德国单通道膜片钳电生理技术

膜片钳技术是神经科学领域非常重要的一项技术，1976年由国马普生物物理研究所Neher和Sakmann发明，从而在活细胞上记录到单个离子通道的电流。近半个世纪来，膜片钳技术已经成为神经科学领域较常用也是较实用的技术之一，具有极大的精确性和灵活性，能够揭示离子通道，单细胞突触反应，及神经环路连接等多层次的电生理特性。做过膜片钳的人都知道，膜片钳的信号采集设备一般由前置放大器，放大器，模数/数模转换器等构成，神经元电信号先通过前置放大器（headstage）初步放大，后传输入放大器进一步放大，再传入模数转换器转化为数字信号，后被计算机采集。下图显示的是我们较常使用的AXON和HEKA膜片钳的一个信号传输路径。通过膜片钳放大器的控制键将微电极的连接电位（junction potentials）调至零位。德国单通道膜片钳电生理技术

膜片钳放大器的工作模式;（1）电压钳模式∶在钳制细胞膜电位的基础上改变膜电位，记录离子通道电流的变化，记录的是诸如通道电流;EPSC;IPSC等电流信号。是膜片钳的基本工作模式.（2）屯流钳素向细胞内注入刺激电流，记录膜电位对刺激电流的反应。记录的是诸如动作电位，EPSP;IPSP等电压信号。膜片钳技术实现膜电位固定的关键是在玻璃微电极前列边缘与细胞膜之间形成高阻（10GΩ）密封，使电极前列开口处相接的细胞膜片与周围环境在电学上隔离，并通过外加命令电压钳制膜电位。美国全自动膜片钳专题在膜电位改变时，在电场的作用下，重新分布导致通道的关闭，同时有电荷移动，称为门控电流。

电压钳技术，是20世纪初由Cole发明，Hodgkin和Huxley完善，其设计的主要目的是为了证明动作电位的产生机制，即动作电位的峰电位是由于膜对钠的通透性发生了一过性的增大过程。但当时没有直接测定膜通透性的方法，于是就用膜对某种离子的电导来**该种离子的通透性，膜电导测定的依据是电学中的欧姆定律，如膜的Na电导GNa与电化学驱动力（Em-ENa）和膜电流INa的关系GNa=INa/（Em-ENa）.因此可通过测量膜电流，再利用欧姆定律来计算膜电导，但是，利用膜电流来计算膜电导时，记录膜电流期间的膜电位必须保持不变，否则膜电流的变化就不能**膜电导的变化。这一条件是利用电压钳技术实现的。下张幻灯中的右边两张图是Hodgkin和Huxley在半个世纪以前利用电压钳记录的抢乌贼的动作电位和动作电位过程中的膜电流的变化图，他们的实验***证明参与动作电位的离子流由Na，k，漏（Cl）三种成分组成。并对这些离子流进行了定量分析。这一技术对阐明动作电位的本质和离子通道的的研究做出了极大的贡献。

细胞是动物和人体的基本单元，细胞与细胞内的通信是依靠其膜上的离子通道进行的，离子和离子通道是细胞兴奋的基础，亦即产生生物电信号的基础，生物电信号通常用电学或电子学方法进行测量。由此形成了一门细胞学科--电生理学。膜片钳技术已成为研究离子通道的黄金标准。电压门控性离子通道：膜上通道蛋白的带点集团在膜电位改变时，在电场的作用下，重新分布导致通道的关闭，同时有电荷移动，称为门控电流。配体门控离子通道：神经递质（如乙酰胆碱）、ji素等与通道蛋白上的特定位点结合，引起蛋白构像的改变，导致通道的打开。细胞膜由脂类双分子层和和蛋白质构成。

电压钳的原理∶用两根前列直径0.5um的电极插入细胞内，一根电极用作记录电极以记录跨膜电位，用另一根电极作为电流注入电极，以固定膜电位。从而实现固定膜电位的同时记录膜电流。电位记录电极引导的膜电位（Vm）输入电压钳放大器的负输入端，而人为控制的指令电位（Vc）输入正输入端，放大器的正负输入端子等电位，向正输入端子施加指令电位（Vc）时，经过短路负端子可使膜片等电较，即Vm=Vc，从而达到电位钳制的目的，并可维持一定的时间。Vc的不同变化将导致Vm的变化，从而引起细胞膜上电压依赖性离子通道的开放，通道开放引起的离子流反过来又引起Vm的变化，致使Vm≠Vc，Vc与Vm的任何差值都会导致放大器有电压输出，将相反极性的电流注入细胞，以使Vc=Vm，注入电流的大小与跨膜离子流相等，但方向相反。因而注入的电流被认为是标本兴奋时的跨膜电流值（通道电流）。膜片钳记录技术与较早的单电极电压钳位相比进步了很多，尤其在单离子通道钳位记录方面。德国高通量全自动膜片钳报价

膜片钳技术实现了小片膜的孤立和高阻封接的形成。德国单通道膜片钳电生理技术

1980年，Sigworth、Hamill、Neher等在记录电极内施加负压吸引，得到了10~100GΩ的高阻封接（gigaseal），降低记录噪声，实现了单根电极既钳制膜电位又记录单通道电流。获1991年Nobel奖。1955年，Hodgkin和Keens应用电压钳（Voltageclap）在研究神经轴突膜对钾离子通透性时发现放射性钾跨轴突膜的运动很像是通过许多狭窄空洞的运动，并提出了"通道"的概念。1963年，描述电压门控动力学的Hodgkin-Hx上模型（简称H-H模型）荣获谱贝尔医学/生理学奖。1976年，Neher和Sakmann建立膜片钳（Patchclamp）按术。1983年10月，《Single-ChannelRecording》一书问世，奠定了膜片钳技术的里程碑。1991年，Neher和Sakmann的膜片铺技术荣获诺贝尔医学/生理学奖。德国单通道膜片钳电生理技术

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