Elektrofizjologia – czym zajmuję się na doktoracie?

W dzisiejszym wpisie poopowiadam o tym, czym jest elektrofizjologia. Jest to dziedzina, dzięki której m.in. możemy „podejrzeć” aktywność neuronów. Dla mnie jest to szczególnie ważna gałąź fizjologii, gdyż właśnie w jej obszarze robię swój doktorat. Mam nadzieję, że uda mi się przekazać, jak niesamowite jest to pole naukowe.

Zrozumieć elektrofizjologię

Żeby dobrze zrozumieć taką technikę neurobiologiczną, jak elektrofizjologia, należy spojrzeć na nią w sposób jak najprostszy. Komórki, w tym neurony, są aktywne w sposób elektryczny. Przesyłają informacje i komunikują się między sobą poprzez przekazywanie impulsów, a dokładniej, potencjałów elektrycznych. Jako że komórki są częścią żyjącego organizmu, mówi się, że przejawiają aktywność bioelektryczną. I ta właśnie aktywność bioelektryczna jest podstawą, na której opiera się badanie czynności komórek w elektrofizjologii.

W skrócie: neurony są aktywne w jakiś konkretny sposób, przez co przejawiają jakąś konkretną aktywność elektryczną, która to aktywność jest mierzona za pomocą technik elektrofizjologicznych.

Jak można mierzyć aktywność pojedynczego neuronu?!

Okej, skoro już wiemy, czym jest elektrofizjologia, to teraz pora wyjaśnić, w jaki sposób możemy mierzyć aktywność elektryczną komórek organizmu, których ciała są mniejsze niż milimetr!

Zacznę od tego, że przeważająca część badań elektrofizjologicznych jest przeprowadzana na gryzoniach. Przynajmniej w neuronaukach. Ludzkie neurony można badać w bardzo sporadycznych przypadkach: np. po pobraniu fragmentu tkanki podczas neurochirurgicznej operacji mózgu (od razu taką tkankę trzeba umieścić w odpowiednich warunkach, żeby nie obumarła).

Wróćmy jednak do gryzoni. Jak można u nich mierzyć aktywność pojedynczych neuronów? Istnieją trzy najpopularniejsze elektrofizjologiczne modele badawcze: in vitro, in vivo oraz freely-moving (czyli zwierzęta swobodnie poruszające się). W każdym z tych modeli można stosować przeróżne techniki, ale jest to już raczej bardziej zaawansowana terminologia, której dziś wyjaśniać nie będę.

In vitro

In vitro, czyli badania w warunkach poza organizmem. Żeby zmierzyć aktywność neuronów in vitro, należy pobrać ten fragment mózgu szczura, który chcemy zbadać i jak najszybciej umieścić go w sztucznym płynie mózgowo-rdzeniowym. Ma to na celu zwiększenie prawdopodobieństwa, że tkanka nie obumrze. Oczywistym jest to, że operacje wykonuje się na w pełni znieczulonym zwierzęciu.

Potem przez jakiś czas utrzymuje się tkankę w warunkach jak najbardziej zbliżonych do fizjologicznych (odpowiednie stężenie soli, glukozy i ciągłe dostarczanie tlenu), a następnie przechodzi się do dalszych procedur mających na celu zbadanie aktywności bioelektrycznej. Skrawek mózgu umieszcza się w specjalnej komorze, w której leży on na siateczce i jednocześnie jest zanurzony w sztucznym płynie mózgowo-rdzeniowym.

Osobiście na doktoracie pracuję głównie w modelu in vitro, w metodzie extracellular single-unit recording, czyli rejestruję aktywność pojedynczych komórek w płynie zewnątrzkomórkowym. Można to porównać do koncertu orkiestry, kiedy przystawimy mikrofon tylko do jednego muzyka, np. skrzypka. Będziemy w tle słyszeć orkiestrę, ale zdecydowanie najwyraźniej usłyszymy naszego skrzypka. Aktywność neuronów mierzy się tu w ten sposób, że do danego obszaru skrawka mózgu, którego aktywnością jesteśmy zainteresowani, wprowadza się mikroelektrodę, która odbiera pewien sygnał. Sygnał ten jest sczytywany z aktywności neuronu będącego najbliżej końcówki elektrody.

Dodatkowo, przez odpowiednie ustawienie filtrów i wzmacniaczy w tej całej maszynerii, można też rejestrować aktywność polową, czyli już nie tylko jednego neuronu, a wielu, które otaczają elektrodę. Zatem aktywność polowa to już mikrofon równo zbierający dźwięki od wszystkich muzyków w danej orkiestrze. Dzięki temu możemy zobaczyć, czy neurony wyładowują synchronicznie, czy nie.

Jeśli wszyscy muzycy w orkiestrze grają jeden wspólny utwór, to bardzo łatwo jest usłyszeć wiodącą melodię. Tak samo jest z neuronami – jeśli współdziałają w przekazywaniu konkretnej informacji, to będą wyładowywać w sposób synchroniczny. Tak właśnie powstają słynne „rytmy mózgu”, takie jak alfa, beta, theta, delta, czy gamma. O nich pisałam więcej w osobnym poście i tam też użyłam porównania do orkiestry 🙂

Jeśli jednak w orkiestrze panuje chaos i każdy muzyk gra coś innego lub ma miejsce strojenie instrumentów – słyszymy po prostu jazgot, nic konkretnego. Z neuronami sprawa ma się podobnie – nie widzimy żadnego konkretnego sygnału, ani rytmu.

In vivo

Model badawczy in vivo polega na tym, że szczura znieczula się i umieszcza w aparacie stereotaktycznym. Aparat ten ma na celu tak równe ustawienie czaszki szczura we wszystkich płaszczyznach, żeby można było „wycelować” współrzędnymi i wiedzieć, gdzie dokładnie znajduje się dana struktura mózgu. Przykładowo – jeśli chcemy zrobić pomiar aktywności neuronów np. w hipokampie, to istnieją konkretne współrzędne, które mówią nam, ile milimetrów od charakterystycznych punktów na czaszce musimy przesunąć elektrodę w bok, w przód/tył oraz, oczywiście, w dół, czyli wgłąb czaszki – do mózgu, żeby dotrzeć do obszaru, na którym nam zależy. Gdy elektroda jest już umieszczona w danej strukturze, można mierzyć aktywność neuronów ją otaczających (choć nie jest to jedyna metoda).

Freely-moving

Freely-moving rats, czyli swobodnie poruszające się szczury. W ramach anegdoty opowiem, że przez długi czas tłumaczyłam to jako „wolno poruszające się szczury”, ale mój promotor słusznie zauważył, że gdyby były wolne, to byłyby slowly-moving rats 😉 Co ciekawe, na konferencjach wciąż czasem słyszy się tę niepoprawną wersję.

Na czym polegają badania elektrofizjologiczne w tym modelu badawczym? Otóż najczęściej takie szczury mają operacyjnie, w pełnym znieczuleniu, wszczepione tak zwane „headsety” , czyli takie jakby hełmy/czapeczki, których częścią jest właśnie elektroda umieszczona na stałe w pożądanej strukturze mózgu. Potem jest czas rekonwalescencji pooperacyjnej i gdy już zwierzęta dojdą do siebie, to możliwości badawcze są ogromne. Dlaczego? Dlatego że wyniki takich badań są najbardziej zbliżone do procesów przebiegających naturalnie. Wiadomo, że neurony z wyciętego fragmentu szczurzego mózgu będą „zachowywały się” w inny sposób, niż u przytomnego, biegającego szczura.

Takiego swobodnie poruszającego się szczura można poddawać eksperymentom behawioralnym, z jednoczesnym pomiarem aktywności neuronalnej. Można mu też podać różne substancje i sprawdzać ich wpływ na aktywność neuronów, jak i na zachowanie. Jest też mnóstwo innych aspektów, które można zmieniać, regulować, aby stworzyć kolejne doświadczenia, które mają potencjał odkryć coś niezwykłego.

Parę słów na koniec

Dziś wyjaśniłam wstępnie, na czym polega metodologia elektrofizjologii, jednak jest to gałąź niezmiernie rozbudowana. Są przeróżne typy takich doświadczeń, więc pod żadnym pozorem nie uważam tego wpisu za wyczerpujący. Jednak wydaje mi się, że jeśli ktoś nigdy wcześniej o elektrofizjologii nie słyszał, to ten wpis na początek wystarczy 🙂

Warto też wspomnieć, że posługuję się przykładem szczurów, ale nie są one jedynymi zwierzętami w laboratoriach. W elektrofizjologii jednak są one najbardziej popularne, razem z myszami.