电刺激与电记录方法学

1、起源：起源：17911791年，电流计的发明年，电流计的发明发展：发展：2020世纪世纪2020年代，电子管放大器、阴极射线年代，电子管放大器、阴极射线 示波器示波器 4040年代，微电极技术年代，微电极技术 6060年代，电压钳技术年代，电压钳技术 7070年代末，膜片钳技术年代末，膜片钳技术神经科学的发展与电生理学技术的进步密切相关神经科学的发展与电生理学技术的进步密切相关电生理电生理锌铜弓感应线圈刺激器晶体管刺激器集成电路刺激器计算机模拟刺激器A AB BC CA AB BC C1.1. 可兴奋组织的时间可兴奋组织的时间强度曲线强度曲线2.2. 有髓纤维的节间长度有髓纤维的节间长度3.3

2、. 神经纤维的传导速度神经纤维的传导速度4.4. 可兴奋组织的不应期可兴奋组织的不应期5.5. 神经神经肌肉接头传递障碍的诊断肌肉接头传递障碍的诊断6.6. 外科手术中神经分支的判断外科手术中神经分支的判断7.7. 脑部核团的判断脑部核团的判断8.8. 疼痛与癫痫的控制疼痛与癫痫的控制9.9. PDPD的治疗（细胞刀）的治疗（细胞刀）. . . .1. 1. 性质易于描述性质易于描述2. 2. 施行方便，可精确控制施行方便，可精确控制3. 3. 刺激是可逆的，短时间内可重复给予刺激是可逆的，短时间内可重复给予方波、直流电、锯齿波、方波、直流电、锯齿波、三角波、正弦波三角波、正弦波1. .强度强

3、度 阈强度阈强度：能引起可兴奋组织兴奋的最小刺激强度。：能引起可兴奋组织兴奋的最小刺激强度。 相当阈此种强度的刺激为相当阈此种强度的刺激为阈刺激阈刺激； 能恰使膜去极化达到阈限的电流为能恰使膜去极化达到阈限的电流为阈电流阈电流。2.2.时间时间 刺激要求一定的作用时间，即刺激脉冲的刺激要求一定的作用时间，即刺激脉冲的波宽。波宽。 强度与波宽的关系：强度与波宽的关系：时间强度曲线时间强度曲线 保持强度时间变化率不变的情况下，两倍于基强保持强度时间变化率不变的情况下，两倍于基强 度的刺激引起组织反应的最短刺激时间。度的刺激引起组织反应的最短刺激时间。 时值小：兴奋性高时值小：兴奋性高时值大：兴奋性

4、低时值大：兴奋性低3.3.频率频率绝对强度尺度绝对强度尺度：电刺激类型、输出阻抗、强度、时间、频率：电刺激类型、输出阻抗、强度、时间、频率 电极与组织的相对位置、电极的形状与物理电极与组织的相对位置、电极的形状与物理 特性、神经组织的成分特性、神经组织的成分生物校准尺度生物校准尺度：用刺激引起的生物效应作为刺激强度的相对尺度。：用刺激引起的生物效应作为刺激强度的相对尺度。 以刚出现的电反应为以刚出现的电反应为1T，更强的刺激以，更强的刺激以1T的倍的倍 数表示。优点：以生物效应将刺激强度标准化，数表示。优点：以生物效应将刺激强度标准化， 且易于监测。且易于监测。例：例： 外周神经干外周神经干

5、AP 中中 A 纤维成分出现为纤维成分出现为 1T A 纤维成分出现为纤维成分出现为 2T A 纤维成分出现为纤维成分出现为 5T C 纤维成分出现为纤维成分出现为 20T 当与直流电源相连的电极与神经组织接触时，电流当与直流电源相连的电极与神经组织接触时，电流的移动方向是：的移动方向是：A:A:电流从正极通过膜外溶液流至负极电流从正极通过膜外溶液流至负极B:B:电流从正极流向膜内，通过胞浆流向负极，再经膜电流从正极流向膜内，通过胞浆流向负极，再经膜 内流出至膜外负极内流出至膜外负极正极：正极： 内向电流内向电流负极：负极： 外向电流外向电流： 内向电流在具有电阻与电容性质的膜上造成的电压降内

6、向电流在具有电阻与电容性质的膜上造成的电压降 与膜原有的极化状态（内负外正）一致，使膜与膜原有的极化状态（内负外正）一致，使膜超极化超极化； 外向电流造成膜两侧出现内正外负的电压降，与膜原有外向电流造成膜两侧出现内正外负的电压降，与膜原有 的极化状态方向相反，使膜的极化状态方向相反，使膜 去极化去极化，达到阈电位水平达到阈电位水平 产生产生 动作电位。动作电位。 电流接通时兴奋发生在阴极，同时阳极部位加重了极化电流接通时兴奋发生在阴极，同时阳极部位加重了极化 状态，电荷过剩。状态，电荷过剩。阳极阳极：电流断开时，过剩的电荷消失，膜的状态由通电时的电流断开时，过剩的电荷消失，膜的状态由通电时的

7、超极化回到静息状态，这种局部极化状态的消退相当超极化回到静息状态，这种局部极化状态的消退相当 于于去极化。去极化。阴极：阴极：断电时阴极部位的去极化减弱，兴奋性有所降低，断电时阴极部位的去极化减弱，兴奋性有所降低， 称为称为阴极后阻抑。阴极后阻抑。刺激电流（电压）通常比生物电反应大，刺激脉冲可被刺激电流（电压）通常比生物电反应大，刺激脉冲可被记录电极拾取，记录系统形成伪迹。记录电极拾取，记录系统形成伪迹。伪迹的成分：伪迹的成分：电容成分电容成分 电阻成分电阻成分刺激伪迹与刺激强度成正比，过小：不能起标记作用刺激伪迹与刺激强度成正比，过小：不能起标记作用 过大：覆盖生物信号过大：覆盖生物信号：1

8、 1）增大刺激电极与记录电极之间距离）增大刺激电极与记录电极之间距离2 2）在刺激与记录电极之间连接地线）在刺激与记录电极之间连接地线3 3）应用隔离器，且隔离器尽可能靠近被刺激生物体）应用隔离器，且隔离器尽可能靠近被刺激生物体电极材料：电极材料：1 1）良性导体；）良性导体；2 2）毒性小：）毒性小： 3 3）价格便宜）价格便宜电极种类电极种类1 1）单极电极：尖端面积小，可产生足够密度的电流）单极电极：尖端面积小，可产生足够密度的电流 作用电极为一根金属丝，尖端较细，接电源阴极，无关作用电极为一根金属丝，尖端较细，接电源阴极，无关 电极面积较大电极面积较大, ,接电源阳极。接电源阳极。 缺

9、点：刺激伪迹较大缺点：刺激伪迹较大2 2）双极电极：两个并列、间隔）双极电极：两个并列、间隔1mm1mm或更小但不短路的白金或更小但不短路的白金 丝或不锈钢丝。丝或不锈钢丝。R RS S ? ?应用双极刺激电极时应用双极刺激电极时, , 电极的极性应如何放置？电极的极性应如何放置？ 导电性能是首要标准导电性能是首要标准. . 仍需注意插入神经组织的电极可引起神经元坏仍需注意插入神经组织的电极可引起神经元坏死、毛细血管破裂、组织水肿等不良反应。死、毛细血管破裂、组织水肿等不良反应。 在神经组织中埋藏刺激或记录电极，便于在动物在神经组织中埋藏刺激或记录电极，便于在动物正常清醒情况下，给予刺激或记录

10、神经元电反应。正常清醒情况下，给予刺激或记录神经元电反应。 金属材料对神经组织的毒性是首要标准。长期埋金属材料对神经组织的毒性是首要标准。长期埋置电极可造成：局部胶质细胞增生、神经元核仁位置电极可造成：局部胶质细胞增生、神经元核仁位置改变等结构变化。置改变等结构变化。 白金白金 不锈钢不锈钢 钨钨 银银 铜铜1.1.可兴奋组织的电导与其含水量有关。可兴奋组织的电导与其含水量有关。 肌肉组织含水量：肌肉组织含水量：7575 脑组织含水量：脑组织含水量：6868电导的不均匀性提示：强电流刺激可使电流流向电导的不均匀性提示：强电流刺激可使电流流向非预期刺激的结构。故中枢宜采用微刺激。非预期刺激的结构

11、。故中枢宜采用微刺激。软膜组织电阻：软膜组织电阻：50-10050-100/cm/cm2 2 特点：软膜组织暴露在空气中后，电阻与电容性质特点：软膜组织暴露在空气中后，电阻与电容性质 改变，实验中可不再考虑改变，实验中可不再考虑近脑室和脑脊液电阻：灰质电阻近脑室和脑脊液电阻：灰质电阻=1:6=1:6软脊膜的脑脊液具有较大的电流效应软脊膜的脑脊液具有较大的电流效应细胞外刺激条件下细胞外刺激条件下 直径粗的轴突：施加弱电流即可兴奋直径粗的轴突：施加弱电流即可兴奋 直径细的轴突：施加强电流才可兴奋直径细的轴突：施加强电流才可兴奋 条件检验刺激方法（两刺激参数相同）条件检验刺激方法（两刺激参数相同）通

12、常，神经纤维越粗，传导速度越快，不应期越短。通常，神经纤维越粗，传导速度越快，不应期越短。 外周粗纤维不应期：外周粗纤维不应期：1ms1ms 中枢中枢A A-C-C纤维不应期：纤维不应期：0.6-2.0ms0.6-2.0ms电刺激神经组织可产生以下结果：电刺激神经组织可产生以下结果：（1 1）模拟一个系统的正常机能活动）模拟一个系统的正常机能活动（2 2）中断一个系统的正常机能活动）中断一个系统的正常机能活动（3 3）产生与正常机能无关的活动）产生与正常机能无关的活动电刺激脑：许多神经元出现同步放电。其结果使电刺激脑：许多神经元出现同步放电。其结果使神经递质释放增多并在细胞间隙堆积，或胞外某神

13、经递质释放增多并在细胞间隙堆积，或胞外某些物质被神经元摄取而枯竭。些物质被神经元摄取而枯竭。 重复电刺激脑部（数秒重复电刺激脑部（数秒/ /日日, ,连续数日），如杏仁核、连续数日），如杏仁核、尾核、海马等，可出现被称为尾核、海马等，可出现被称为“激发激发”的现象：的现象： （1 1）阈值降低）阈值降低 （2 2）痉挛）痉挛癫痫发作（点燃模型）癫痫发作（点燃模型）有时重复电刺激出现有时重复电刺激出现“负激发负激发”：受刺激脑部兴奋性降低：受刺激脑部兴奋性降低大部分脑组织对电刺激的反应是立即出现，大部分脑组织对电刺激的反应是立即出现， 电刺激运动皮层：电刺激运动皮层：1-2S1-2S后即出现反应

14、后即出现反应部分脑区的刺激效应需经数小时或时日才出现部分脑区的刺激效应需经数小时或时日才出现 电刺激猫外测下丘脑：电刺激猫外测下丘脑：1h1h内无任何反应，内无任何反应， 24h24h后进食量增加后进食量增加600600。电刺激后脑结构可出现疲劳电刺激后脑结构可出现疲劳, ,先后顺序为：先后顺序为：（1 1）数秒内迅速疲劳，如运动皮层）数秒内迅速疲劳，如运动皮层（2 2）数分钟内缓慢疲劳，如尾核与壳核）数分钟内缓慢疲劳，如尾核与壳核（3 3）不疲劳，如刺激外侧下丘脑可引起无限期）不疲劳，如刺激外侧下丘脑可引起无限期 瞳孔收缩瞳孔收缩. .弱刺激：兴奋弱刺激：兴奋类纤维，以类纤维，以A A出现为

15、出现为1T1T 刺激强度刺激强度 ( T ) ( T ) 兴奋的纤维兴奋的纤维 1.3 - 2.0 1.3 - 2.0 类（类（ A A） 2.0 - 2.5 2.0 - 2.5 类（类（ A A）达最大值达最大值 5.0 5.0 类（类（A A） 达最大值达最大值 5.05.0以上以上 类开始兴奋类开始兴奋弱刺激：兴奋弱刺激：兴奋类纤维，以类纤维，以A A出现为出现为1T1T 3.0 3.0 6.0 A 6.0 A 10.0 10.0 所有的有髓纤维所有的有髓纤维 15.0-20.0 C15.0-20.0 C局麻药（可优先阻断细纤维）局麻药（可优先阻断细纤维） 分级强度刺分级强度刺激激 粗纤

16、维对压迫、缺血、缺氧、冷冻或某些药物敏感，粗纤维对压迫、缺血、缺氧、冷冻或某些药物敏感，用上述方法将粗纤维阻断后用上述方法将粗纤维阻断后 分级强度刺激分级强度刺激随着刺激强度的增加，阈值较高的纤维兴奋的同时，可使随着刺激强度的增加，阈值较高的纤维兴奋的同时，可使全部粗纤维兴奋。故该法只能选择性兴奋较粗的有髓纤维全部粗纤维兴奋。故该法只能选择性兴奋较粗的有髓纤维：利用轴突的不应期利用轴突的不应期, ,刺激特定的细纤维刺激特定的细纤维1.1.条件刺激强度：达到使全部粗纤维都兴奋的程度条件刺激强度：达到使全部粗纤维都兴奋的程度2.2.检验刺激强度：除兴奋全部粗纤维外，还应兴奋检验刺激强度：除兴奋全部

17、粗纤维外，还应兴奋 一种以上细纤维一种以上细纤维 (A(A,C,C) )3.3.调节调节2 2个脉冲间隔并逐渐缩短个脉冲间隔并逐渐缩短, ,使检验刺激出现在使检验刺激出现在 条件刺激引起的全部粗纤维兴奋的不应期内条件刺激引起的全部粗纤维兴奋的不应期内, ,此时此时 原来由检验刺激兴奋的粗纤维均不出现反应原来由检验刺激兴奋的粗纤维均不出现反应, ,只剩只剩 下原有检验刺激兴奋的粗纤维成分下原有检验刺激兴奋的粗纤维成分 选择性兴选择性兴 奋细纤维奋细纤维. .顺向刺激与记录顺向刺激与记录S S顺顺R R逆向刺激与记录逆向刺激与记录R RS S逆逆逆向反应的特点逆向反应的特点: :1.1.相对恒定的

18、潜伏期相对恒定的潜伏期; ;2.2.可跟随高频电刺激可跟随高频电刺激; ;3.3.碰撞实验是检验逆向碰撞实验是检验逆向 反应的标准反应的标准. .问题问题: :如传导距离相等如传导距离相等, ,纤维类别相同纤维类别相同, ,顺向反应与逆顺向反应与逆 向反应的潜伏期是否有差别向反应的潜伏期是否有差别? ?S1S1S2S2R R 如果如果S1S1与与S2S2不同时到达记录点不同时到达记录点, ,可分别记录出顺向反应可分别记录出顺向反应与逆向反应与逆向反应. . 调节调节S1S1与与S2S2间隔间隔, ,使顺向刺激与逆向刺激引起的反应在使顺向刺激与逆向刺激引起的反应在同一记录部位相撞时同一记录部位相

19、撞时, ,反应消失反应消失. .用途用途: :研究研究CNSCNS内两点间的机能联系内两点间的机能联系特点特点: :1.1.研究神经元之间联系的同时观察其电生理学特性研究神经元之间联系的同时观察其电生理学特性 2.2.研究刺激部位与记录部位之间的机能联系研究刺激部位与记录部位之间的机能联系 3.3.简便易行简便易行粗纤维可跟随高达粗纤维可跟随高达 50Hz 50Hz 频率的刺激频率的刺激( (刺激反应一一对应刺激反应一一对应),),50Hz 50Hz 刺激可阻滞传导速度较慢的刺激可阻滞传导速度较慢的A A类纤维类纤维(A(A),),10-20Hz10-20Hz时时 C C纤维被阻滞纤维被阻滞.

20、 . 阳极下可兴奋组织地静息电位远离阈电位阳极下可兴奋组织地静息电位远离阈电位, ,不易引起动作电位不易引起动作电位, ,使神经冲动受阻使神经冲动受阻. . 阳极下的粗纤维更容易超极化阳极下的粗纤维更容易超极化. .方法方法在可控制直流电作用下在可控制直流电作用下, ,随着电流强度的增加随着电流强度的增加, ,受阻滞的受阻滞的神经纤维按照以下顺序先后受阻神经纤维按照以下顺序先后受阻: :50 - 50050 - 500AAA A A A A A 不足不足:1):1)神经纤维有快速损伤的危险神经纤维有快速损伤的危险( (直流电热效应与直流电热效应与 电解效应电解效应) ) 2) 2)断电时出现阳

21、极兴奋断电时出现阳极兴奋改进改进:1):1)选用阴极选用阴极, ,阳极位置倒换的短脉冲电流阳极位置倒换的短脉冲电流 2)2)选用前沿陡选用前沿陡, ,后沿呈指数下降的三角波后沿呈指数下降的三角波 3)3)选用三级电极选用三级电极( (两端为阳极两端为阳极, ,中间为阴极中间为阴极) )传统方法传统方法: :在预备刺激的脊髓索上放置刺激电极在预备刺激的脊髓索上放置刺激电极, ,同时将同时将 与其相邻的索在刺激电极的尾侧端给予横断与其相邻的索在刺激电极的尾侧端给予横断, , 使兴奋不能沿无关的索或束下行使兴奋不能沿无关的索或束下行. .头端头端尾端尾端DLF DC DLFDLF DC DLF 刺激

22、电极刺激电极横切横切1)1)控制刺激电流强度控制刺激电流强度2)2)使用同心圆电极使用同心圆电极3)3)应用单极刺激应用单极刺激4)4)应用隔离制备方法应用隔离制备方法 A:A:横切制备横切制备 B:B:用塑料薄膜或云母片将用塑料薄膜或云母片将DCDC与与DLFDLF隔离隔离在脊髓在脊髓, ,中枢脑部经立体定位中枢脑部经立体定位, ,可用微刺激兴奋或损可用微刺激兴奋或损毁局部神经组织毁局部神经组织. .刺激电极刺激电极: : 10 - 15m10 - 15m金属微电极金属微电极( (电极干绝缘电极干绝缘) ) 玻璃微电极玻璃微电极( (内含钨丝内含钨丝, ,尖端裸露尖端裸露) )刺激刺激: :

23、 弱电流弱电流(100 (100 A)A) 单脉冲单脉冲: :可直接兴奋神经元可直接兴奋神经元 串脉冲串脉冲: :可直接兴奋神经元可直接兴奋神经元, ,也可经突触兴奋也可经突触兴奋 神经元神经元. . 方法方法: : 应用多管微电极应用多管微电极 多管微电极多管微电极给予电流刺激给予电流刺激记录电反应记录电反应平衡或给药平衡或给药注意事项注意事项: : 1) 1) 被刺激细胞体积应足够大被刺激细胞体积应足够大 2) 2) 电极尖端较粗电极尖端较粗, ,易损伤细胞易损伤细胞19391939年年: :分级强度刺激时分级强度刺激时,AP,AP潜伏期随刺激强度增加而缩短潜伏期随刺激强度增加而缩短; ;

24、19441944年年: :分离坐骨神经标本分离坐骨神经标本(5(5根纤维根纤维) )发现发现 1.2T1.2T刺激刺激 为为15.015.0mm纤维出现纤维出现AP (1)AP (1) 2.0T 2.0T刺激刺激 为为9.59.5mm纤维出现纤维出现AP (2)AP (2) 3.0T 3.0T刺激刺激 为为8.08.0mm纤维出现纤维出现AP (1)AP (1) 10.0T 10.0T刺激刺激 为为4.04.0mm纤维出现纤维出现AP (1)AP (1): :上述逐次被兴奋的纤维上述逐次被兴奋的纤维, ,特别是粗纤维特别是粗纤维APAP的潜伏期随着的潜伏期随着 细纤维细纤维APAP的出现而向前

25、移动的出现而向前移动, ,即随着刺激强度增大即随着刺激强度增大, ,粗粗 纤维纤维APAP潜伏期缩短潜伏期缩短. .: : 传导速度与纤维直径成正比例的变化传导速度与纤维直径成正比例的变化. .刺激强度增大刺激强度增大 电流向更远距离扩散电流向更远距离扩散 刺激的刺激的 有效兴奋点由原来的阴极下逐渐向纪录电极处移动有效兴奋点由原来的阴极下逐渐向纪录电极处移动 刺激电极与记录电极之间距离缩短刺激电极与记录电极之间距离缩短 潜伏期变短潜伏期变短 V=V=S ST T1979:Mayer1979:Mayer记录下丘脑腹内侧核对刺激中脑中央灰质记录下丘脑腹内侧核对刺激中脑中央灰质 引起的逆向反应中发现

26、引起的逆向反应中发现. .随着刺激强度增大随着刺激强度增大, ,逆向逆向 反应的潜伏期可缩短或向前跳跃反应的潜伏期可缩短或向前跳跃, ,最大可达最大可达9.8ms.9.8ms. 将此种发生在神经元上将此种发生在神经元上APAP潜伏期缩短的现象称为潜伏期缩短的现象称为“潜伏期跳跃潜伏期跳跃”. .1)1)电流扩散使刺激电极与记录电极间距离缩短电流扩散使刺激电极与记录电极间距离缩短; ; 2) 2)刺激部位神经元轴突侧支有不同的阈值刺激部位神经元轴突侧支有不同的阈值. . 在大鼠在体制备上发现在大鼠在体制备上发现, ,刺激强度增加时刺激强度增加时, ,不仅出现不仅出现潜伏期缩短潜伏期缩短, ,还可

27、出现还可出现2-72-7个附加的锋电位个附加的锋电位. . ) )电流扩散电流扩散 刺激点与记录点距离缩短刺激点与记录点距离缩短; ; 2) 2)电流扩散并兴奋其他传入纤维电流扩散并兴奋其他传入纤维 引起附加引起附加 APAP 在在 CNS CNS 中发现中发现, ,给予重复电刺激给予重复电刺激(1-20Hz),(1-20Hz),还可出现潜还可出现潜 伏期逐渐延长的现象伏期逐渐延长的现象, ,称称“潜伏期漂移潜伏期漂移”(latency drifting).(latency drifting).可能与兴奋后抑制的逐渐积累有关可能与兴奋后抑制的逐渐积累有关. .应用单极刺激电极应用单极刺激电极:

28、 : 有效刺激距离与阈电流强度之间关系为有效刺激距离与阈电流强度之间关系为CNSCNS内有髓纤维与刺激电极距离越远内有髓纤维与刺激电极距离越远, ,阈值越高阈值越高; ;统一距离情况下统一距离情况下, ,纤维传导速度越快纤维传导速度越快, ,阈值越低阈值越低. .刺激电流有效扩散半径与电极种类和电极尖端大小有关刺激电流有效扩散半径与电极种类和电极尖端大小有关单极电极单极电极: :有效扩散半径最大有效扩散半径最大双极电极双极电极: :有效扩散半径次之有效扩散半径次之同心圆电极同心圆电极: :有效扩散半径最小有效扩散半径最小10m10m的单极刺激电极的单极刺激电极: : 10 10 AA短脉冲短脉

29、冲, ,扩散范围为扩散范围为150 150 mm内有髓纤维内有髓纤维 100 100 AA短脉冲短脉冲, ,扩散范围为扩散范围为500500mm内有髓纤维内有髓纤维刺激电极位于神经组织深部刺激电极位于神经组织深部, ,其尖端完全被神经组织其尖端完全被神经组织 包裹包裹, ,刺激电流以辐射形式向所有方向以球形扩散刺激电流以辐射形式向所有方向以球形扩散; ;刺激电极位于神经组织表面刺激电极位于神经组织表面, ,刺激电流以半球状对称刺激电流以半球状对称 流动流动最容易兴奋的部位是有髓纤维朗飞氏结最容易兴奋的部位是有髓纤维朗飞氏结,0.1,0.1AA即可即可 将其兴奋将其兴奋, ,故刺激电流扩散取决于

30、电极与朗飞氏结的故刺激电流扩散取决于电极与朗飞氏结的 距离距离1.1. 电刺激技术是发展中技术电刺激技术是发展中技术; ;2.2. 电刺激方法存在局限性电刺激方法存在局限性; ;3.3. 电刺激是一个单调的非特异刺激电刺激是一个单调的非特异刺激, ,只能刺激只能刺激 已有的机能已有的机能, ,却无法创造新的机能却无法创造新的机能; ;4. 4. 应正确使用电刺激技术应正确使用电刺激技术, ,避免滥用避免滥用. .神经系统活动的最基本或唯一的神经系统活动的最基本或唯一的直接表现形式直接表现形式5050年代年代： 微电极技术微电极技术细胞水平细胞水平7070年代年代： 膜片钳技术膜片钳技术分子水平

31、分子水平生物体生物体SR放大器放大器生物放大器生物放大器微电极放大器微电极放大器膜片钳放大器膜片钳放大器示波器示波器记录仪记录仪计算机计算机显示和显示和记录装置记录装置 粗电极记录：整体水平粗电极记录：整体水平 微电极记录：细胞、通道水平微电极记录：细胞、通道水平 在体记录：在体记录： 整体水平、细胞、通道水平整体水平、细胞、通道水平 离体记录：离体记录： 生物体可兴奋细胞生物体可兴奋细胞周围组织间液：周围组织间液： 具有长、宽、厚三维具有长、宽、厚三维空间容积导体。空间容积导体。如果没有电流在容积导体内流动，容积导体如果没有电流在容积导体内流动，容积导体各处的电位是相等的。各处的电位是相等的

32、。 只有当可兴奋细胞传导冲动时才有电流在细胞间只有当可兴奋细胞传导冲动时才有电流在细胞间 流动。活动区与不活动区之间才会出现电位差。流动。活动区与不活动区之间才会出现电位差。 由于细胞间液里含有导电性能的电解质，所以脑内某由于细胞间液里含有导电性能的电解质，所以脑内某些神经元活动产生的电流变化，往往影响整个中枢神经些神经元活动产生的电流变化，往往影响整个中枢神经系统所发生的电变化，即在整个容积导体的范围内可以系统所发生的电变化，即在整个容积导体的范围内可以引导到电反应。引导到电反应。脑电波记录部位在头皮，脑电波记录部位在头皮，电位发生在颅内。电位发生在颅内。容积导体容积导体 许多在体的电生理记

33、录方法已成为独立的临床诊断手段，许多在体的电生理记录方法已成为独立的临床诊断手段，如心电图、脑电图、肌电图等。如心电图、脑电图、肌电图等。通过容积导体的电记录通过容积导体的电记录R1电场+-R2远离电场，即容积导体内相对远离电场，即容积导体内相对不活跃的部位，活动组织产生不活跃的部位，活动组织产生的电场影响之外的部位的电场影响之外的部位无无关电极或参考电极，该处的电关电极或参考电极，该处的电位相当于位相当于零零电位。电位。置组织活动时置组织活动时产生的电场中产生的电场中测试电极测试电极测试电极近电源处测试电极近电源处正电位正电位测试电极近电汇处测试电极近电汇处负电位负电位测试电极距离电源或电汇

34、越近，电位数值越大；测试电极距离电源或电汇越近，电位数值越大；测试电极距离电源或电汇越远，电位数值越小。测试电极距离电源或电汇越远，电位数值越小。真正的正电位与负电位只能用单极引导才能得到。真正的正电位与负电位只能用单极引导才能得到。R1R2：两个记录电极均放在组织两个记录电极均放在组织活动时所产生的电场当中活动时所产生的电场当中所测得的电位表示两电极所测得的电位表示两电极之间的电位差，两个电极之间的电位差，两个电极的相对位置越近，电位差的相对位置越近，电位差越小。越小。电场电场1.1.肌电图（肌电图（Electromyogram,EMGElectromyogram,EMG） 在活体内，当肌肉

35、收缩时，动作电位可从肌纤维经组在活体内，当肌肉收缩时，动作电位可从肌纤维经组织的导电作用反映至皮肤表面。在皮肤表面放两个金属电织的导电作用反映至皮肤表面。在皮肤表面放两个金属电极或将针电极直接刺入肌肉内，可记录到肌肉活动时的动极或将针电极直接刺入肌肉内，可记录到肌肉活动时的动作电位。这种记录称作作电位。这种记录称作肌电图肌电图。测定整个测定整个 运动系统运动系统 功能的一种手段功能的一种手段上运动神经元上运动神经元（皮质）（皮质）下运动神经元下运动神经元（前角细胞和神经轴索）（前角细胞和神经轴索）神经肌肉接头神经肌肉接头肌肉肌肉：1 1）针型电极（常用）针型电极（常用）2 2）表面电极）表面电

36、极EMGEMG测定一般分测定一般分4 4个观察步骤：个观察步骤：1 1）插入电位）插入电位2 2）静息期）静息期3 3）MUPMUP4 4）募集电位）募集电位 当针电极插入正常肌肉时，在大部分情况下，当针电极插入正常肌肉时，在大部分情况下，只在针电极插入或移动瞬间出现一些持续时间很只在针电极插入或移动瞬间出现一些持续时间很短的电位变化，称为插入电位。针电极移动一停短的电位变化，称为插入电位。针电极移动一停止，插入电位即消逝。这是针电极对肌纤维或神止，插入电位即消逝。这是针电极对肌纤维或神经分支的机械刺激及损伤作用所引发的电位。经分支的机械刺激及损伤作用所引发的电位。当发现插入电位活动明显当发现

37、插入电位活动明显减少或缺无的插入电位时减少或缺无的插入电位时提示肌纤维数量减少提示肌纤维数量减少（严重肌萎缩或肌纤维化）（严重肌萎缩或肌纤维化）* *这时先排除技术性原因：导线破裂、插入这时先排除技术性原因：导线破裂、插入不够深使针停留在皮下脂肪内等不够深使针停留在皮下脂肪内等 。当发现插入电位延长当发现插入电位延长提示肌肉的易激惹提示肌肉的易激惹或肌膜的不稳定或肌膜的不稳定（失神经状态、肌强直、肌炎）（失神经状态、肌强直、肌炎）观察肌肉在不收缩时（完全放松）是否有异常活动。观察肌肉在不收缩时（完全放松）是否有异常活动。 当神经、肌肉有疾患时，在肌肉放松时，会出现当神经、肌肉有疾患时，在肌肉放

38、松时，会出现异常的电位发放。自发性电位包括纤颤电位、正锐波、异常的电位发放。自发性电位包括纤颤电位、正锐波、束颤电位、肌蠕颤放电及复合性重复放电。最常见的束颤电位、肌蠕颤放电及复合性重复放电。最常见的为纤颤电位、束颤电位。为纤颤电位、束颤电位。1 1、纤颤电位：、纤颤电位： 肌纤维自发性收缩产生的电位（电压肌纤维自发性收缩产生的电位（电压300300v,v,持续时间大多持续时间大多20ms, 20ms, 频率频率2-102-10次次/ /秒）。秒）。 下运动神经元病变所致下运动神经元病变所致,脊髓前角细胞及周围神经脊髓前角细胞及周围神经发生病变时，肌肉失去神经支配出现肌肉纤维颤动时发生病变时，

39、肌肉失去神经支配出现肌肉纤维颤动时产生的电位。产生的电位。 束颤电位是在肌肉放松时产生的运动单位自发发束颤电位是在肌肉放松时产生的运动单位自发发 放电位。是由同一神经元所支配的全部或部分肌纤维放电位。是由同一神经元所支配的全部或部分肌纤维 兴奋产生的电位。兴奋产生的电位。 波幅：波幅：2-102-10mv; mv; 持续持续时间可达时间可达 2-302-30ms ;ms ; 发放发放频率：几分钟一次至每秒数十次。频率：几分钟一次至每秒数十次。 束颤电位本身不能确定为异常，只有同时发现纤束颤电位本身不能确定为异常，只有同时发现纤颤电位等才有肯定的病理意义。是运动神经元病（如颤电位等才有肯定的病理

40、意义。是运动神经元病（如脊髓前角灰质炎）和神经根疾患的主要表现。脊髓前角灰质炎）和神经根疾患的主要表现。肌肉轻度用力收缩时，只有一个或几个运动单位参加肌肉轻度用力收缩时，只有一个或几个运动单位参加收缩，肌电图上呈现孤立、有一定频率和间隔的单个收缩，肌电图上呈现孤立、有一定频率和间隔的单个运动单位电位，电压较低。也称单纯相（图）。运动单位电位，电压较低。也称单纯相（图）。 MUMU是是随意收缩最小的功能单位。神经和肌肉发生随意收缩最小的功能单位。神经和肌肉发生病变时会影响到肌肉的结构和功能，病变时会影响到肌肉的结构和功能， MUPMUP可反映其变可反映其变化化。 大力收缩时引出大力收缩时引出。

41、参加收缩的运动单位数量和发放频率有所增加，有参加收缩的运动单位数量和发放频率有所增加，有些区域电位密集不能分离出单个电位，些区域电位密集不能分离出单个电位， 有些区域仍可见有些区域仍可见单个运动单位，称混合相（图单个运动单位，称混合相（图B B）。）。 最大力收缩时，无法分辨出单个运动单位电位电压最大力收缩时，无法分辨出单个运动单位电位电压 显著升高，不同振幅与频率的运动单位的电位参差重叠，显著升高，不同振幅与频率的运动单位的电位参差重叠， 称干扰相（图称干扰相（图A A）。）。： 人类或脊椎动物在安静情况下，即使没有任何特人类或脊椎动物在安静情况下，即使没有任何特定的刺激，在脑表面也能记录到

42、持续节律性的电位变定的刺激，在脑表面也能记录到持续节律性的电位变化，这种电位变化称为脑的自发电活动或脑电图。化，这种电位变化称为脑的自发电活动或脑电图。频率频率(Hz) 波幅波幅( V) 部位部位节律节律 813 20100 枕及顶部枕及顶部 节律节律 1430 520 额及颞部额及颞部在异常情况下，可发放其它慢频率的波型：在异常情况下，可发放其它慢频率的波型： 波波 47 （正常脑电图也可出现少量的（正常脑电图也可出现少量的 波波 ） 波波 0.53 棘波、尖波、棘棘波、尖波、棘-慢波或尖慢波或尖-慢复合波慢复合波根据脑电波的频率、波幅、波型、发作性发放及位相关系根据脑电波的频率、波幅、波型

43、、发作性发放及位相关系确定是否异常。确定是否异常。单极引导（单极引导（monopolar leadmonopolar lead）：）：一个引导电极与一个参考电极（通常放在一侧耳垂上）一个引导电极与一个参考电极（通常放在一侧耳垂上）之间的电位差。之间的电位差。双极引导（双极引导（Bipolar leadBipolar lead）：）：引导一对电极间的电位变化。引导一对电极间的电位变化。 把引导电极直接放在大脑皮层表面记录其自发和诱发电把引导电极直接放在大脑皮层表面记录其自发和诱发电活动，所得图形称皮层电图（活动，所得图形称皮层电图（ECoG).ECoG). 一般直接从皮层记录的电位要比从头皮记录

44、的电位大一般直接从皮层记录的电位要比从头皮记录的电位大1010倍。倍。 脑部的弥漫或局限损害脑部的弥漫或局限损害; ; 癫痫、脑炎、肿瘤及脑血管疾病诊断癫痫、脑炎、肿瘤及脑血管疾病诊断. . 50% 50%以上的癫痫患者，在发作间期有异常脑电活动，以上的癫痫患者，在发作间期有异常脑电活动，出现棘波、尖波、棘出现棘波、尖波、棘- -慢复合波或爆发性节律等病理波。慢复合波或爆发性节律等病理波。 部分癫痫患者，在发作的间歇期脑电图上不出现部分癫痫患者，在发作的间歇期脑电图上不出现 痫性放电，可用过度换气、闪光刺激、睡眠等诱发方痫性放电，可用过度换气、闪光刺激、睡眠等诱发方 法，使潜在的异常波呈现，即

45、诱发试验。法，使潜在的异常波呈现，即诱发试验。诱发电位记录技术诱发电位记录技术19131913年年: :感觉机能的中枢定位感觉机能的中枢定位;神经元之间连接及投射关系神经元之间连接及投射关系.计算机应用计算机应用: :平均诱发电位技术平均诱发电位技术( (临床应用临床应用) ) 诱发电位亦称为场电位，它不是单细胞放电，而诱发电位亦称为场电位，它不是单细胞放电，而 主要由许多突触后电位总和而成。主要由许多突触后电位总和而成。 诱发电位是与自发电位相对而言，常常出现在自发电诱发电位是与自发电位相对而言，常常出现在自发电位的背景上。应用计算机可以把在发生时间上不规则的自位的背景上。应用计算机可以把在

46、发生时间上不规则的自发脑电经过叠加相互抵消为一条平坦的线，而把有一定潜发脑电经过叠加相互抵消为一条平坦的线，而把有一定潜伏期的诱发电位突出出来。伏期的诱发电位突出出来。1 1）潜伏期）潜伏期： 诱发电位的出现与给予刺激之间有一定的时间关系，诱发电位的出现与给予刺激之间有一定的时间关系，即诱发电位必有一定的潜伏期即诱发电位必有一定的潜伏期。 不同感觉系统的反应型式可以不同。例如听觉的皮层不同感觉系统的反应型式可以不同。例如听觉的皮层诱发电位诱发电位, 视觉的皮层诱发电位。视觉的皮层诱发电位。 同一系统中反应型式相同。如在听系统，刺激蜗神经同一系统中反应型式相同。如在听系统，刺激蜗神经或刺激斜方体

47、在皮层记录到的诱发电位都是相同的或刺激斜方体在皮层记录到的诱发电位都是相同的。 诱发电位在脑内有一定的分布，即刺激外周某一部诱发电位在脑内有一定的分布，即刺激外周某一部位，诱发电位只限于中枢神经系统的一定部位（指主反位，诱发电位只限于中枢神经系统的一定部位（指主反应）应）点对点传导。点对点传导。 刺激伪迹对测定诱发电位的潜伏期起到标记的作刺激伪迹对测定诱发电位的潜伏期起到标记的作用。但伪迹过大可掩盖诱发电位，甚至在没有诱发电用。但伪迹过大可掩盖诱发电位，甚至在没有诱发电位的情况下，将伪迹误认为诱发电位位的情况下，将伪迹误认为诱发电位。 简单的鉴别方法：将刺激电流的极性倒转，因伪简单的鉴别方法：

48、将刺激电流的极性倒转，因伪迹是一种物理现象，它必定会因极性倒转而倒转；而迹是一种物理现象，它必定会因极性倒转而倒转；而诱发电位是由电流刺激所引起的生理反应，它不会因诱发电位是由电流刺激所引起的生理反应，它不会因刺激电流极性的改变而改变。刺激电流极性的改变而改变。 经视网膜给予视觉刺激时，在两侧后头部（枕叶皮层）记录到的电位变化。 短声刺激时在头皮上记录到的听觉诱发电位。短声刺激时在头皮上记录到的听觉诱发电位。 早成分早成分( (前前5050msms） 前前1010msms内内几个波形几个波形（远场电位或脑干电位）（远场电位或脑干电位） 听神经、脑干电活动。听神经、脑干电活动。其后其后1212m

49、s-50msms-50ms的的波形波形（中潜伏期电位）：（中潜伏期电位）：丘脑非特异核团、内侧丘脑非特异核团、内侧膝状体、听皮质电活动。膝状体、听皮质电活动。按潜伏期长短分为按潜伏期长短分为: :晚成分（晚成分（100100msms以后以后）： 反映大脑皮层投射区活动的电位。反映大脑皮层投射区活动的电位。 N100N100负波负波: : 波幅高，易于识别波幅高，易于识别. . 临床上可作为临床上可作为测定听阈测定听阈及诊断疾病的指标。及诊断疾病的指标。 但但“晚成分晚成分” ” 易受觉醒和注意力的影响。易受觉醒和注意力的影响。记录方法记录方法: :引导多采用单极引导法，引导电极置于引导多采用单

50、极引导法，引导电极置于10/2010/20法法的头顶的头顶CzCz部位，参考电极置于乳突部相当于部位，参考电极置于乳突部相当于A1A1部部位。也可采用位。也可采用C3-A2C3-A2，C4-A2C4-A2。 给予皮肤感受野或外周神经刺激，在刺激的对给予皮肤感受野或外周神经刺激，在刺激的对侧大脑皮层躯体感觉区记录到的大脑皮层电活动。侧大脑皮层躯体感觉区记录到的大脑皮层电活动。 刺激外周神刺激外周神经躯体感觉传人经躯体感觉传人神经时，在脊髓神经时，在脊髓背表面记录到的背表面记录到的电位变化。该电电位变化。该电位由一个位由一个峰电位峰电位，一个一个高幅负相电高幅负相电位位和一个和一个低幅、低幅、长持

51、续期的正电长持续期的正电位位所组成。所组成。峰电位峰电位: :是脊髓内传导速度最快的初级传人纤维是脊髓内传导速度最快的初级传人纤维 的动作电位；的动作电位；慢的负向电位慢的负向电位: :代表背角中间神经元的活动，紧随负向代表背角中间神经元的活动，紧随负向电位之后的正向电位是初级传人末梢去极化在脊髓背表电位之后的正向电位是初级传人末梢去极化在脊髓背表面的一种反映。面的一种反映。 脊髓背表面电位在全身麻醉无法观察体征时，可脊髓背表面电位在全身麻醉无法观察体征时，可一定程度上反映的脊髓功能情况，麻醉对其几乎无任一定程度上反映的脊髓功能情况，麻醉对其几乎无任何影响。何影响。 通常在细胞外记录得到一个短

52、暂的双相峰波通常在细胞外记录得到一个短暂的双相峰波（正（正- -负）。有时可能记录到单相的正峰电位，甚负）。有时可能记录到单相的正峰电位，甚至可记录到三相电位（正至可记录到三相电位（正- -负负- -正）。正）。 在细胞外得到的电位比细胞内记录小很多，因为在细胞外得到的电位比细胞内记录小很多，因为信号被低电阻的细胞外通路分流所致。一般为信号被低电阻的细胞外通路分流所致。一般为0.1-0.1-20mv20mv变化变化, 5 % 5 % 。判断一个动作电位是属于判断一个动作电位是属于一个或几个神经元的标准：一个或几个神经元的标准： 动作电位的形状和振幅。动作电位的形状和振幅。鉴别方法鉴别方法：放电

53、在形状和振幅是相同的放电在形状和振幅是相同的在不同程度或不同组织刺激下发生全或无的变化在不同程度或不同组织刺激下发生全或无的变化 在刺激作用下有一定的潜伏期和特有的发放次在刺激作用下有一定的潜伏期和特有的发放次序序放电属放电属于同一于同一神经元神经元锋电位的锋电位的形状和极形状和极性取决于性取决于微电极与活动神经元之间的距离微电极与活动神经元之间的距离微电极与神经元各部分的相对位置微电极与神经元各部分的相对位置锋电位的时程锋电位的时程: 1.0-1.5ms : 1.0-1.5ms 与胞体的兴奋有关；与胞体的兴奋有关； 0.5ms 0.5ms 与轴突的兴奋有关；与轴突的兴奋有关； 15-20ms

54、 15-20ms 与树突的兴奋有关。与树突的兴奋有关。 细胞内记录细胞内记录: 可获得细胞在静息期与活动期有关膜电可获得细胞在静息期与活动期有关膜电 位变化的定量的资料。位变化的定量的资料。 膜电位膜电位 突触电位突触电位 动作电位动作电位1 1）稳定性）稳定性：两方面两方面机械运动（如实验台）机械运动（如实验台）动物体运动（如呼吸）动物体运动（如呼吸）微电极和所插入的细胞之间的相对位移不能超过微电极和所插入的细胞之间的相对位移不能超过几个几个 m m，才能持久地记录细胞内电位。，才能持久地记录细胞内电位。玻璃微电极玻璃微电极金属电极（钢、钨等）：金属电极（钢、钨等）：（1 1）玻璃微电极：）

55、玻璃微电极：硬质玻璃管拉制的玻璃微管硬质玻璃管拉制的玻璃微管尖端直径尖端直径 = = 或或1 1m m3 mol/L KCL导电性：微电极内充灌盐溶液导电性：微电极内充灌盐溶液玻璃微电极玻璃微电极2%旁安天蓝旁安天蓝0.5 mol /L 醋酸钠（醋酸钠（PH 7.7） 标记电极尖端位置标记电极尖端位置通阴极电流通阴极电流210A/min铂丝铂丝微电极电阻：微电极电阻：520 M 电阻过小：电阻过小： 1-2M 表示电极尖端可能折断；表示电极尖端可能折断；电阻过大：电阻过大： 20 M 表示电极中可能有气泡。表示电极中可能有气泡。细胞内记录：细胞内记录： 10-20 M 细胞外记录：细胞外记录：

56、5-6 M （2）金属微电极：）金属微电极：优点：电阻低，机械强度高。常用作慢性埋藏电极。优点：电阻低，机械强度高。常用作慢性埋藏电极。 制作较复杂，常用钢、钨（直径制作较复杂，常用钢、钨（直径0.230.25mm）, 其中钨丝金属微电极较为常用。其中钨丝金属微电极较为常用。离子通道离子通道细胞膜细胞膜离子流离子流形成动作电位的基础形成动作电位的基础+ + + +- - - -膜电位膜电位电压钳技术电压钳技术维持在一个固定水平维持在一个固定水平了解各种离子在细胞活动过程中的跨膜规律了解各种离子在细胞活动过程中的跨膜规律将欲研究的单一离子流从众多复合的离子流中分流出来将欲研究的单一离子流从众多复

57、合的离子流中分流出来电压钳：定量测定细胞兴奋时的离子电流的方向、振幅和时程。电压钳：定量测定细胞兴奋时的离子电流的方向、振幅和时程。电压钳是通过控制膜电流研究离子通道电压钳是通过控制膜电流研究离子通道. .1 1) )不能测定单一通道电流不能测定单一通道电流, ,因为钳制的膜面积因为钳制的膜面积 较大较大, ,包含大量随机开放或关闭的离子通道包含大量随机开放或关闭的离子通道; ; 且背景噪音大且背景噪音大, ,可掩盖单一通道的电流可掩盖单一通道的电流; ;2)2)对体积较小的细胞进行此实验技术上有困难对体积较小的细胞进行此实验技术上有困难 ( (单个细胞上需放置两根电极单个细胞上需放置两根电极

58、).). 2020世纪世纪6060年代年代, Hodgkin , Hodgkin 和和 Huxley Huxley 利用枪乌贼巨大轴利用枪乌贼巨大轴突，分析了动作电位的产生，并在此基础上建立了突，分析了动作电位的产生，并在此基础上建立了NaNa+ + 、K K+ + 通道模型。通道模型。 1972年：年：Katz在对神经肌肉接头后膜的研究中，记录到在对神经肌肉接头后膜的研究中，记录到 n型型Ach受体（受体（nAchR）离子通道的电导、平均）离子通道的电导、平均 开放时间和开放频率。开放时间和开放频率。1976年：年：Neher和和Sakman用膜片钳技术记录到用膜片钳技术记录到nAchR单个

59、单个 离子通道电流，并因此获离子通道电流，并因此获1991年度诺贝尔奖。年度诺贝尔奖。1981年：年：Miledi将生物合成的将生物合成的nAchR的的cRNA注射到非洲注射到非洲 爪蟾的卵母细胞中，在卵母细胞膜上表达出这爪蟾的卵母细胞中，在卵母细胞膜上表达出这 种离子通道的受体。种离子通道的受体。1983- Numa用重组用重组DNA克隆技术，确定了分子量为克隆技术，确定了分子量为 1984： 20余万的电鱼电器官的余万的电鱼电器官的nAchR和和Na+通道的全通道的全 一级结构。一级结构。 记录单通道电流的膜片钳技术记录单通道电流的膜片钳技术 1. 细胞密着式细胞密着式 (cell-att

60、ached) 将电极尖端以将电极尖端以 G 封接在细胞表面，记录被封在电极封接在细胞表面，记录被封在电极 尖端口下的膜片中的离子通道的电流。尖端口下的膜片中的离子通道的电流。Neher和和Sakman 使用这种方法首次记录到了使用这种方法首次记录到了nAchR 单通道电流。单通道电流。2. 膜内向外式膜内向外式 (inside-out) 在细胞密着式在细胞密着式 基础上，再将电极拉开，使之与胞体脱基础上，再将电极拉开，使之与胞体脱 离，即记录封在电极尖端口下的膜片中的离子通道电离，即记录封在电极尖端口下的膜片中的离子通道电 流。流。 3. 全细胞记录全细胞记录 (whole-cell reco