Morphologie des PE1 Neurons - Institut für Biologie

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?
 Sabine Krofczik
Morphologie des PE1 Neurons
Brandt, Rybak, Menzel, 2002
Morphologie des PE1 Neurons
Brandt, Rybak, Menzel, 2002
Morphologie des PE1 Neurons
o.k.
aber wie funktioniert die intrazelluläre Ableitung von
Aktionspotentialen?
Mauelshagen (1993) J Neurophysiol 69:609
Intrazelluläre Ableitungen aus dem
Bienengehirn
intrazelluläre Ableitung mit
anschließender Färbung des Neurons
komplexe Reaktion eines Neurons
auf einen Duftstimulus
Grünewald, 1999
Duftantwort des PE1 Neurons
"Event-Kanal"
= Aktionspotentiale
16 untitled
4 M1
3 M2
4
Beginn,
Dauer und
Ende des
Reizes
2
stimmul
mv
2
0
-2
1
singnal
(mV*10)
Spannung
mv
-4
0.3
0.2
0.1
0.0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
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
6.7
s
Zeit (s)
Spannungssignal aus
dem Verstärker
Mauelshagen (1991) Dissertation, FU-Berlin
Reaktionen des PE1 Neurons auf Duftstimuli
4 Ableitungen vom PE1
Neuron an 4 Bienen
Duftreiz = Gewürznelke
Mauelshagen (1991) Dissertation, FU-Berlin
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
Stabilität des Membranpotentials
Konstante Hintergrundfrequenz?
Geringe Schwankungen der Aktionspotentialamplitude?
Signal-Rauschverhältnis konstant?
untitled
1.50
muscleed
1
2. Validierung der Daten und Abschätzung der Ableitqualität
(mV*10)
Spannung
Volts
16
Auswertung von elektrophysiologischen
Signalen
1.25
1.00
0.75
0.50
0.25
0.00
-0.25
-0.50
-0.75
-1.00
-1.25
-1.50
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
s
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 Tiere
Veränderungen der Aktionspotentialsmusters (Lernen)
Statistik
Duftantwort des PE1 Neurons
16 untitled
4 M1
3 M2
4
Antwortlatenz
2
stimmul
mv
2
Reaktionsdauer
0
-2
Spikefrequenz
-4
Spikeamplitude, Spikedauer
0.3
0.2
0.1
singnal
mv
spontane
Spikefrequenz
1
0.0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
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
6.7
s
Membranpotential
Mauelshagen (1991) Dissertation, FU-Berlin
Analyse der Duftantworten des PE1 Neurons
4a
untitled
Hz
200
kumulative Spikefrequenzen (1/Dt)
100
0
4
untitled
Events
10
bin size: 100ms
Peristimulus Zeithistogramme (PSTH)
5
0
5.0
2
untitled
Volts
2.5
0.0
-2.5
-5.0
1
untiteld
Volts
0.0
-0.2
-0.4
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
7.8
s
Mauelshagen (1991) Dissertation, FU-Berlin
Peristimulus Zeithistogramme (PSTH)
1.75
2.00
1.50
1.75
1.25
1.50
1.00
1.25
1a
0.75
Raster
Sweep
1a
Raster
Sweep
2.00
0.50
1.00
0.75
bin size: 10ms
0.25
3.0
2.5
bin size: 500ms
0.50
3/10ms =
300Hz
0.00
0.25
35/500ms =
70Hz
0.00
35
30
25
1
M1
Count
1.5
20
1.0
15
0.5
10
5
0.0
0
0.2
Time
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 7.0
seconds
0
0
0.2
Time
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 7.0
seconds
2.0
1.8
16 untitled
4 M1
1.6
0.30
1a
Raster
Sweep
1.4
0.25
1.2
0.20
0.15
1.0
0.10
0.8
0.05
10/100ms =
100Hz
10
8
bin size: 100ms
0.00
1
singnal
mv
0.6
-0.05
-0.10
-0.15
-0.20
6
1
-0.25
M1
Count
1
M1
Count
2.0
-0.30
4
-0.35
-0.40
2
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
s
0
0
0.2
Time
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
seconds
Mauelshagen (1991) Dissertation, FU-Berlin
Duftantwort des PE1 Neurons – DC
Komponente
16 untitled
4 M1
3 M2
4
2
stimmul
mv
2
0
-2
1
singnal
(mV*10)
Spannung
mv
-4
0.3
0.2
0.1
0.0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
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
6.7
Zeit s (s)
relatives DC-Potential: Abweichung
des Membranpotentials vom
Ruhepotential
Mauelshagen (1991) Dissertation, FU-Berlin
Duftantwort des PE1 Neurons – DC Potential
und Aktionspotential
4
M1
4
2
stimmul
mv
2
0
je höher DCPotential, desto
geringer
Spikeintegral
-2
1
0.3
0.2
0.1
0.0
singnal
mv
Spannung (mV*10)
-4
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
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
4.72
s
Zeit (s)
Das DC-Potential entspricht in etwa dem synaptischen
Eingang des Neurons.
je höher DCPotential, desto
höher
Spikefrequenz
Frage: In welchem Zusammenhang stehen synaptisches
Potential und Spikefrequenz /Spikeamplitude?
Mauelshagen (1991) Dissertation, FU-Berlin
Duftantwort des PE1 Neurons – DC Potential
und Aktionspotential
4
M1
4
stimmul
mv
2
2
0
-2
-4
0.3
0.2
0.1
singnal
mv
0.0
1
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
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
4.72
s
Das Pe1 Neuron bildet
spontane Aktionspotentiale,
denn Membrandepolarisation
("EPSPs") und Spikes
korrelieren nicht 100%ig.
alle Spikes,
geringe Korrelation
Spikes während
3. Intervall: hohe
Korrelation
höhere Depolarisation
nötig während später
Burstphase
Mauelshagen (1991) Dissertation, FU-Berlin
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
neuron A
neuron B
neuron C
carnation
orange
citral
geraniol
air
10 mV
1s
Intrazelluläre Ableitungen von
Rückkopplungsneuronen aus dem
Pilzkörper des Bienengehirns
Grünewald (1999) J Comp Physiol 185:565
Duftantworten - Quantifizierung
600ms
4
spike Frq
Hz
200
150
1
2
100
50
0.2
-0.2
-0.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
4.0
4.1
s
16 untitled
175
150
spike Frq
Hz
125
4
1
2
100
75
50
25
0
3
untitled
0.2
0.0
1
signal
V/10
1
signal
V/10
0.0
-0.2
bin size: 100ms
-0.4
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
6.05
s
Mauelshagen (1991) Dissertation, FU-Berlin
Differentielle Konditionierung
Mauelshagen (1993) J Neurophysiol 69:609
Differentielle Konditionierung Vergleich zwischen relativer
Aktionspotentialfrequenz und relativem DC-Potential
relative Spikefrequenz
relatives DC-Potential
Mauelshagen (1993) J Neurophysiol 69:609
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.
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?
© Gary Larson