日本单通道膜片钳技术

早在膜片钳诞生之前，20世纪50~60年代，Hodgkin与Hexley便发现并使用了电压钳技术，他们通过双电极电压钳在乌贼轴突上发现了动作电位的离子机制，并因此获得了诺贝尔生理医学奖。这也为后来膜片钳的诞生奠定了基础。于1976年，德国马克斯普朗克生物物理化学研究所的Neher和Sakmann第1次于青蛙的肌细胞上，用玻璃电极吸下了一小片细胞膜，记录导了皮安级的单通道离子电流，从而产生了膜片钳技术。1980年，耶鲁大学医学院Sigworth等人在记录电极内增加了负压吸引，实现了10-100GΩ的高阻抗封接，使得单电极可以同时实现钳制电位和记录单通道电流。1991年，Neher与Sakmann因为对膜片钳技术的突出贡献获得了诺贝尔生理医学奖。膜片钳技术，在人类对生理学的探究中，无异于一条道路，通往了名为细胞电生理的国度。膜片钳技术也许某一天会被更便捷或更精确的技术取代，但其至今仍然是离子通道相关研究中使用蕞广的技术。膜片钳技术原理膜片钳技术是用玻璃微电极接触细胞，形成吉欧姆（GΩ）阻**本单通道膜片钳技术

膜片钳技术的建立。抛光并填充玻璃管微电极，并将其固定在电极支架中。2.通过与电极支架连接的导管向微电极施加压力，直到电极浸入记录槽溶液中。3.当电极浸入溶液中时，给电极一个测量脉冲(命令电压，如5-10ms，10mV)读取电流，根据欧姆定律计算电阻。4.通过膜片钳放大器的控制键将微电极前端的连接电位调至零。这种电势差是由电极中的填充溶液和浸浴之间的不同离子成分的迁移引起的。5.用显微操作器将微电极前缘靠近直视下待记录的细胞表面，观察电流的变化，直至阻抗达到1gω以上，形成“干封”6。将静息膜电位调整到预期的钳制电压水平，这样当细胞没有钳制到零时，放大器可以从“搜索”变为“电压钳制”。进口脑片膜片钳报价膜电导测定的依据是电学中的欧姆定律。

钙成像技术被广泛应用于实时监测神经元、心肌以及多种细胞胞内钙离子的变化，从而检测神经元、心肌的活动情况。这些技术是人们观测神经以及多种细胞活动为直接的手段，现已发展为生命科学研究的热点，也是国家自然科学基金等鼓励申报的重要领域。光遗传学调控技术是近几年正在迅速发展的一项整合了光学、基因操作技术、电生理等多学科交叉的生物技术。NatureMethods杂志将此技术评为"Methodoftheyear2010"[19]；美国麻省理工学院科技评述（MITTechnologyReview，2010）在其总结性文章"Theyearinbiomedicine"中指出：光遗传学调控技术现已经迅速成为生命科学，特别是神经和心脏研究领域中热门的研究方向之一。目前这一技术正在被全球几百家从事心脏学、神经科学和神经工程研究的实验室使用，帮助科学家们深入理解大脑的功能，进而为深刻认识神经、精神疾病、心血管疾病的发病机理并研发针对疾病干预和的新技术。

对电极持续施加一个1mV、10～50ms的阶跃脉冲刺激，电极入水后电阻约4～6MΩ，此时在计算机屏幕显示框中可看到测试脉冲产生的电流波形。开始时增益不宜设得太高，一般可在1～5mV/pA，以免放大器饱和。由于细胞外液与电极内液之间离子成分的差异造成了液结电位，故一般电极刚入水时测试波形基线并不在零线上，须首先将保持电压设置为0mV，并调节“电极失调控制“使电极直流电流接近于零。用微操纵器使电极靠近细胞，当电极前列与细胞膜接触时封接电阻指示Rm会有所上升，将电极稍向下压，Rm指示会进一步上升。通过细塑料管向电极内稍加负压，细胞膜特性良好时，Rm一般会在1min内快速上升，直至形成GΩ级的高阻抗封接。一般当Rm达到100MΩ左右时，电极前列施加轻微负电压(-30～-10mV)有助于GΩ封接的形成。此时的现象是电流波形再次变得平坦，使电极超极化由-40到-90mV，有助于加速形成封接。为证实GΩ封接的形成，可以增加放大器的增益，从而可以观察到除脉冲电压的首尾两端出现电容性脉冲前列电流之外，电流波形仍呈平坦状。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。

离子通道结构研究∶目前，绝大多数离子通道的一级结构得到了阐明但根本的还是要搞清楚各种离子通道的三维结构，在这方面，美国的二位科学家彼得阿格雷和罗德里克麦金农做出了一些开创性的工作，他们到用X光绕射方法得到了K离子通道的三维结构，二位因此获得2003年诺贝系化学奖。有关离子通道结构不是本PPT的重点，可参考杨宝峰的<离子通道药理学>和Hill的

膜片钳的膜电容检测与碳纤电极电化学检测联合运用的技术。日本单通道膜片钳技术

    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。 日本单通道膜片钳技术