电生理学基本知识与技术139

电生理学基本知识与技术朱克刚（药理学副教授、机能学部主任兼机能学综合实验室主任）生物膜的电学特性 生物膜的等效电路 膜时间常数 跨膜离子电流与膜电位变化 刺激电流与膜电位变化 刺激强度与膜电位变化生物膜的等效电路生物膜的等效电路生物膜的电学特性 生物膜的等效电路 生物膜的结构与跨膜信号转导 可兴奋细胞的跨膜电位差与离子的选择性通透性 跨膜电位差的物理学描述 电阻抗（ R）或膜电阻（ Rm) 膜可贮存电荷的物理学描述 电容器（ C）或膜电容（ Cm） Rm与 Cm的并联关系即膜的等效电路生物膜的电学特性 生物膜的等效电路 膜时间常数膜时间常数生物膜的电学特性 膜时间常数 刺激与兴奋 矩形脉冲刺激电流引起的膜电位变化a：纯电阻元件的膜电位变化与脉冲电流变化同步b：纯电容元件的膜电位变化减慢，但保持其起始斜率c：含阻容元件的膜电位呈指数变化：Vm=I/Cm生物膜的电学特性 膜时间常数 Vm=I/Cm 的原理1. Cm可减慢电流引起的膜电位变化，是因此前 Cm须经历充、放电的过程2. 膜电位变化快慢最终由时间常数 t决定，即 t值越大， Cm充放电流越小、越慢或电容器两端电压（ uc）达到某一定值所需时间越长3. 不同的生物膜， t值大小也不同生物膜的电学特性 膜时间常数 进一步的物理学与生物物理学描述1. 时间常数是标志 RC电路放电的基本参数2. RC电路中，电路的电压（ E）随时间呈指数变化：E=IR（ 1-et/t）3. 由矩形脉冲电流引起的生物膜电位变化：Vm=ImRm(1-et/t)4. 公式中 e=2.72 为指数系数， t=RC为时间常数5. 公式表明，膜电位下降到最初值的 1/e所需时间为一个时间常数，即膜电位变化达最终值的 63%所需时间为一个时间常数 生物膜的电学特性 膜时间常数 理论意义与实际应用1. 生物膜中 t的变化很大（神经元约 1 20ms），但经检测，单位表面积的膜电容却较恒定、约 10-6F/cm22. 不同时间常数反映了不同细胞的 Rm的不同，乃至同一神经元的各个膜区域之间的区别。而 Rm的差异又代表膜离子通道类型、密度和调节方面的特性。总之，膜时间常数在决定神经元高度复杂的内在电活动，以及细胞对刺激的反应方面都起着重要作用3. 生物机能实验中，多种因素如标本干燥、机械牵拉等不良刺激都可使 Rm增加，影响其电活动及其对刺激的反应。因而实验中为保持标本机能状态的正常及实验结果的真实可靠，应尽量避免不良刺激对 Rm的影响跨膜离子电流与膜电位变化跨膜离子电流与膜电位变化生物膜的电学特性 跨膜离子电流与膜电位变化 欧姆定律及其表述1. 通过某一导体的电流（ I）与导体两端的电压（ V或 E）成正比，与导体的电阻（ R）成反比：I=V/R2. 电导是电阻的倒数（ G=I/R），引入电导概念：I=gV 或 I=gE3. 电导概念可更好地描述离子通道允许电流通过的能力生物膜的电学特性 跨膜离子电流与膜电位变化 应用欧姆定律描述跨膜离子电流与膜电位的关系1. 离子通道是一种特殊的导体，各种离子经离子通道的跨膜转运是顺化学梯度的转运，故其产生的电流的大小（ I）既取决于膜电位差（ E）及通道的电导（ g），也与该离子的平衡电位（ Es）有关：I=g(E-Es)2. 公式表明，离子流过通道的驱动力是 E-Es而非 E3. 若以膜电位为横轴，离子通道电流为纵轴作图，可了解跨膜离子电流 (I)与电压 (V)的关系 (Current-Voltage relationship)，或称为 I-V曲线生物膜的电学特性 跨膜离子电流与膜电位变化 1. 图中的斜率即为该通道的电导，若电导为一常数， I-V关系便呈线性2. 曲线还表明，不仅离子流过通道的驱动力不是 E，而且电流为 0的电位是与离子的平衡电位相等的电位而不是 0mV 处。因电流在此电位改变方向，故又称反转电位3. 根据反转电位值可以判断该通道电流是何种离子跨膜流动引起的Current-Voltage relationship (I-V Curve)生物膜的电学特性 跨膜离子电流与膜电位变化 研究 I-V关系的理论意义Ik1电流 -电压曲线 1.研究离子通道的 I-V关系，是了解通道生物物理学特性和药物作用机制的基本方法2. 实际上许多通道具有非线性的 I-V关系，尤其可通透离子在膜两侧的浓度不同或通道的结构不对称等情况下，该曲线往往会向某个电流方向（如内向或外向电流）偏离欧姆定律，即所谓 “ 整流 ” 现象生物膜的电学特性 跨膜离子电流与膜电位变化 实际应用1. 在生物膜的等效电路中，因 Rm和 Rc以并联方式存在，膜电流（ Im）等于跨膜离子电流（ Ii）与电容电流（ Ic）之和：Im=Ii+Ic2. 公式表明，膜的 Ii或 Ic变化均可改变 Im，而Ii反映了跨膜离子通道电阻（ Rm）的大小、 Ic反映了跨膜电容（ Cm)的大小3. 由欧姆定律可知， Im的变化必然改变膜电位（ Vm），从而 Rm和 Cm的不同也将影响到 Vm4. 因此在测量 Vm的电生理研究中，必须注意保持生物膜 Rm和 Cm处于稳定状态刺激电流与膜电位变化刺激电流与膜电位变化生物膜的电学特性 刺激电流与膜电位变化 刺激引起兴奋的条件1. 细胞所处功能状态2. 有效刺激的三个参数，即强度、时间和强度 -时间变化率3. 刺激电流的方向，如外向刺激电流使膜去极化，兴奋性升高；内向刺激电流使膜超极化，兴奋性降低，不能引发动作电位。 因此，在用微电极技术进行实验时，应将正电极置于细胞内，或将负电极置于细胞外 生物膜的电学特性 刺激电流与膜电位变化 外向和内向刺激电流引起的膜电位变化外向刺激电流与膜电位变化 内向刺激电流与膜电位变化+ - r1 r2- + r1 r2生物膜的电学特性 刺激电流与膜电位变化 关于细胞外刺激1.两个电极与神经接触并通电，正和负电极处会分别发生超极化和去极化2. 应用细胞外双电极刺激法，应将正电极置于远离引导电极一侧、负电极置于靠近引导电极一侧，以避免正电极处超极化引起的阻滞作用（阳极阻滞）刺激强度与膜电位变化刺激强度与膜电位变化生物膜的电学特性 刺激强度与膜电位变化 刺激引起兴奋的原理1. 膜的去极化是电压门控 Na+通道被激活及 Na+内流的过程，期间常伴随膜电位与 K+平衡电位（ EK）的差值增大，以及非门控 K+通道的 K+外流增加，且去极化越明显、 K+外流越多2. 阈下刺激时，被激活的 Na+通道数目少、 Na+内流引起的膜被动反应（部分去极化）可被 K+外流对抗，使膜的进一步去极化难以实现。而阈刺激可使被激活的Na+通道数目及 Na+内流量皆增加，不被 K+外流对抗3. 阈刺激所致 Na+内流及进一步去极化可在二者间形成正反馈，这被称为再生性去极化或再生性 Na+内流生物膜的电学特性 刺激强度与膜电位变化 动作电位的全或无特性对很强的去极化刺激发生的主动反应（图示还表明，刺激强度越大，刺激和 AP间的延迟越短） 生物膜的电学特性 刺激强度与膜电位变化 神经干或组织受刺激的表现1. 因不同的细胞兴奋性也不同，且手术操作或离体条件等都将影响到生物膜的特性，从而引起兴奋所需的阈强度存在某种差别2. 对蟾蜍坐骨神经干实施刺激，在最大刺激强度范围内，神经纤维兴奋的数目会随刺激强度的增加而增加；同时，动作电位的叠加还将表现为所记录动作电位幅度的相应增大，这正是不同的细胞分别具有不同的兴奋性的表现3. 最大刺激强度在于使神经干中所有纤维都兴奋，此时动作电位的幅度也达最大生物电信号的特性 信号微弱：电压为 mV V，电流为 nA pA 频率特性：生物机能信号频率范围很大大，故在使用生物电极放大器时应选择适宜的频带 信号源内阻高：包括组织皮肤内阻及细胞膜电阻等，可达几千乃至数万欧姆 易受其他电信号干扰： 生物电之间的相互干扰 50Hz交流电源对记录电信号的干扰 电极极化电位的干扰 感应电场及空间电磁波的干扰等生物电记录方法及原理 生物信号记录的框架图 生物电信号拾取 生物电信号的放大与记录 诱发生物电现象产生 干扰问题(自发、诱发 )放大器示波器记录仪生物电记录方法及原理 生物信号记录的框架图 生物信号记录的框架图生物信号记录的框架图生物电信号拾取生物电信号拾取生物电记录方法及原理 生物电信号拾取 信号拾取的定义与记录电极的等效电路生物电记录方法及原理 生物电信号拾取 信号拾取的两个原则1. 生物电源是欲记录的生物电信号，视其为电源是因它的电位降落在三个电阻上2. 仪器记录的信号是极间电阻两端的电位差 (电压 ) 3. 串联电路中，电阻两端电压的大小与电阻大小成正比。因此， 拾取信号的方法与过程应遵循两个原则 ：一是 力求电极与组织接触良好即尽量减少接触电阻，以使信号电压主要降落在极间电阻两端，同理两个电极不能短路、否则极间电阻为 0而拾取不到信号； 二是 制作电极的材料导电性能要好或极间电阻要低，以使信号电压主要降落在仪器的输入电阻上，如极间电极由电极电阻与仪器的输入电阻串联而成(自发、诱发 )放大器示波器记录仪生物电记录方法及原理 生物电信号的放大与记录 生物电信号的放大与记录生物电信号的放大与记录生物电信号放大和记录的有关方法生物电记录方法及原理 生物电信号的放大与记录 关于刺激伪迹1. 生物电信号的纪录常面临辨认信号真伪的问题2. 可记录到的干扰信号有许多种，其中之一是刺激 伪 迹3. 在电生理学实验中，当刺激器发出一个刺激脉冲时，记录电极将同时拾取到一个双向、呈尖脉冲的电信号，此即刺激 伪 迹。刺激 伪 迹可被用来作为一个时间点。如从刺激 伪 迹到刺激坐骨神经干而记录到 AP，其时间间隔就是刺激电极处所产生 AP传导到记录电极处所需要的时间4. 刺激伪迹一般不会干扰有用信号的纪录诱发生物电现象产生诱发生物电现象产生生物电记录方法及原理 诱发生物电现象产生 人工诱发生物电的常用方法 电刺激器的电脉冲及其矩形波特征1. 电刺激器既可发出一个、两个或多个单独的脉冲，也可连续性地或不停地发出脉冲2. 电脉冲多为矩形波，其可提供三个参数，即电压大小（矩形波的幅度）、电压作用时间（矩形波的波宽）、电压对时间的变化率（矩形波上升的斜率）干扰问题干扰问题生物电记录方法及原理 干扰问题 干扰问题的广泛性 50赫兹的交流电干扰及其预防： 仪器的噪声和放大器的信噪比参数：一般信号电平与噪声电平比值 10才能 满足实验记录需要 其它生物信号放大器的性能指标及作用 通频道 高增益 高输入阻抗 高共模抑制比 信噪比 低漂移 通频道的定义生物信号放大器的性能指标及作用 通频道 通