Elektrofyziologické metody a studium chování a paměti

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

EEG - elektroencefalogram

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

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

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

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

Buněčné mechanizmy EEG

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

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

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

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

EEG elektrický dipól Equipotenciální linie

300 ms 100 uv Trvání vlny Trvání Amplituda

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

Buněčné mechanizmy EEG synchronizace a sumace postsynaptických potenciálů PSP1 PSP2 Sumace

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

Intracelulární záznam Postsynaptické potenciály a EEG EEG 0.5 s 200 uv

EEG význam anatomického uspořádání

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.

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

EEG schéma polohy elektrod

ECoG elektrokortikortikografie SEEG - stereoencefalografie

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

Referenční zapojení Referenční A1 Ref

Bipolární zapojení Bipolární A1 A2 A1 A2 A1 A2

Mozkové oscilace Klíčové při zpracování neuronální informace Jeden z hlavních směrů výzkumu mozku elektrická aktivita mozku Hans Berger (1873-1941) alfa oscilace (10 Hz) Berger, Arch Psychiatr Nervenkr 1929

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

výkon Vysokofrekvenční oscilace gamma 30-100 Hz standardní frekvenční pásma ripples 100-250 Hz fast ripples 250-600 Hz ultrafast activity >600 Hz frekvence [Hz]

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

Fyziologické VFO a paměť Diba & Buzsaki Nat Neurosci 2007

Elektrofyziologické techniky

Fyziologická aktivita hipokampu - sharp wave ripples EEG electrode hippocampus

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

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

Fyziologická aktivita hipokampu - sharp wave ripples

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

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

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

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

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

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

Snímání aktivity jednotlivých neuronů

Snímání aktivity jednotlivých neuronů Akční potenciály - jednotky

Snímání aktivity jednotlivých neuronů

Snímání aktivity jednotlivých neuronů u lidí