Analyse von Gehirnaktivität II:Lernabhängige Plastizität in Bienenneuronen.
Die Analyse intrazellulär abgeleiteter Signale von Neuronen des Bienengehirns
dr. bernd grünewald
www.ionenkanal.de
Verschiedene Neuronen im Gehirn bilden unterschiedliche Aktionspotentialmuster
Fragen der Neurophysiologen:
Wie beschreiben wir die Spikeaktivität einzelner Neurone quantitativ?
Welche Parameter lassen sich extrahieren?
Wie vergleichen wir die Reaktionen verschiedener Neurone auf einen gegebenen Reiz?
Wie vergleichen wir die Antworten eines Neurons auf verschiedene Reize oder Reizwiederholungen?
S
abin
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Morphologie des PE1 Neurons
Brandt, Rybak, Menzel, 2002
Morphologie des PE1 Neurons
Brandt, Rybak, Menzel, 2002
Morphologie des PE1 Neurons
Mauelshagen (1993) J Neurophysiol 69:609
o.k.
aber wie funktioniert die intrazelluläre Ableitung von Aktionspotentialen?
Intrazelluläre Ableitungen aus dem Bienengehirn
intrazelluläre Ableitung mit anschließender Färbung des Neurons
Grünewald, 1999
komplexe Reaktion eines Neurons auf einen Duftstimulus
Duftantwort des PE1 Neurons
Mauelshagen (1991) Dissertation, FU-Berlin
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4
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0
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stim
mul
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sing
nal
1
4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 6.0 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7s
Sp
an
nu
ng
(m
V*1
0)
Zeit (s)
Spannungssignal aus dem Verstärker
Beginn, Dauer und Ende des Reizes
"Event-Kanal" = Aktionspotentiale
Mauelshagen (1991) Dissertation, FU-Berlin
Reaktionen des PE1 Neurons auf Duftstimuli
4 Ableitungen vom PE1 Neuron an 4 Bienen
Duftreiz = Gewürznelke
Auswertung von elektrophysiologischen Signalen
Signalverstärkung
Filter
Digitalisieren
Validierung
primäre Datenanalyse
sekundäre Datenanalyse
Auswertung von elektrophysiologischen Signalen
1. Digitalisierung der analogen Spannungssignale
Filterfrequenz:z.B. 1 kHz Tiefpassfilter ("entfernt" hohe Frequenzen)
(lässt alle Frequenzen unterhalb 1 kHz durch)z.B. 100 Hz Hochpassfilter ("entfernt" tiefe Frequenzen)
(lässt alle Frequenzen oberhalb 100 Hz durch)z.B. Bandpassfilter (Kombination aus Tiefpass und Hochpass)
Samplefrequenz (z.B. 2 kHz = 1 sample/500µs)
Genauigkeit der Frequenzdarstellung vs. Speicherkapazität
Berücksichtigung des Nyquist Theorems
Nyquist Theorem
Samplefrequenz muss mindestens 2x maximale Signalfrequenz sein!
fnyq = 2fmax
fmax - höchste Frequenzkomponente des Signals,fnyq – minimale Samplingfrequenz, um Signal
ohne Verzerrung (aliasing) abzubilden
Auswertung von elektrophysiologischen Signalen
2. Validierung der Daten und Abschätzung der Ableitqualität
Stabilität des MembranpotentialsKonstante Hintergrundfrequenz?Geringe Schwankungen der Aktionspotentialamplitude?Signal-Rauschverhältnis konstant?
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1.50
1.25
1.00
0.75
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0.25
0.00
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Vo
lts
mu
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1
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18s
Sp
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ng
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V*1
0)
Zeit (s)
Auswertung von elektrophysiologischen Signalen
3. primäre Datenanalyse - 1. Datenreduktion: einzelne Ableitung (z.B. eine Duftantwort des PE1 Neurons):
Aktionspotentiale:Dauer, Amplitude, Frequenzen (spontan, Reaktion), Adaptation,
Membranpotential:EPSPs, Depolarisationen, Plateaupotentiale
4. sekundäre Datenanalyse – 2. Datenreduktion: Vergleich mehrerer Ableitungen (lernabhängige Veränderungen der Duftantworten:
Variabilität der Antwort (Wiederholung eines Reizes während einer Ableitung)Individuelle Unterschiede der TiereVeränderungen der Aktionspotentialsmusters (Lernen)Statistik
Duftantwort des PE1 Neurons
Mauelshagen (1991) Dissertation, FU-Berlin
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sing
nal
1
4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 6.0 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7s
Membranpotential
Spikeamplitude, -Spikedauer
Spikefrequenz
Antwortlatenz
spontane Spikefrequenz
Reaktionsdauer
Analyse der Duftantworten des PE1 Neurons
Mauelshagen (1991) Dissertation, FU-Berlin
bin size: 100ms
200
100
0
Hz
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led
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5
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untit
led
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Vol
tsun
title
d
2
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-0.2
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Vol
tsun
titel
d
1
4.4 4.6 4.8 5.0 5.2 5.4 5.6 5.8 6.0 6.2 6.4 6.6 6.8 7.0 7.2 7.4 7.6 7.8s
Peristimulus Zeithistogramme (PSTH)
kumulative Spikefrequenzen (1/t)
Peristimulus Zeithistogramme (PSTH)
Mauelshagen (1991) Dissertation, FU-Berlin
2.00
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Ras
ter
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0
Cou
ntM
11
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2 5.4 5.6 5.8 6.0 6.2 6.4 6.6 6.8 7.0secondsTime
2.0
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0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2 5.4 5.6 5.8 6.0 6.2 6.4 6.6 6.8secondsTime
2.00
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0.30
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bin size: 10ms bin size: 500ms
bin size: 100ms
35/500ms = 70Hz
3/10ms = 300Hz
10/100ms = 100Hz
Duftantwort des PE1 Neurons – DC Komponente
Mauelshagen (1991) Dissertation, FU-Berlin
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4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 6.0 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7s
relatives DC-Potential: Abweichung des Membranpotentials vom Ruhepotential
Sp
an
nu
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V*1
0)
Zeit (s)
Duftantwort des PE1 Neurons – DC Potential und Aktionspotential
Mauelshagen (1991) Dissertation, FU-Berlin
je höher DC-Potential, desto geringer Spikeintegral
Das DC-Potential entspricht in etwa dem synaptischen Eingang des Neurons.
Frage: In welchem Zusammenhang stehen synaptisches Potential und Spikefrequenz /Spikeamplitude?
M14
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4.46 4.48 4.50 4.52 4.54 4.56 4.58 4.60 4.62 4.64 4.66 4.68 4.70 4.72s
je höher DC-Potential, desto höher Spikefrequenz
Sp
an
nu
ng
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V*1
0)
Zeit (s)
Duftantwort des PE1 Neurons – DC Potential und Aktionspotential
Mauelshagen (1991) Dissertation, FU-Berlin
M14
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mul
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-0.3
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nal
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4.46 4.48 4.50 4.52 4.54 4.56 4.58 4.60 4.62 4.64 4.66 4.68 4.70 4.72s
alle Spikes,geringe Korrelation
Spikes während 3. Intervall: hohe Korrelation
höhere Depolarisation nötig während später Burstphase
Das Pe1 Neuron bildet spontane Aktionspotentiale, denn Membrandepolarisation ("EPSPs") und Spikes korrelieren nicht 100%ig.
Auswertung von elektrophysiologischen Signalen
3. primäre Datenanalyse - 1. Datenreduktion: einzelne Ableitung (z.B. eine Duftantwort des PE1 Neurons):
Aktionspotentiale:Dauer, Amplitude, Frequenzen (spontan, Reaktion), Adaptation,
Membranpotential:EPSPs, Depolarisationen, Plateaupotentiale
4. sekundäre Datenanalyse – 2. Datenreduktion: Vergleich mehrerer Ableitungen (lernabhängige Veränderungen der Duftantworten):
Variabilität der Antwort (Wiederholung eines Reizes während einer Ableitung)Individuelle Unterschiede der Tiere (Duftantworten Veränderungen der Aktionspotentialsmusters (Lernen)Statistik
Duftantworten können sehr variabel sein
Grünewald (1999) J Comp Physiol 185:565
carnation
orange
citra l
a ir
geranio l
10 m V
1 s
neuron A neuron B neuron C
Intrazelluläre Ableitungen von Rückkopplungsneuronen aus dem Pilzkörper des Bienengehirns
Duftantworten - Quantifizierung
Mauelshagen (1991) Dissertation, FU-Berlin
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200
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4
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spik
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5.40 5.45 5.50 5.55 5.60 5.65 5.70 5.75 5.80 5.85 5.90 5.95 6.00 6.05s
bin size: 100ms
600ms
Differentielle Konditionierung
Mauelshagen (1993) J Neurophysiol 69:609
Differentielle Konditionierung Vergleich zwischen relativer Aktionspotentialfrequenz und relativem DC-Potential
Ähnliche Effekte während Lernakt 2 und 5. Bedeutet: Die lernabhängigen Antwortänderungen sind im wesentlichen präsynaptisch. Aber: Änderungen im DC-Potential geringer als von Spikefrequenz erwartet. Bedeutet: Das PE1 Neuron besitzt selber plastische Eigenschaften.
Mauelshagen (1993) J Neurophysiol 69:609
relative Spikefrequenz relatives DC-Potential
Auswertung von intrazellulären Ableitungen - Zusammenfassung
- Vor dem Experiment: Was will ich auswerten? Wahl der Filterfrequenzen und Samplefrequenzen. Hierzu Pilotexperimente.
- Nach dem Experiment: Abschätzen der Ableitqualität und Signalgüte: Kann ich das analysieren, was ich wollte?
- Datenauswertung: zunächst Quantifizierung der einzelnen Messungen: Welche Auswertungsmethode ist adäquat?
- Eventuell dann: automatisierte Vorabauswertung (Programme, Macros)
- Dann: sekundäre Datenanalyse: Wie variabel / konstant ist mein Signal? Wie sieht eine mittlere Reaktion aus?
- Schließlich: Vergleich experimenteller Gruppen. Gibt es Effekte der Behandlung?
- Abschließend: Kontrolle der Primärdaten: Ist mein berechneter Effekt in den Primärdaten erkennbar?
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