Spike Train Analyse

Neuronale Netzwerkkulturen auf Mikroelektroden-Arrays sind ein hervorragendes Werkzeug zum Studium der Funktionsweise von neuronalen Netzwerken, wie sie im zentralen Nervensystem (ZNS) beim Menschen oder Tieren auftreten. Da mit dieser Technik gleichzeitig die Aktionspotenziale mehrerer Nervenzellen jeweils einzeln über einen längeren Zeitraum beobachtet werden können, sind auf diese Weise neue Einblicke in die Funktionalität eines solchen Netzwerkes möglich. Es werden während eines Experimentes also die Zeitpunkte der Aktionspotenziale ("Spikes") für jeweils eine Nervenzelle in der Zeit aufgezeichnet (der so genannte "Spike Train"). Parallelbeobachtungen, von bis zu maximal 256 Nervenzellen eines neuronalen Netzwerkes, sind möglich.

Substanz-spezifische Aktivitätsmuster
Charakteristische Substanz-spezifische Aktivitätsmuster von 15 parallel aufgezeichneten Neuronen des Rückenmarks für eine Zeitdauer von 30s.

Zur Auswertung der Aktivitätsmuster von neuronalen Netzwerken werden Verfahren der Spike Train Analyse angewendet. Mithilfe des Programms PATTERN EXPERT squid können wir mehr als 200 verschiedene Spike Train Parameter berechnen.

Für eine Episode können auf der Basis dieser 200 Spike Train Merkmale die durch Substanzen hervorgerufenen Änderungen der Aktivitätsmuster für jede Substanz eindeutig wieder erkannt, sprich klassifiziert, werden. Damit wird die Reproduzierbarkeit der beobachteten Aktivitätsmuster nachgewiesen.

Merkmalskategorien

Wir beschreiben mit der Spike Train Analyse fünf grundsätzliche Kategorien: die allgemeine Aktivität, die allgemeine Aktivität in den Bursts, die Synchronität, die Oszillationen sowie die innere Struktur der Bursts, die Burst-Form.

Allgemeine Aktivität

Die Spikerate, also die Anzahl der Spikes pro Zeiteinheit, für eine Nervenzelle oder die mittlere Spikerate für mehrere Nervenzellen, ist eines der wichtigsten Merkmale überhaupt. Die mittlere Spikerate korreliert zumeist sehr gut mit der zugegebenen Konzentration einer Substanz. Mit einem Kurven Fitting kann man die EC₁₀, (Effektive Konzentration 10%), EC₅₀ den EC₉₀ und den Hill Koeffizienten nH berechnen.

Die Dosis Wirkungs Kurve für die mittlere Spikerate kann einen biphasischen Verlauf zeigen, der ein deutlicher Hinweis auf den Effekt mehrerer Wirkungsmechanismen der zugegebenen Substanz ist.

Allgemeine Aktivität in den Bursts

Spike Trains von Aktionspotenzialen sind zeitlich deutlich in Ruhe- und Aktivitätsphasen, sog. Bursts, strukturiert. Die mittlere Anzahl der Spikes pro Zeiteinheit im Burst beschreibt die Stärke der Bursts, ein weiterer Parameter in dieser Kategorie ist der Anteil der Spikes die in Bursts enthalten sind. Letzterer Parameter beschreibt die Möglichkeit, wie deutlich die Bursts abgegrenzt werden können. In diesem Parameter unterscheiden sich zum Beispiel sehr schön vom frontalen Kortex stammende Kulturen , (im Gegensatz) zu Kulturen aus dem Rückenmark.

Gewebespezifische Aktivitätsmuster
Aufzeichnung der Aktivität von 20 Einzelneuronen über 30 sec.; links: frontaler Kortex, rechts: Nervenzellen aus dem Rückenmark

Synchronität

Die Synchronität der Aktivitätsmuster in neuronalen Netzwerken ist Gegenstand intensiver Untersuchungen. Der Einfluss von Substanzen auf die Synchronität ist ein sehr wichtiges charakteristisches Phänomen. Mit neuronalen Netzwerken auf Mikroelektroden Arrays können diese Effekte in idealer Weise studiert werden. Da die Aktionspotenziale über mehrere Nervenzellen jeweils einzeln über eine längere Zeit mit hoher Präzision, im Mikrosekundenbereich, aufgezeichnet werden können, ist somit die Analyse der Synchronität in höchster Auflösung in Zeit und pro Nervenzelle möglich. Wir können damit, wie es bisher nicht möglich war, die Synchronität in unterschiedlichen Auflösungsskalen analysieren und beschreiben.

Oszillationen

Aktionspotenziale treten in deutlich periodischen Mustern auf. Die Regelmäßigkeit dieser periodischen Muster ist ein weiteres Charakteristikum für die Wirkung neuroaktiver Substanzen.

Burst-Form

In unseren Untersuchungen ist die Burststruktur, das heißt die zeitliche Verteilung der Spikes in einem Burst, ein ganz wesentliches Merkmal für die Beschreibung der von Substanzen herbeigeführten Änderungen der Aktivitätsmuster.

Profiling

Mit unseren Mustererkennungsmethoden suchen wir die für einzelne Substanzen oder Gruppen von Substanzen charakteristischen Spike Train Merkmale heraus, mit denen man Dosis-Wirkungs-Kurven mit einer hohen Signifikanz und Aussagekraft erhält.