Forfattere
Elektrofysiologi er studiet af kroppens elektricitet. Det er også en måde, hvorpå forskere studerer hjerneceller, der kaldes neuroner. In vivo-elektrofysiologi er en teknik, der giver os mulighed for at studere, hvad der sker blandt grupper af neuroner i levende organismer. Den del af udtrykket, der hedder “in vivo”, betyder “i livet”. Måling af elektrisk aktivitet fra levende organismer kan afsløre realtidskommunikation mellem neuroner, hvilket hjælper os med at forstå, hvordan hjernen producerer adfærd. Når vi studerer hjernen og lærer mere om, hvordan den fungerer, kan vi få et bedre indblik i hjernesygdomme og hjerne-relaterede handicap – og forhåbentlig finde nye måder at behandle dem på.
Hjernen består af mange forskellige typer celler, og neuroner er en vigtig type. For at kommunikere med hinanden sender neuroner små kemiske budbringere, kaldet neurotransmittere, fra den ene neuron til den næste (figur 1, trin 1). Når en neuron modtager en neurotransmitter, strømmer positivt eller negativt ladede stoffer, kaldet ioner, ind i den neuron. Hvis der kommer negative ioner ind, stopper signalet. Men hvis der ophobes nok positive ioner i den modtagende neuron, udløser dette en Aktionspotentiale. Et aktionspotentiale er som en elektrisk strømstød, der bevæger sig ned ad neuronet. Når aktionspotentialet når enden af neuronet, får det neurotransmittere til at blive frigivet igen, som bevæger sig til det næste neuron, og cyklussen starter forfra (figur 1, trin 2-4).
Der er omkring 100 milliarder neuroner i hjernen. Neuroner forbinder også kroppens muskler og kirtler og sender signaler fra kroppen til hjernen. På ethvert tidspunkt affyrer mange neuroner aktionspotentialer. Ved at arbejde sammen hjælper neuroner os med at tænke, føle, bevæge os, trække vejret og opleve livets begivenheder.
Der foregår meget i den menneskelige hjerne. Det meste af tiden fungerer hjernen korrekt, men nogle gange kan der opstå problemer. For eksempel, når en person får et anfald, er deres neuroner overaktive, og dette kan medføre, at de mister kontrollen over deres bevægelser. Når vores hjerner har problemer som dette, kan det være meget svært for forskere at finde ud af hvorfor. Derudover kan det være svært at skelne mellem forskellige hjernesygdomme. På grund af disse faktorer kan det virke umuligt at studere hjernen. Hvordan kommer vi forbi denne forhindring? Svaret ligger i en interessant egenskab ved neuroner – deres elektricitet kan måles.
Elektrofysiologi er studiet af elektrisk aktivitet i forskellige dele af kroppen. I hjernen kan elektrofysiologi bruges til at måle neuronernes elektriske kommunikation. Det er lidt som at aflytte neuroner, mens de kommunikerer med hinanden. Ved hjælp af avanceret udstyr kan vi endda registrere neuroner, mens de er i live og fungerer i en persons hjerne. Det betyder, at vi kan få data om hjernen, som vi måske ikke kunne få ved blot at observere dødt hjernevæv eller hjernens blodgennemstrømning. Derudover er elektricitet et centralt aspekt af hjernens funktion, så at spore elektricitet betyder at overvåge hjerneaktiviteten direkte [1].
Mennesker har beskæftiget sig med elektrofysiologi i over et århundrede. I 1780’erne stimulerede en professor ved navn Luigi Galvani elektrisk et dødt frøben [2]. Ved stimulering rykede benmusklerne. Efter eksperimentet begyndte Galvani og andre forskere at stille spørgsmålstegn ved, hvad muskelrykningerne betød for, hvordan muskler, Nerver og elektricitet fungerer hos dyr. Over mange årtier førte dette til forskellige videnskabelige fremskridt, herunder opdagelsen af aktionspotentialet. Denne viden førte også til udviklingen af moderne elektrofysiologiske teknikker.
Disse teknikker kan omfatte stimulering af en kropsdel, som i Galvanis eksperiment, men de omfatter også observation af, hvordan væv og organer fungerer naturligt med elektricitet. Elektrofysiologi er især en af de bedste måder at få værdifuld information om hjernens elektriske aktivitet. Dette omfatter, hvordan lægemidler kan påvirke ioner, der strømmer ind i neuroner, hvordan den elektriske aktivitet i visse hjerneområder påvirker andre hjerneområder, og hvordan hjernens samlede elektriske aktivitet påvirker vores handlinger. I dag findes der grundlæggende tre kategorier af elektrofysiologiske teknikker. Den første er elektrisk overvågning inde i en enkelt neuron. Den anden er elektrisk overvågning uden for neuroner, hvilket kaldes ekstracellulær registrering . Elektrofysiologi. Den del af udtrykket, der hedder “in vivo”, betyder “i livet”.
Under in vivo-elektrofysiologi placeres små metalstykker, kaldet elektroder, i et eller flere hjerneområder. De registrerer elektriske signaler i realtid, og dette kan gøres på dyr som rotter og aber. Da der ikke er smertereceptorer i hjernen, føler dyrene ingen smerte under proceduren. Denne type undersøgelser kræver dog meget træning, specialudstyr og godkendelse fra en dyreforsøgsudvalg, der kaldes Institutional Animal Care and Use Committee. Forsøg ikke dette på dit kæledyr derhjemme! Når neuronerne i dyrets hjerne affyrer aktionspotentialer, opfanger elektroderne elektriciteten fra disse neuroner. Denne elektricitet vises som bølger, der kan ses på en computerskærm.
Bølger observeret fra neuroner i forskellige hjerneområder kan give forskerne information om neural aktivitet. For eksempel er amygdala et hjerneområde, der er forbundet med frygt og aggression. Høje niveauer af elektrisk aktivitet fra dette område kan betyde, at forsøgsdyret er bange. In vivo-elektrofysiologi kan også bruges til at forstå andre følelser, og det giver os endda information om adfærd.
In vivo-elektrofysiologi kan hjælpe forskere med at få detaljerede oplysninger om neural aktivitet, men fordelene stopper ikke der. Når den kombineres med andre teknologier, kan den direkte hjælpe mennesker i nød. Hjerne-computer-grænseflader (BCI’er) er et godt eksempel. BCI’er muliggør direkte kommunikation mellem en hjerne og en computer. De findes i mange former, men nogle bruger elektroder, der opfanger neuronernes elektriske aktivitet på en måde, der ligner den, der er vist i figur 2. Grundprincippet er det samme: Elektroder placeres blandt neuronerne og lytter til deres samtaler. Forskellen er, at BCI’er derefter videresender samtalen til en computer, der udfører en handling, f.eks. oversætter hjerneaktiviteten til tale [3]. Denne type BCI giver mennesker med talehandicap en anden måde at kommunikere på.
At observere neuroner kan være meget nyttigt for at studere hjernen, og at observere neural kommunikation er endnu mere nyttigt. Neuroner er jo i sig selv ret seje, men det er deres gruppekommunikation, der gør det muligt for din hjerne at fortolke de ord, du læser i denne artikel, for eksempel. In vivo-elektrofysiologi er en fantastisk måde at analysere kommunikationen mellem en gruppe neuroner på, fordi den kan give realtidsdata om neuroner i flere hjerneområder, hvilket hjælper forskere med at forstå, hvordan disse områder kommunikerer, og hvad det betyder. Som det ses i figur 3, kan dette værktøj endda modificeres, så det direkte påvirker livet for mennesker med handicap.
Selvom in vivo-elektrofysiologi har mange fordele, er den ikke perfekt. Udstyret kan være dyrt og besværligt. Det kan være svært at forstå de data, der udvindes fra procedurerne. Selvom det er meget nyttigt, er det nogle gange bedst at bruge in vivo-elektrofysiologi i kombination med andre teknikker eller slet ikke bruge det. Medlemmerne af mit laboratorium bruger in vivo-elektrofysiologi til at analysere den neurale aktivitet, der er involveret i den afhængighedsskabende adfærd, der er forbundet med stofmisbrug. Mennesker over hele verden, der studerer hjernen, såsom neurovidenskabsfolk, bruger teknikken til at fremme mange andre typer hjerneforskning [4]. Nu hvor du kender det grundlæggende i, hvordan det fungerer, kan du måske en dag være med til at bruge denne teknik til at studere hjernens vidundere!
Neuroner: En hjernecelle, der bruger neurotransmittere og elektricitet til at kommunikere med andre hjerneceller og kroppen.
Neurotransmittere: Små kemiske budbringere, som neuroner sender til hinanden for at kommunikere.
Handlingspotentiale: En strømstød, der bevæger sig ned ad en neuron og gør det muligt for den at kommunikere med andre neuroner.
Elektrofysiologi: Studiet af kroppens elektriske aktivitet.
Nerver: Bundter af lange neuronforlængelser. Nerver forgrener sig fra hjernen og rygmarven og udgør nervesystemet.
Ekstracellulær registrering: En teknik inden for elektrofysiologi, hvor man overvåger elektriciteten uden for neuronerne.
In vivo: Et udtryk, der bruges til at beskrive eksperimenter udført på levende væsener.
Hjerne-computer-grænseflader: En teknologi, der gør det muligt for hjernen og en computer at sende signaler til hinanden. Nogle BCI’er fungerer uden for kroppen, mens andre involverer enheder, der placeres inde i kroppen.
[1] Carter, M., Essner, R., Goldstein, N., og Iyer, M. 2022. Guide to Research Techniques in Neuroscience. Amsterdam: Elsevier Science, 394. doi: 10.1016/C2018-0-04205-x
[2] Catacuzzeno, L., Franciolini, F., og Michelucci, A. 2024. Den lange rejse fra dyrs elektricitet til opdagelsen af ionkanaler og modellering af den menneskelige hjerne. Biomolecules 14:684. doi: 10.3390/biom14060684
[3] Willett, F. R., Kunz, L. E., Fan, J. M., Glenn, G., Memberg, W. D., An, H., et al. 2023. En højtydende tale-neuroprotese. Nature 620:1031–6. doi: 10.1038/s41586-023-06377-x
[4] Cavanagh, J. F. 2018. Elektrofysiologi som teoretisk og metodologisk knudepunkt for neurovidenskaben. Psykofysiologi 56:e13314. doi: 10.1111/psyp.13314
https://kids.frontiersin.org/articles/10.3389/frym.2025.1588454#KC1
Kan legetøjshjerter fungere lige så godt som et rigtigt hjerte? For at finde ud af det købte vi seks legetøjshjerter, lige fra et uhyggeligt Halloween-hjerte, der slog, til et farverigt plys-hjerte. Vores gæt var, at legetøjshjerter ikke ville fungere lige så godt som et rigtigt menneskehjerte! Vi testede legetøjet i vores laboratorium ved hjælp af nøjagtig de samme værktøjer og metoder, som vi bruger til at teste rigtige hjerter og mekaniske blodpumper. Vi kiggede på flow, tryk, volumen og hvor godt legetøjshjertet pumpede vand. Vi bad også tre hjertekirurger om at bedømme hvert legetøjshjerte ud fra, hvor virkelige de så ud, og hvilke egenskaber de kunne lide. Som forventet var legetøjshjerterne ikke realistiske og kunne ikke pumpe lige så godt som et rigtigt hjerte. Denne artikel kombinerer menneskers sundhed og ingeniørarbejde i et sjovt og fjollet videnskabeligt spørgsmål. Vi håber, at læserne vil finde den lærerig og underholdende!
…
Har du nogensinde undret dig over, hvordan forskere ved, hvad der sker inde i kroppen under en skade? Skader opstår, når et tryk eller træk (kraft) på kroppen bliver for stort, f.eks. ved et pludseligt stød. Men forskere kan ikke se disse kræfter, så vi bruger computermodeller til at løse dette mysterium. Vi indtaster oplysninger i computermodellerne, såsom personens størrelse, alder og aktivitet før skaden, samt detaljer om skaden. Hvis vi kan finde ud af, hvor stor en kraft der forårsagede skaden, kan det hjælpe ingeniører med at designe udstyr, der beskytter kroppen. Vi bruger forskellige typer computermodeller til at forstå forskellige skader. Stive kropsmodeller hjælper os med at studere hele kroppens bevægelser, såsom fald eller bilulykker. Muskuloskeletale modeller simulerer aktiviteter som at gå eller løfte. Finite-element-modeller ser på en enkelt kropsdel, såsom et knæledbånd i en glidende tackling. Vi har brug for at vide meget om, hvordan hver kropsdel opfører sig, og omdanne disse adfærdsmønstre til matematik, som computeren kan løse.
… Elektrofysiologi er studiet af kroppens elektricitet. Det er også en måde, hvorpå forskere studerer hjerneceller, der kaldes neuroner. In vivo-elektrofysiologi er en teknik, der giver os mulighed for at studere, hvad der sker blandt grupper af neuroner i levende organismer. Den del af udtrykket, der hedder “in vivo”, betyder “i livet”. Måling af elektrisk aktivitet fra levende organismer kan afsløre realtidskommunikation mellem neuroner, hvilket hjælper os med at forstå, hvordan hjernen producerer adfærd. Når vi studerer hjernen og lærer mere om, hvordan den fungerer, kan vi få et bedre indblik i hjernesygdomme og hjerne-relaterede handicap – og forhåbentlig finde nye måder at behandle dem på.
…
Hvad er bevidsthed, og hvordan kan vi vide, hvem – eller hvad – der har det? Bevidsthed er evnen til at have oplevelser, såsom at se, føle, tænke eller vide, at man eksisterer. Forskere mener, at det afhænger af hjernen, men de forstår stadig ikke fuldt ud, hvordan det fungerer. Det er svært at studere bevidsthed på , fordi det er personligt og ikke kan måles direkte. Forskere bruger værktøjer som hjerneafbildning, virtual reality og computermodeller samt filosofi til at undersøge, hvornår og hvordan bevidsthed opstår hos mennesker og dyr – og om maskiner nogensinde også kan få det. At forstå bevidsthed kan hjælpe læger med at behandle hjerneskader og psykiske sygdomme, forbedre den måde, vi passer på dyr, og forberede os på fremtidige teknologier. Det rejser også store spørgsmål om retfærdighed, fri vilje og livets og sindets natur. Efterhånden som videnskaben kommer tættere på at løse dette mysterium, kan svarene ændre den måde, vi ser os selv og vores plads i verden på.
…