4. Physiologie und Methoden

• Immediate early genes (-> in situ Hybridisierung)

• 2-Deoxy-Glucose (-> radioaktiv markiert, Fixierung im Gewebe)

• Thallium-Autometallographie (-> Ka+-Analogon für Na-K-Pumpe)

• an einer Elektrode können verschiedene Zellen registriert werden

• beide Zellen sind dann im Ableitsystem zu sehen

• durch ihre leicht unterschiedliche Form können sie voneinander getrennt werden

-> theoretisch können damit mehrere 100 Zellen simultan abgeleitet werden

Extrazellulär wird das “inverse“ des Aktionspotential abgeleitet

-> für Abbildungen wird es dann meist wieder “umgedreht“ (normale Aktionspotential-Form)

• Messung der Differenz zwischen intra- und extrazellulärer Elektrode

• Vergleich dieses Werts mit dem Sollwert (unten, vom Signalgenerator)

• Bei einer Differenz wird ein Strom in die Zelle geschickt, der die Differenz in Richtung auf Null führt

  -> Messung des dabei fließenden Stroms (eigentlicher Messwert eines voltage-clamp Experiments)

• Verwendung entsprechender Farbstoffe können physiologischen Zustand einer Zelle visualisieren

  -> Fluoreszenzveränderung

• sichtbar machen einer Veränderung von bspw.

  • Calcium-Gehalt/Calcium-Konzentration

  • Membranpotenzial

• zuerst Aufnahme eines klassischen MRI -> hochaufgelöste Anatomie

  -> Messung des Signals, dass Atomkerne beim Übergang von einem angeregten Zustand in den Grundzustand aussenden

• danach Erstellung eines BOLD-image (= Blood oxygenation level dependent)

  -> magnetische Eigenschaften von Hämoglobin sind abhängig von der Oxygenierung -> Darstellung im MRI

  -> Je nach Aktivität unterschiedlicher Oxygenierungen der Gehirnregionen -> unterschiedliche Verhaltensweise im MRI

  -> Subtraktion eines MRI-Bilds des aktivierten Zustandes von einem Ruhezustandsbild -> fMRI

räumliche und zeitliche Auflösung:

• räumliche Auflösung des BOLD-Signals ist im mm-Bereich

  -> durch Überlagerung mit dem Bild des normalen MRI gibt es eine gute Lokalisation der aktivierten Areale -> gut

• zeitliche Auflösung ist nicht sehr gut -> kaum unterhalb von Minuten möglich

• z.B. die Pulsationen durch die Gefäßversorgung

• Möglichkeit:

  • bei in-vitro Techniken wird das Gewebe isoliert und in einer Blutersatzlösung mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt

  • elektrophysiologische Intrazellulärableitung ist sehr viel einfacher, dafür ist keine “normale“ Stimulation mehr möglich

-> Steuern von Neuronen mit Licht

• Algen enthalten ein Licht-sensitives Protein

• Gen dieses Proteins wird in die DNA eines Neurons im Gehirn eingefügt

• eine Beleuchtung der Neuronen mit der richtigen Wellenlänge öffnet den Kanal -> depolarisiert z. B. das transfizierte Neuron mit hoher zeitlicher Präzision

• mit der richtigen Kombination von Neuronen kann eine gesamte Gehirnschaltung zur Steuerung bestimmter Verhaltensweisen aktiviert werden (wie Bewegung)

• Zellen können sowohl depolarisiert als auch hyperpolarisiert werden

• damit können Netzwerke in vitro, aber auch in vivo beliebig manipuliert werden

-> beispielsweise kann in einem Tier die Rolle bestimmter Neurone für ein Verhalten untersucht werden

• Visualisierung des physiologischen Zustands einer Zelle

• Farbstoff wird intra-, extrazellulär oder über Transfektionen zellspezifisch eingebracht

• Fura-2 fluoresziert abhängig von Ca-Konzentration in verschiedenen Wellenlängen

• Das Verhältnis des emittierten Lichts bei zwei Wellenlängen ist ein Maß für die Ca-Konzentration

Vorschlag:

• MEG (Magnetenzephalographie)

• während des Fernsehens wird die Messung durchgeführt ; hohe zeitliche Auflösung

• der Stromfluss in aktiven Nervenzellen erzeugt magnetische Felder

  -> werden durch hochempfindliche Magnetspulen (SQUIDs) gemessen werden

• MEG Signale sind sehr schnell -> können Gehirnaktivität ohne Zeitverzögerung aufzeichnen

Problem: 

• schlechte räumliche Auflösung

  -> Möglichkeit wäre, mit einem MRI (Magnetresonance Imaging) zu kombinieren -> hat hohe räumliche Auflösung

• sehr aufwändig und teuer (Kühlung mit Helium, Abschirmung etc.)

• ein EEG zeigt nur Aktivitäten in Gehirnregionen an

• das EEG misst dabei Dipole im Gehirn durch sehr viele Neuronen an der Kopfhaut

• bestimmte Aktivitäten können nicht die Schuld von jemandem an einer Straftat beweisen

• es kann nicht rückwirkend eine Aktivität zum Zeitpunkt der angeblichen Tat gemessen werden

• die Messung der Helligkeit der Volume-Pixel (voxel) ist nicht vollständig eindeutig -> die Werte streuen

• diese Fehler können (und müssen) über statistische Verfahren korrigiert werden

• es gibt ein hohes Risiko für falsch positive Ergebnisse -> die Korrektur wird oft nicht vorgenommen

• Injektion von radioaktiver 18F-Fluordesoxyglucose injiziert

• sie sammelt sich in stoffwechselaktiven Neuronen an

  -> emittiert Positronen

  -> bei Wechselwirkung mit einem Elektron emittieren sie zwei Photonen in genau gegengesetzte Richtungen

• Photonen werden von Detektoren erkannt -> aus der zeitlichen und räumlichen Verteilung dieser Zufallsereignisse wird auf die Lokalisation des 18F-FDG und damit auf stoffwechselaktive Areale geschlossen

• zeitliche und räumliche Auflösung sind nicht sehr gut

• die Strahlenbelastung ist gering (?)