Elektrofyziologické metody a studium chování a paměti

Transkript

1 Elektrofyziologické metody a studium chování a paměti

2 EEG - elektroencefalogram Skalpové EEG Intrakraniální EEG > 1 cm < 1 cm Lokální potenciály Extracelulární akční potenciály ~ 1 mm ~ 1 um

3 EEG - elektroencefalogram

4 300 ms 100 uv Trvání vlny Trvání Amplituda Perioda/frekvence Trvání události

5 Elektroencefalografie Morfologie, amplituda a trvání EEG vln závisí: Vzdálenosti elektrody od generátoru proudu Trvání postsynaptických potenciálů Počtu synchronně aktivovaných postsynaptických potenciálů Pozici elektrody ve vztahu ke generátoru proudu Anatomické orientaci vrstvy pyramidových buněk generujících proud

6 Apikální dendritický strom Buněčné mechanizmy EEG Hlavní zdroj EEG o Synaptická aktivita na pyramidových buňkách Pyramidové neurony o Hlavní projekční neurony v kůře o Apikální dendrity orientované kolmo k mozkovému povrchu Tělo Pyramidový neuron Synaptická aktivita o Otevření receptorově vázaných iontových kanálů o Vznik extracelulární proudů a elektrického pole vně buněk

7 Apikální dendritický strom Buněčné mechanizmy EEG Hlavní zdroj EEG o Synaptická aktivita na pyramidových buňkách Pyramidové neurony o Hlavní projekční neurony v kůře o Apikální dendrity orientované kolmo k mozkovému povrchu Tělo Pyramidový neuron Synaptická aktivita o Otevření receptorově vázaných iontových kanálů o Vznik extracelulární proudů a elektrického pole vně buněk

8 Apikální dendritický strom Buněčné mechanizmy EEG Hlavní zdroj EEG o Synaptická aktivita na pyramidových buňkách Pyramidové neurony o Hlavní projekční neurony v kůře o Apikální dendrity orientované kolmo k mozkovému povrchu Tělo Pyramidový neuron Synaptická aktivita o Otevření receptorově vázaných iontových kanálů o Vznik extracelulární proudů a elektrického pole vně buněk

9 Buněčné mechanizmy EEG Presynaptický neuron Postsynaptický neuron Postsynaptický neuron Postsynaptický potenciál Presynaptický neuron Akční potenciál

10 Buněčné mechanizmy EEG

11 Buněčné mechanizmy EEG

12 Buněčné mechanizmy EEG

13 Buněčné mechanizmy EEG

14 Buněčné mechanizmy EEG

15 Buněčné mechanizmy EEG

16 Buněčné mechanizmy EEG

17 Buněčné mechanizmy EEG

18 Buněčné mechanizmy EEG

19 Buněčné mechanizmy EEG

20 Polarita EEG Postsynaptické potenciály Povrchové potenciály (EEG) Povrchové + - Excitační + - Inhibiční Hluboké + - Excitační + - Inhibiční

21 Buněčné mechanizmy EEG

22 Apikální dendritický strom Buněčné mechanizmy EEG Synaptická aktivita o vznik extracelulárních proudů Vztah mezi tělem a dendrity o měnící se dipól Tělo Pyramidový neuron Extracelulární proudy o vlnovitá kolísání potenciálu o možnost registrace

23 Apikální dendritický strom Buněčné mechanizmy EEG Synaptická aktivita o vznik extracelulárních proudů Vztah mezi tělem a dendrity o měnící se dipól Pyramidový neuron Extracelulární proudy o vlnovitá kolísání potenciálu o možnost registrace

24 Buněčné mechanizmy EEG Synaptická aktivita o vznik extracelulárních proudů Vztah mezi tělem a dendrity o měnící se dipól Pyramidový neuron Extracelulární proudy o vlnovitá kolísání potenciálu o možnost registrace

25 EEG elektrický dipól Equipotenciální linie

26 EEG elektrický dipól Equipotenciální linie

27 EEG elektrický dipól Equipotenciální linie

28 EEG elektrický dipól Equipotenciální linie

29 EEG elektrický dipól Equipotenciální linie

30 Buněčné mechanizmy EEG

31 EEG elektrický dipól Equipotenciální linie

32 300 ms 100 uv Trvání vlny Trvání Amplituda

33 Elektroencefalografie Morfologie, amplituda a trvání EEG vln závisí: Vzdálenosti elektrody od generátoru proudu Trvání postsynaptických potenciálů Synchronii a počtu aktivovaných postsynaptických potenciálů Anatomické orientaci vrstvy pyramidových buněk generujících proud

34 Elektroencefalografie Morfologie, amplituda a trvání EEG vln závisí: Vzdálenosti elektrody od generátoru proudu Trvání postsynaptických potenciálů Synchronii a počtu aktivovaných postsynaptických potenciálů Anatomické orientaci vrstvy pyramidových buněk generujících proud

35 Buněčné mechanizmy EEG synchronizace a sumace postsynaptických potenciálů PSP1 PSP2 Sumace

36 Elektroencefalografie Morfologie, amplituda a trvání EEG vln závisí: Vzdálenosti elektrody od generátoru proudu Trvání postsynaptických potenciálů Synchronii a počtu aktivovaných postsynaptických potenciálů Anatomické orientaci vrstvy pyramidových buněk generujících proud

37 Buněčné mechanizmy EEG synchronizace a sumace postsynaptických potenciálů PSP1 PSP2 PSP1 PSP2 Sumace Sumace

38 Intracelulární záznam Postsynaptické potenciály a EEG EEG 0.5 s 200 uv

39 Intracelulární záznam Postsynaptické potenciály a EEG EEG 0.5 s 200 uv

40 Elektroencefalografie Morfologie, amplituda a trvání EEG vln závisí: Vzdálenosti elektrody od generátoru proudu Trvání postsynaptických potenciálů Synchronii a počtu aktivovaných postsynaptických potenciálů Anatomické orientaci vrstvy pyramidových buněk generujících proud

41 EEG význam anatomického uspořádání

42 EEG - základní vlastnosti Elektroencefalogram - záznam výchylek potenciálů registrovaných z mozku pomocí elektrod umístěných na skalpu Povrchové EEG odpovídá aktivitě korových neuronů v blízkosti elektrody Hluboké struktury (hipokampus, thalamus, mozkový kmen) svou aktivitou do povrchového EEG přímo nepřispívají, či pouze malou mírou. Hluboké struktury mohou EEG ovlivňovat pouze nepřímo.

43 EEG - registrace Při povrchové registraci o plocha nejméně 2,5 x 2,5 cm Montáže o různá zapojení a o různá poloha povrchových elektrod o zapojení přídavných elektrod

44 EEG schéma polohy elektrod

45 ECoG elektrokortikortikografie SEEG - stereoencefalografie

46 EEG - registrace Referenční zapojení o korová (aktivní) elektroda vůči indiferentní elektrodě Bipolární zapojení o korová (aktivní) elektroda, vůči jiné korové (aktivní) elektrodě

47 Referenční zapojení Referenční A1 Ref

48 Bipolární zapojení Bipolární A1 A2 A1 A2 A1 A2

49 Mozkové oscilace Klíčové při zpracování neuronální informace Jeden z hlavních směrů výzkumu mozku elektrická aktivita mozku Hans Berger ( ) alfa oscilace (10 Hz) Berger, Arch Psychiatr Nervenkr 1929

50 výkon Klasifikace oscilací dle frekvence δ ϑ α β frekvence [Hz]

51 výkon Vysokofrekvenční oscilace gamma Hz standardní frekvenční pásma ripples Hz fast ripples Hz ultrafast activity >600 Hz frekvence [Hz]

52 Oscilace Fyziologické úloha v kognitivních procesech účinný mechanizmus kódování informace Patologické význam v patofyziologii epilepsie mezi záchvaty na počátku záchvatu v průběhu záchvatu

53 Fyziologické VFO a paměť Diba & Buzsaki Nat Neurosci 2007

54 Elektrofyziologické techniky

55 Fyziologická aktivita hipokampu - sharp wave ripples EEG electrode hippocampus

56 Fyziologická aktivita hipokampu - sharp wave ripples Fyziologické ripples registrovány v CA1 oblasti hipokampu Propagace do cílových struktur Buzsaki & Chrobak 2005

57 Elektrofyziologické techniky

58 Fyziologická aktivita hipokampu - sharp wave ripples Ripples jsou charakterizovány střídáním toku proudu z buňky ven, následované tokem proudu do buňky v oblasti těla neuronu Inhibiční postsynaptické potenciály následované excitačními potenciály, či pálením akčních potenciálů Csicsvari et al. 2007

59 Fyziologická aktivita hipokampu - sharp wave ripples

60 Elektrofyziologické techniky

61 Fyziologická aktivita hipokampu - sharp wave ripples Vysoce organizovaná aktivita neuronů, koordinovaná inhibičními interneurony Aktivace velké populace neuronů v průběhu ripples (Buzsaki & Lopes da Silva 2012) Důležité pro vytváření a uchovávání paměťníh stop. Csicsvari et al. 2007

62 Elektrofyziologické techniky

63 Sharp wave ripples buňěčné mechanizmy Lokální zapojení v hipokampu Intracelulární záznam cell 1 cell 2 cell 3 cell 4 cell 5 Aktivita pyramidových neuronů je kontrolována inhibičními neurony IPSP Akční potenciály Ripples (~180 Hz) EEG I 5 ms Ylinen et al. 1995, Dupret et al. 2013

64 Fyziologické VFO a paměť aktivace během behaviorální úlohy čas (s) Diba & Buzsaki Nat Neurosci 2007

65 Nervové buňky Fyziologické VFO a paměť aktivace během behaviorální úlohy reaktivace ve spánku čas (s) čas (s) Diba & Buzsaki Nat Neurosci 2007

66 buňky Fyziologické VFO a paměť Blok fyziologických VFO el. stimulace EEG Girardeau et al. Nat Neurosci, 2009, Ego-Stengel et al. Hippocampus 2010

67 buňky Fyziologické VFO a paměť Blok fyziologických VFO Schopnost učení el. stimulace EEG Girardeau et al. Nat Neurosci, 2009, Ego-Stengel et al. Hippocampus 2010

68 Elektrofyziologické techniky

69 Snímání aktivity jednotlivých neuronů

70 Snímání aktivity jednotlivých neuronů

71 Snímání aktivity jednotlivých neuronů Akční potenciály - jednotky

72 Snímání aktivity jednotlivých neuronů

73

74 Snímání aktivity jednotlivých neuronů u lidí