電生理技術

簡介：

? ? ?用電生理儀器、電極、電壓鉗(voltage clamp)及膜片鉗?(patch clamp) 技術等記錄或測定整體動物或離體器官組織、神經和細胞離子通道等的電位改變、傳導速度和離子通道的活動的技術即電生理技術。引導生物電的電極可分為大電極和微電極兩類。大電極記錄的是許多細胞(如一個器官)的電活動綜合而成的生物電，如心電、腦電、肌電等。微電極尖端細?。ㄖ睆剑?微米），也可大至幾微米?(玻璃管、金屬絲) ，用微電極可在細胞水平上對生物電現象進行觀測和研究。常用的電生理記錄方法有細胞外記錄、細胞內記錄和膜片鉗技術。

細胞外和細胞內記錄

細胞外記錄

? ? ?細胞外記錄法是將引導電極安放在神經組織的表面獲取附近神經組織的電活動。生物體可興奮細胞周圍的細胞間液是具有長、寬、厚三維空間的容積導體，只要沒有電流在容積導體中流動，容積導體各處的電位是相等的。當細胞興奮時，由于興奮部位的神經元去極化而不活動的部位處于正常極化狀態，因而在容積導體中兩部位間電位不同，電流從一點流向另一點。此時置于表面的電極即可記錄出兩者之間所產生的電位差。從容積導體中某一點記錄到的電位是遠處和近處許多單位活動的合量。

? ? ?細胞外記錄所得到的電位幅度大小和波形因細胞以及電極位置不同而異，因此，對胞外記錄電位的分析著重于放電數目，一般不去比較放電幅度的大小。根據所用電極的不同，細胞外可記錄到峰電位Spike（微電極）和場電位（大電極）。

峰電位Spike：神經元是神經活動的最基本單位，大多數神經元之間通過發放峰電位（Spike）進行信息交流。由膜電位變化產生的波峰即為峰電位Spike或動作電位，其在軸突上傳導形成神經沖動。神經沖動編碼方式類似于莫斯編碼，編碼方式不是spike的幅值，而是通過spike的頻率，以及spike之間的間隔時間來編碼。大腦神經元胞外單細胞峰電位的檢測與分類是許多腦功能研究的前提。峰電位記錄可分為胞外神經信號記錄和胞內神經信號記錄兩種。胞外神經信號峰電位記錄通常在目標神經元細胞外臨近處放置一個信號記錄電極，同時在細胞外較遠處放置另一個電極作為零電位點，通過記錄兩個電極間的電位差得到神經信號。盡管相對于原始的動作電位（~70mV）)，通過細胞外液體等介質傳導至電極后的電位差會有2-3個數量級的衰減(~100uV)，但是通過低噪聲儀表放大器放大后，仍然能用它來表征峰電位的發放與否。通常，用微電極細胞外記錄方式得到的電信號是同一腦區內許多神經元的發放。通過峰電位檢測與分類算法可以較精確的將不同神經元發放的峰電位區分開，使之與發放它們的神經元相對應。這一點對于應用峰電位的發放時間進行的神經編碼研究尤其重要。

誘發電位/場電位：

? ? ?中樞神經的任何部位對于故意刺激感受器官、感受神經、感覺通路上任意一點，或與感覺器官有關的任何結構上的任意一點所產生的電變化，叫做誘發電位，也稱為場電位，它常出現在自發放電的背景上，不是單細胞放電，而是由許多突觸后電位總和而成。該動作電位有形式恒定、一定的空間分布及與刺激有鎖時關系三個特征。大腦皮層自發的電位活動稱為腦波，當給身體某種刺激產生大腦電位活動的改變，由頭皮引導出的電位稱大腦誘發電位；由感覺刺激（光、聲音、觸覺等）引起大腦某部位表現出電變化稱為感覺性誘發電位，主要包括視覺誘發電位、聽覺誘發電位及軀體感覺性誘發電位；由肢體運動而出現的電位變化稱為運動性誘發電位。

? ? ?目前已進入臨床應用的容積導體內記錄方法有肌電圖（Electromyogram, EMG）、腦電圖(EEG)、心電圖 (ECG)等。

肌電圖（Electromyogram, EMG）記錄肌肉活動時的動作電位，是測定整個運動系統功能的一種手段。在活體內，當肌肉收縮時，動作電位可從肌纖維經組織的導電作用反映至皮膚表面。在皮膚表面放兩個金屬電極或將針電極直接插入肌肉內，可記錄到肌肉活動時的動作電位。EMG測定一般分為4個觀察步驟：插入電位、靜息期、輕收縮時的運動單位電位MUP以及募集電位。臨床及科研中可用來判定神經、肌肉所處的功能狀態，即骨骼肌纖維受神經支配的狀況，以及神經肌纖維本身的狀態，有助于對運動神經、肌肉疾患的診斷。

腦電圖?(Electroencephalography, EEG) 是研究大腦電活動最古老和最廣泛使用的方法之一。人類或脊椎動物在安靜情況下，即使沒有任何特定刺激，在腦表面也能記錄到持續節律性的電位變化，這種電位變化稱為腦的自發電活動或腦電圖。頭皮腦電圖（EEG）由單個電極記錄頭皮表面的電活動，是時空平滑版的局部場電位?(LFP)，在10平方厘米或更大的面積上集成。在大多數情況下，它與單個神經元的放電模式沒有明顯的關系。EEG對異常腦活動敏感但不特異，EEG檢查可發現腦部的彌漫或局限損害，對癲癇、腦炎、腦瘤及腦血管疾病等有一定診斷價值，特別對癲癇診斷幫助尤其大。

皮質電圖?(ECoG)使用電極直接記錄大腦皮層表面的電活動，通過使用靈活的，緊密間隔的硬膜下柵格或條狀電極，記錄電場的空間分辨率可以大大提高?(<5 mm²) 。

局部場電位（Local Field Potential）

? ? ?EEG、MEG和ECoG主要采集發生在皮層淺層的電活動。通過在大腦中插入金屬或玻璃電極或硅探針可記錄局部場電位LFP (也被稱為“微EEG”)，可以探索更深位置的電事件。神經元峰電位（Spike）是神經元活動時由膜電位變化產生的高頻信號/動作電位，而LFP則是在電極尖端附近小范圍區域內的突觸后電位的平均效應，頻域較廣，可以分為很多頻段，是電極周圍細胞對該位置的共同作用。LFP的相位特征（特別是相位同步）是表達外界刺激信息的重要度量，Spike與LFP節律之間的鎖相關系反映了重要的神經編碼特性，通過鎖相的研究可以進一步探究外部信息在中樞神經系統傳遞的特性以及整合機制。場電位信號對傳遞信息的編碼方式通常有時域編碼和頻域編碼兩種。

腦電圖和局部場電位

? ? ?相對于胞內記錄技術，胞外信號記錄具有三大優勢：1.?操作更簡單；2.能夠同時得到局部場電位LFP，它主要來自電極附近局部區域的神經元突觸活動的總和，表征了區域內多個神經元協同工作的信息；3.?可以由單電極拓展到多通道的電極陣列?( Multi-electrode array , MEA )，因此可以同時記錄到大腦同一功能區塊中的不同區域、不同深度的多個神經元峰電位的發放。通過研究多個神經元在某一時刻的活動，能夠更好的了解神經網絡的結構、連接以及時序；同時，也可以通過控制(刺激)特定的若干個神經元，來觀察神經網絡中其他神經元的響應?；谏鲜鋈齻€優點，胞外神經信號記錄是目前使用最廣泛、最理想的電生理記錄技術。

在體多通道電生理技術

? ? ?為了獲得高空間分辨率，Spike和LFP需要許多觀察點，這些觀察點之間距離設置要比較短，且對腦組織的影響最小。原則上，可以用足夠大的記錄位點密度來監測小體積中幾乎所有或至少一個具有代表性的神經元種群的峰值活動。

? ? ?在體多通道電生理記錄技術又稱為中樞神經元放電的在體多通道同步記錄技術，是動物在更接近自然的狀態下利用細胞外記錄方法觀察不同中樞的電活動，來監測神經元群的同步電活動。這一方法可以同步記錄多個腦區的大量神經元的電活動，便于研究個體在接受某一感覺刺激或執行特定行為任務時，不同腦區的神經元放電在時間和空間上的聯系，進而通過分析神經元的放電模式來研究大腦對外部事物的編碼機制。

利用在體電生理技術記錄頭部固定動物多位點LFP

細胞內記錄

? ? ?細胞內記錄是研究神經元基本生物物理特性的有力手段。它需要通過精細的操作，將信號記錄電極直接插入神經元細胞內，采集細胞內與細胞外（放置零電位電極）的電位差，最終記錄到單個細胞在行為活動或環境影響下細胞膜電位變化。該方法的優勢在于相對細胞外記錄有更高的信噪比，可以準確測量膜電位、興奮性突觸后電位（EPSP）、抑制性突觸后電位（IPSP）以及動作電位等多項電位指標。此外，還可以同時向記錄電極中充灌染料（如辣根過氧化物酶）、攜帶熒光蛋白的病毒等，在記錄結束后注入到所記錄的細胞內，以觀察此細胞的形態特征、投射部位或所處的神經環路。細胞內記錄的缺點在于只能采集到單個神經元信號，因此在目前趨于研究神經網絡活動，神經元記錄數目越來越大的大趨勢下，胞內神經信號記錄技術的用武之地越來越少。

膜片鉗

? ? ?細胞的跨膜電流是通過膜上的離子通道流動的。離子通道是細胞內部與外部環境聯系的通道，是神經、肌肉和其他組織興奮性和生物電的基礎。單個通道開放時所流過的離子流的速度可增加14個數量級，離子轉運的速率可達109個/s，此時所能轉移的離子電流量只相當于幾個皮安。而通常細胞內微電極測量電流時所伴有的背景噪聲卻至少為100皮安。這種顯然極負的信噪比幾乎構成了以單個通道為目標的電生理學測量的不可逾越的屏障。膜片鉗技術巧妙解決了這一難題。該技術通過將玻璃微電極和只含1-3個離子通道，面積為幾各平方微米范圍的細胞膜通過負壓進行吸引封接。由于電機尖端與細胞膜的高阻抗封接，使電極尖端所吸引的小片細胞膜與其周圍在電學上分隔，因此膜片上通道開放所產生的電流可流進玻璃微電極，在此基礎上固定電壓再對此膜片上離子通道的離子電流進行監測記錄。

電生理技術的應用范圍

? ? ?1. 記錄生理、病理或刺激（物理、化學處理）前后胞內和胞外神經元活動；

? ? ?2.?特定神經細胞類型的電學特性研究；

? ? ?3. 特定腦區對外周傳入刺激或內臟傳入的反應；

? ? ?4.?藥物的藥理學機制研究；

服務流程

客戶提供：

? ? 1）詳細的實驗需求及參考資料；

? ? 2）實驗模型/樣本，保證樣本質量；

? ? 3）分析需求。

公司提供：

? ? 1）檢測報告；

? ? 2）原始數據。