Neurofysica

Neurofysica (of neurobiofysica) is de tak van de biofysica die zich bezighoudt met de ontwikkeling en het gebruik van natuurkundige methoden om informatie over het zenuwstelsel te verkrijgen. Neurofysica is een interdisciplinaire wetenschap die natuurkunde gebruikt en combineert met andere neurowetenschappen om neurale processen beter te begrijpen. De gebruikte methoden omvatten de technieken van experimentele biofysica en andere fysieke metingen zoals EEG, meestal om elektrische, mechanische of fluïdische eigenschappen te bestuderen. Ook theoretische en computationele benaderingen worden gebruikt. De term ‘neurofysica’ is een samentrekking van ‘ neuron’ en ‘fysica’.

De theoretisering van ectopische actiepotentialen in neuronen met behulp van een Kramers-Moyal-expansie en de beschrijving van fysieke verschijnselen gemeten tijdens een EEG met behulp van een dipoolbenadering, maken onder meer gebruik van neurofysica om neurale activiteit beter te begrijpen.

Een andere heel aparte theoretische benadering beschouwt neuronen als Ising-model-interactie-energieën en onderzoekt de natuurkundige gevolgen hiervan voor verschillende Cayley-boomtopologieën en grote neurale netwerken.

Opnametechnieken

Oude technieken om hersenactiviteit vast te leggen met behulp van fysieke verschijnselen zijn al wijdverspreid in wetenschappelijk onderzoek en geneeskunde. Elektro-encefalografie maakt gebruik van elektrofysiologie om de elektrische activiteit in de hersenen te meten. Deze techniek, waarmee Hans Berger in 1924 voor het eerst de elektrische activiteit van de hersenen bij een mens registreerde, is niet-invasief en maakt gebruik van elektroden die op de hoofdhuid van de patiënt worden geplaatst, om de hersenactiviteit te registreren. Gebaseerd op hetzelfde principe vereist elektrocorticografie een craniotomie om de elektrische activiteit rechtstreeks op de hersenschors te registreren.

In de afgelopen decennia hebben natuurkundigen technologieën en apparaten bedacht om de hersenen en hun activiteit in beeld te brengen. De functionele MRI-techniek, ontdekt door Seiji Ogawa in 1990, brengt veranderingen in de bloedstroom in de hersenen in beeld. Gebaseerd op de bestaande beeldvormingstechniek magnetic resonance imaging (MRI) en op het verband tussen de neurale activiteit en de cerebrale bloedstroom, stelt dit instrument wetenschappers in staat hersenactiviteiten te bestuderen wanneer deze worden geactiveerd door een geregelde stimulatie. Een andere techniek, de Two Photons Microscopy (2P), gebruikt fluorescerende eiwitten en kleurstoffen om hersencellen in beeld te brengen. Deze techniek combineert de twee-fotonenabsorptie, voor het eerst getheoretiseerd door Maria Goeppert-Mayer in 1931, met lasers. Tegenwoordig wordt deze techniek veel gebruikt in onderzoek. Vaak is dit in combinatie met genetische technologie om het gedrag van een specifiek type zenuwcel te bestuderen.