Az egysejt-vizsgálat az idegtudományok területén használt eljárás, mellyel egyetlen idegsejt elektrofiziológiai reakcióit rögzítik mikroelektródák segítségével. Amikor egy idegsejt akciós potenciált hoz létre, a jel a sejten elektromos áramként halad végig. A sejttest és az axon gerjeszthető membránterületein az elektromos áram ki- és beáramlik. Az agyba helyezett mikroelektródákon keresztül lehetséges rögzíteni az elektromos feszültség időbeli változásait. Ezek az elektródák olyan finom hegyű, magas ellenállású vezetők, melyek többnyire üvegből, platinából vagy volfrámból készülnek. A mikroelektródát nagy körültekintéssel a sejtmembránba (vagy ahhoz közel) helyezik, így lehetőség van extracelluláris (sejten kívüli) és intracelluláris (sejten belüli) méréseket végezni.
Az egysejt-vizsgálatokat gyakran használják a kognitív tudományokban, mivel segítségével információkat lehet szerezni az emberi megismerő folyamatokról és az agykéreg funkcionális szerkezetéről. A rendelkezésre álló információk alapján olyan agy-gép interfészek kifejlesztése válik lehetővé, melyek közvetlenül az agyi jelek alapján vezérlik a különböző eszközöket.
Áttekintés Számos módszer létezik az agyi aktivitás rögzítésére, pl.: elektroenkefalográfia (EEG), magnetoenkefalográfia (MEG), és a funkcionális mágneses rezonanciás képalkotó eljárás (fMRI), azonban ezek közül egyik sem képes idegsejt méretű térbeli felbontásra. A neuronok az alapvető funkcionális egységek az agyban, melyek elektromos jel formájában információt szállítanak sejttestükön keresztül (akciós potenciál). Jelenleg az egysejt-vizsgálatok nyújtják a legpontosabb információt a sejtszintű idegrendszeri folyamatokról. Az egysejt-vizsgálatok célpontja az olyan tüzelő neuron, melynek akciós potenciálja határozottan elkülöníthető egy rögzítő mikroelektróda által.
Az eljárás középpontjában a neuronon keresztülhaladó elektromos áram áll. Ahogy az akciós potenciál végighalad egy sejten, az áram ki- és beáramlik a sejttest és az axon membránfelszínén. Ez az áramlás mérhető feszültséget hoz létre a sejten belül és kívül egyaránt. Emiatt két alapvető formája különíthető el az egysejt-vizsgálatoknak. Az intracelluláris egysejt-vizsgálatok a sejten belül zajlanak, a feszültségváltozást az idő függvényében a sejtmembránon rögzítik az akciós potenciálok jelentkezése során. Ez alapján meghatározhatóak a nyugalmi membrán potenciálok, posztszinaptikus potenciálok és a sejttesten vagy axonon keletkező tüskék. Az extracelluláris vizsgálat esetében a mikroelektródát a sejtfelszínhez közel helyezik el, így a feszültségváltozásokból csak a tüskékre vonatkozó információk nyerhetőek. Különböző fajtájú elektródákat lehet használni az egysejt-vizsgálatokhoz, alapvetően azonban finom hegyű, nagy ellenállású, jó elektromos vezető anyagokat használnak. A finom hegy előnye, hogy könnyebb behatolást tesz lehetővé a sejt komolyabb roncsolása nélkül, azonban jelentősen befolyásolja az elektróda ellenállását. Az elektromos és ionos vezetőképesség miatt polarizálható és nem polarizálható elektródák is használhatóak. Többnyire két fő elektródacsoport használatos: üveg mikropipetták és fém elektródák. Az elektrolittal töltött üveg mikropipettákat főként az intracelluláris vizsgálatokban alkalmazzák, míg a fém elektródákat (rozsdamentes acél, platina, volfrám vagy irídium) mindkét vizsgálati módszerben alkalmazzák.
Az egysejt-vizsgálatok által egyedi módon vált vizsgálhatóvá az agyműködés és az így nyert eredményeket új technológiákban alkalmazzák. A kognitív területen dolgozó kutatók állatok és emberek agyán végzett egysejt-vizsgálatokkal a viselkedés és agyi funkciók kapcsolatát vizsgálják. Az elektródákat epilepsziás betegek agyába helyezve megállapítható az epileptikus góc helye. Legújabban az egysejt-regisztrátumokat agy-gép interfészek kialakítására használják. Az agy-gép interfészek az agyi jeleket rögzítik, melyeket a kívánt cselekvésre dekódolnak, ami ezután egy külső gép irányítására (számítógép kurzor, művégtag) használható. Történet Az egysejt-vizsgálatok lehetőségének előzménye annak felfedezése volt, hogy az idegrendszer elektromos tulajdonságokkal rendelkezik. Azóta az egysejt-vizsgálat az idegrendszer mechanizmusainak és funkcióinak tanulmányozásában alapvető eljárássá vált. Az évek során az egysejt-vizsgálatok segítették az agykéreg topografikus leképeződésének pontosabb megértését is. A mikroelektróda hálózatok kifejlesztésével lehetségessé vált több sejt egyidejű vizsgálata is. 1790-es évek: Az idegrendszer elektromos aktivitásának első megfigyelése Luigi Galvanitól származik, aki felboncolt békákon kísérletezett az 1790-es években. Felfedezte, hogy az elpusztult béka lábát elektromos szikrával rángatózásra lehet késztetni.Piccolino, M. (1997). "Luigi Galvani and animal electricity: two centuries after the foundation of electrophysiology." Trends in Neurosciences 20: 443-448. 1888: Santiago Ramón y Cajal spanyol idegtudós forradalmasította az idegtudományt neuron-elméletével, melyben leírta az idegrendszer szerkezetét, és az alapvető funkcionális egységek – neuronok- jelenlétét. 1906-ban munkájáért orvosi Nobel-díjban részesült.López-Muñoz, F., J. Boya, et al. (2006). "Neuron theory, the cornerstone of neuroscience, on the centenary of the Nobel Prize award to Santiago Ramón y Cajal." Brain Research Bulletin 70(4-6): 391-405. 1928: Edgar Adrian volt az első, aki képes volt elektromos jeleket elvezetni az idegrendszerből. 1928-as ”The Basis of Sensation” című publikációjában leírja, ahogyan elektromos jeleket vezetett el egy idegrostból Lippmann-elektrométer segítségével. 1932-ben Nobel-díjat kapott a neuronok funkciójának felfedezéséért. 1940: Renshaw, Forbes és Morrison macskák hippokampuszában lévő piramissejtekből vezettek el elektromos jeleket üveg mikroelektródák segítségével.Renshaw, B., A. Forbes, et al. (1939). "Activity of Isocortex and Hippocampus: Electrical Studies with Micro-Electrodes." Journal of Neurophysiology 3(1): 74-105. 1950: Woldring és Dirken platina vezetékekkel képesek voltak agykérgi elektromos tüske aktivitást regisztrálni.Woldring S, Dirken MN (1950) Spontaneous unit-activity in the superficial cortical layers. Acta Physiol Pharmacol Neerl 1(3):369-79. 1952: Li és Jasper macskák agykérgén vizsgálta az elektromos aktivitást, a Renshaw, Forbes és Morrison által kidolgozott módszerrel.Li, C.-L. and H. Jasper (1952). "Microelectrode Studies of the Electrical Activity of the Cerebral Cortex in the Cat." Journal of Physiology 121: 117-140. A Hodgkin-Huxley modell felfedezése, óriás tintahal axonján határozták meg az akciós potenciál pontos mechanizmusát.Hodgkin, A. L. and A. F. Huxley (1952). "A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve." The Journal of Physiology 117(4): 500-544. 1953: Irídium mikroelektródákat fejlesztenek ki a mérésekhez.Dowben, R. M. and J. E. Rose (1953). "A Metal-Filled Microelectrode." Science 118(3053): 22-24. 1957: John Eccles intracelluláris egysejt-vizsgálatot alkalmaz a motoneuronok szinaptikus mechanizmusának tanulmányozására. 1963-ban Nobel-díjat kap a kutatásaiért. 1958: Rozsdamentes acél elektródák kifejlesztése.Green, J. D. (1958). "A Simple Microelectrode for recording from the Central Nervous System." Nature 182(4640): 962-962. 1959: David H. Hubel és Torsten Wiesel éber, mozgó macskákon végzett vizsgálatokat volfrám elektródákkal. A vizuális kéreg feltérképezésében elért eredményeikért Nobel-díjban részesültek 1981-ben. 1960: Üveg szigetelésű platina elektródák kifejlesztése.Wolbarsht, M. L., E. F. MacNichol, et al. (1960). "Glass Insulated Platinum Microelectrode." Science 132(3436): 1309-1310. 1967: Marg és Adams mikroelektróda hálózattal egyszerre több neuron aktivitását regisztrálja egy betegen diagnosztikus és terápiás agyműtét során.Marg, E. and J. E. Adams (1967). "Indwelling Multiple Micro-Electrodes in the Brain." Electroencephalography and Clinical Neurophysiology 23: 277-280. 1978: Schmidt és munkatársai majmok agykérgébe ültettek tartósan mikroelektródákat, melyekkel kimutatták, hogy képesek megtanítani az állatokat arra, hogy a neurális tüzelés ütemét szabályozzák. Ez egy lényeges bizonyíték volt arra, hogy az agy-gép interfészek megvalósíthatóak lehetnek.Schmidt, E. M., J. S. McIntosh, et al. (1978). "Fine control of operantly conditioned firing patterns of cortical neurons." Experimental Neurology 61(2): 349-369. 1981: Kruger és Bach 30 elektródából álló hálózatot alkalmaz több idegsejt egyidejű aktivitásának vizsgálatához.Kruger, J. and M. Bach (1981) "Simultaneous recording with 30 microelectrodes in monkey visual cortex." Experimental Brain Research 41:191–4. 1992: A ”Utah Intracortical Electrode Array” (UIEA) kifejlesztése, mely hozzáférést adott a kérgi sejtek oszlopos szerkezetéhez.Jones, K. E., R. B. Huber, et al. (1992) "A glass:silicon composite intracortical electrode array." Annals of Biomedical Engineering 20:423–37.Rousche, P. J. and R. A. Normann (1998). "Chronic recording capability of the Utah Intracortical Electrode Array in cat sensory cortex." Journal of Neuroscience Methods 82: 1-15. 1994: A Michigan Array kifejlesztése, ami egy szilikon alapú többszörös jel elvezetést lehetővé tevő szerkezet. Ezt a technológiát alapul véve, megalakul a NeuroNexus nevű neurotechnológiával foglalkozó magáncég.Hoogerwerf A. C. and K. D. Wise (1994). "A three dimensional microelectrode array for chronic neural recording." IEEE Transactions on Biomedical Engineering 41(12):1136–46. 1998: Áttörés az agy-gép interfészek fejlesztésében. Kennedy és Bakay kifejleszt egy olyan elektródahálózatot, mellyel az amyotrofikus laterális szklerózisban (a szándékos mozgás képességének elvesztése) szenvedők képessé válnak az egérkurzor mozgatására agyi jeleik segítségével.Kennedy, P. R. and R. A. E. Bakay (1998). "Restoration of neural output from a paralyzed patient by a direct brain connection." NeuroReport 9(8): 1707-1711.
Elektrofiziológia Az egysejt-regisztrátum eljárás az idegsejtek elektromos aktivitásának rögzíthetőségén alapszik. Idegsejt potenciálok és elektródák Amikor egy elektróda ionos vizes oldatba kerül a kationok és anionok reakcióba lépnek az elektródával, így létrejön egy elektróda-elektrolit érintkezési felület. A kialakult felszínt Helmholtz-rétegnek nevezik. Az elektródán töltéseloszlás jön létre, ami potenciálváltozást hoz létre, ami egy referenciaelektródával mérhető. A nem polarizálható elektródák visszafordítható reakcióba lépnek (az oldatban lévő ionok felveszik és leadják a töltést). Ez az elektródán elektromos áramot indít el, így a feszültségváltozás mérhető az idő függvényében. Jellemzően a nem polarizálható elektródák üveg mikropipetták, melyeket ionos oldattal vagy fémmel töltenek fel. Egyéb esetben az ideális polarizált elektródák (fém elektródák) nem változtatják meg az ionokat, ezért az ionok és elektronok a fém felszínén az oldat potenciáljának megfelelően polarizálódnak. A töltések elrendeződése következtében elektromos kettős réteg alakul ki az elektróda felszínén, így a fém kondenzátorként funkcionál. A kapacitív reaktanciában bekövetkező időbeli változások mérhetőek, és feszültségváltozássá alakíthatóak egy átvezető áramkör beiktatásával. Ezzel az eljárással a neuronok akciós potenciálja által kiváltott potenciálváltozások mérhetőekké válnak.
Intracellulárisan az elektródák közvetlenül képesek az akciós- nyugalmi és posztszinaptikus potenciálokat rögzíteni. Amikor egy idegsejt tüzel, az elektromos áram ki- és beáramlik a sejttest és az axonok sejtmembránján keresztül, ami elektromos potenciált hoz létre a sejt körül. A neuronhoz közel helyezett elektródák képesek érzékelni az extracelluláris potenciálváltozásokat, melyek tüskeként jelennek meg.
Kísérleti elrendezés