivität
• Sehr hohe räumliche Trennung von Aktivitätsherden (im Vergleich
zum EEG / MEG bspw.)
• Verschaltung der an Prozessen beteiligten Neurone kann aufgeklärt
werden.
• Zum Beispiel die Bestimmung des Aufbaus von sensorischem und
motorischem Kortex (Homunculus).
• Aufbau des gesamten Cortex
• EEG, MEG, fMRI, TMS sind nicht zu verstehen ohne das einzelne
Neuron
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie
Ende - Elektrophysiologie
Björn Herrmann; Email: bherrmann@cbs.mpg.de; Telefon (bevorzugt): 0341 9940 2606
Leipzig • 2013-05-03
Elektrophysiologie