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文章大纲：
1. 什么是电生理学？
2. 电生理学的主要研究内容是什么？
3. 什么是膜片钳？
4. 膜片钳研究存在哪些分类？
5. 膜片钳的应用场景都有哪些？
<hr/>1. 什么是电生理学？
Electrophysiology is the branch of physiology that studies the electrical properties of biological cells and tissues. It involves measurements of voltage changes or electric current or manipulations on a wide variety of scales from single ion channel proteins to whole organs like the heart. In neuroscience, it includes measurements of the electrical activity of neurons, and, in particular, action potential activity. Recordings of large-scale electric signals from the nervous system, such as electroencephalography, may also be referred to as electrophysiological recordings. They are useful for electro-diagnosis and monitoring. (From Wikipedia) 电生理是生理学中研究细胞与组织的电学特性的分支，它包括对单个离子通道到整个器官（如心脏）等的电压、电流测量与操纵。在神经科学领域，电生理涉及对神经元电活动的测量，尤其是对动作电位的测量。此外，神经系统记录得到的大规模电学信号，如脑电图，也可以被认为是电生理记录的一种。这些电信号对疾病的诊断与监测非常有用。（译自维基百科）
2. 电生理学的主要研究内容是什么？
由维基百科的定义可以发现，电生理是对活细胞、活组织以及个体进行电学测量与操纵的一种实验手段，是研究生物体内的电学现象的一门学科。由于生物电现象是机体诸多生理活动的基础，因此电生理学是生理学中最重要的内容之一。同时，由于生物电是一种物理现象，所以电生理学又属于生物物理学的范畴，概括来说，就是生物学与物理学的交叉学科。
当下，电生理学的研究重点集中在动物体标本上，尤其是可兴奋的细胞、组织、器官。对于神经科学研究人员来说，这一研究对象主要集中在具有电学性质的细胞膜上，包括各种离子通道、离子泵及其他膜转运蛋白、磷脂双分子层，以及与它们相关联的受体、膜内和胞内信号转导系统等。
3. 什么是膜片钳？
The patch clamp technique is a laboratory technique in electrophysiology used to study ionic currents in individual isolated living cells, tissue sections, or patches of cell membrane. The technique is especially useful in the study of excitable cells such as neurons, cardiomyocytes, muscle fibers, and pancreatic beta cells, and can also be applied to the study of bacterial ion channels in specially prepared giant spheroplasts.（From Wikipedia） 膜片钳技术是一项电生理实验技术，用于研究通过单个离体活细胞、组织切片或小片细胞膜的离子流。膜片钳技术在可兴奋细胞（如神经元，心肌细胞，肌纤维和胰岛B细胞）的研究领域用处很大，并也可用于研究特殊制备的巨型球状体中的细菌离子通道。
4. 膜片钳研究存在哪些分类？
在电生理实验中，我们常用电极来引导生物电信号。在大多数实验中，我们都需要用到两个电极，其中一个叫作参考电极（reference electrode，即接地电极（grounding electrode）），另一个作为探测电极（exploratory electrode，也就是记录电极（recording electrode））。参考电极通常置于盛有标本的容器内的细胞外液中，作为公共参照点，提供记录所需的零电位点。
以上是基本知识，现在对电生理实验进行分类。
- 我们会根据探测电极放置部位的不同，对记录模式进行分类：
（1） 细胞外记录（extracellular recording）：记录电极放置在细胞外；
（2） 细胞内记录（intracellular recording）：记录电极穿过细胞膜，记录膜内电位。
- 在探测电极放置部位不同的基础之上，我们还会根据记录对象的差异，对记录模式进一步细分：（图一）
（1） 细胞膜吸附式膜片钳记录（cell-attached recording）：记录一小片细胞膜汇总的一个或几个离子通道的活动；
（2） 内面朝外式（inside-out）：先形成cell-attached构型，然后通过撤退电极，使电极尖端吸附的一小片膜从细胞上脱离下来；
（3） 全细胞式膜片钳记录（whole-cell recording）：也就是全细胞的膜内记录；
（4） 外面朝外式（ouside-out）：先形成whole-cell构型，然后缓慢撤退电极，尖端吸附的一小片膜从细胞上脱离下来后，凭借磷脂双分子层的亲和力彼此慢慢融合，最终效果是膜外膜朝向电极外侧。
图一 膜片钳技术四种基本记录模式图解
- 此外，我们还会根据人为控制的电学参数不同，将记录模式分为电压钳（voltage clamp）和电流钳（current clamp）。
（1） 电压钳的工作原理：人为钳制住膜两侧的电位差，然后测定通过细胞膜的电流变化；
（2） 电流钳的工作原理：人为钳制住电极向膜内注射的电流大小，然后测定膜电位的变化。
5. 膜片钳的应用场景都有哪些？
膜片钳的应用日新月异，这里以其中比较关键的应用为例，进行介绍。
（1）对离子通道的药理学研究：观察药物对离子通道的影响、分析药物在靶离子通道或受体上的作用位点等，常用于筛选活性药物。
（2）对膜电容的测量：可检测单个分泌囊泡与细胞膜融合时引起膜电容增加的胞吐过程，也可研究细胞对某些物质进行吞噬的胞吞过程（膜电容降低）。
（3）与光学成像技术相结合：在用荧光探针测定细胞内游离钙离子浓度的同时，检测离子通道的功能改变；采用共聚焦激光扫描显微镜，可动态精确测定钙离子浓度；通过膜片钳电极将荧光探针从细胞内注入，实时监测细胞的活性变化；也可通过膜片钳电极将细胞内的荧光探针抽吸稀释掉，从而测定细胞器（线粒体、内质网等）内的游离钙离子。
<hr/>参考文献
图片来源
- 题图：源自必应壁纸；德文郡南海岸的索尔科姆港，英国。
2. 文中图片：源自《实用膜片钳技术》
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下期预告：膜片钳的历史发展过程。 |
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发表于 2023-1-5 17:04:15