雙電極膜片鉗電流鉗制

光遺傳學調控技術是近幾年正在迅速發(fā)展的一項整合了光學、基因操作技術、電生理等多學科交叉的生物技術。NatureMethods雜志將此技術評為"Methodoftheyear2010"[19]；美國麻省理工學院科技評述（MITTechnologyReview，2010）在其總結性文章"Theyearinbiomedicine"中指出：光遺傳學調控技術現(xiàn)已經迅速成為生命科學，特別是神經和心臟研究領域中熱門的研究方向之一。目前這一技術正在被全球幾百家從事心臟學、神經科學和神經工程研究的實驗室使用，幫助科學家們深入理解大腦的功能，進而為深刻認識神經、精神疾病、心血管疾病的發(fā)病機理并研發(fā)針對疾病干預和的新技術。解鎖細胞秘密，膜片鉗帶您探尋離子通道的奧秘！雙電極膜片鉗電流鉗制

電壓鉗技術是由科爾發(fā)明的，并在20世紀初由霍奇金和赫胥黎完善。其設計的主要目的是證明動作電位的產生機制，即動作電位的峰值電位是由于膜對鈉的通透性瞬間增加。但當時還沒有直接測量膜通透性的方法，所以用膜電導來測量離子通透性。膜電導測量的基礎是電學中的歐姆定律，如膜Na電導GNa與電化學驅動力(Em-ENa)的關系，膜電流INaGNa=INa/(Em-ENa)。因此，可以通過測量膜電流，然后利用歐姆定律來計算膜電導。然而，膜電導可以通過使用膜電流來計算。這個條件是通過電壓鉗技術實現(xiàn)的。下一張幻燈片中右邊的兩張圖顯示了squid的動作電位和動作電位過程中膜電流的變化，這是霍奇金和赫胥黎在半個世紀前用電壓鉗記錄的。他們的實驗證明了參與動作電位的離子電流由三種成分組成:Na、K、Cl。對這些離子流進行了定量分析。這項技術為闡明動作電位的本質和離子通道的研究做出了巨大貢獻。德國可升級膜片鉗系統(tǒng)早期的研究多使用雙電極電壓鉗技術作細胞內電活動的記錄。

向電極連續(xù)施加1mV、10~50ms的階躍脈沖，電極入水后電阻約為4~6mΩ。此時，在計算機屏幕顯示框中可以看到測試脈沖產生的電流波形。剛開始的時候增益不要設置太高，一般可以是1~5mV/PA，避免放大器飽和。由于細胞外液和電極液離子組成的差異導致液體接界電位，電極剛入水時測試波形的基線不在零線上。因此，需要將保持電壓設置為0mV，并調整“電極不平衡控制”，使電極DC電流接近于零。當使用微操作器使電極靠近細胞時，當電極前緣接觸細胞膜時，密封電阻指標Rm會上升，當電極輕微下壓時，Rm指標會進一步上升。當通過細塑料管對電極施加輕微負壓，且細胞膜特性良好時，Rm一般會在1min內迅速上升，直至形成Gω級高阻密封。一般在Rm達到100MΩ左右時，在電極前端施加一個輕微的負電壓(-30~-30~-10mV)，有利于gω密封的形成。此時的現(xiàn)象是電流波形再次變平，使電極從-40到-90mV超極化，有助于加速形成密封。為了確認gωseal的形成，可以提高放大器的增益，因此可以觀察到除了脈沖電壓開始和結束時的容性脈沖超前電流外，電流波形仍然是平坦的。

高阻密封技術還***降低了電流記錄的背景噪聲，從而大幅提高了時間、空間和電流分辨率，如10μs的時間分辨率、1平方微米的空間分辨率和10-12年的電流分辨率。影響電流記錄分辨率的背景噪聲不僅來自膜片鉗放大器本身，還來自信號源的熱噪聲。信號源就像一個簡單的電阻，其熱噪聲為σn=4Kt△f/R其中σn為電流均方差的平方根，k為玻爾茲曼常數(shù)，t為溫度，△f為測量帶寬，R為電阻值?？梢钥闯觯瑸榱双@得低噪聲電流記錄，信號源的內阻必須非常高。如果在1kHz帶寬、10%精度的條件下記錄1pA的電流，信號源的內阻應該大于2gω。電壓鉗技術只能測量內阻為100kω~50mω的大電池的電流，常規(guī)技術和制備無法達到所需的分辨率。在細胞膜的電學模型中，膜電容和膜電導構成了一個并聯(lián)回路。

高阻封接問題的解決不僅改善了電流記錄性能，還隨之出現(xiàn)了研究通道電流的多種膜片鉗方式。根據不同的研究目的，可制成不同的膜片構型。細胞吸附膜片(cell-attachedpatch)將兩次拉制后經加熱拋光的微管電極置于清潔的細胞膜表面上，形成高阻封接，在細胞膜表面隔離出一小片膜，既而通過微管電極對膜片進行電壓鉗制，分辨測量膜電流，稱為細胞貼附膜片。由于不破壞細胞的完整性，這種方式又稱為細胞膜上的膜片記錄。此時跨膜電位由玻管固定電位和細胞電位決定。因此，為測定膜片兩側的電位，需測定細胞膜電位并從該電位減去玻管電位。從膜片的通道活動看，這種形式的膜片是極穩(wěn)定的，因細胞骨架及有關代謝過程是完整的，所受的干擾小。準確捕捉離子通道動態(tài)，膜片鉗技術助您一臂之力！德國單通道膜片鉗蛋白質分子水平

典型的單通道電流呈一種振幅相同而持續(xù)時間不等的脈沖樣變化。雙電極膜片鉗電流鉗制

膜片鉗放大器是整個實驗系統(tǒng)中的主要，它可用來作單通道或全細胞記錄，其工作模式可以是電壓鉗，也可以是電流鉗。從原理來說，膜片鉗放大器的探頭電路即I-V變換器有兩種基本結構形式，即電阻反饋式和電容反饋式，前者是一種典型的結構，后者因用反饋電容取代了反饋電阻，降低了噪聲，所以特別適合較低噪聲的單通道記錄。由于供膜片鉗實驗的專門的計算機硬件及相應的軟件程序的相繼出現(xiàn)，使得膜片鉗實驗操作簡便、效率提高、效率提高雙電極膜片鉗電流鉗制