电生理学基本知识与技术.ppt

电生理学基本知识与技术,朱克刚（药理学副教授、机能学部主任 兼机能学综合实验室主任）,生物膜的电学特性,生物膜的等效电路 膜时间常数 跨膜离子电流与膜电位变化 刺激电流与膜电位变化 刺激强度与膜电位变化,生物膜的等效电路,生物膜的电学特性 生物膜的等效电路,生物膜的结构与跨膜信号转导 可兴奋细胞的跨膜电位差与离子的选 择性通透性 跨膜电位差的物理学描述电阻抗（R）或膜电阻（Rm)膜可贮存电荷的物理学描述电容器（C）或膜电容（Cm）Rm与Cm的并联关系即膜的等效电路,生物膜的电学特性 生物膜的等效电路,膜时间常数,生物膜的电学特性 膜时间常数,刺激与兴奋 矩形脉冲刺激电流引起的膜电位变化,a：纯电阻元件的膜电位 变化与脉冲电流变化同步 b：纯电容元件的膜电位 变化减慢，但保持其起始 斜率 c：含阻容元件的膜电位 呈指数变化：Vm=I/Cm,生物膜的电学特性 膜时间常数,Vm=I/Cm 的原理,1.Cm可减慢电流引起的 膜电位变化，是因此前Cm须 经历充、放电的过程 2.膜电位变化快慢最终 由时间常数t决定，即t值越 大，Cm充放电流越小、越慢 或电容器两端电压（uc）达 到某一定值所需时间越长 3.不同的生物膜，t值 大小也不同,生物膜的电学特性 膜时间常数,进一步的物理学与生物物理学描述,1.时间常数是标志RC电路放电的基本参数 2.RC电路中，电路的电压（E）随时间呈指数变化：E=IR（1-et/t）3.由矩形脉冲电流引起的生物膜电位变化：Vm=ImRm(1-et/t)4.公式中e=2.72为指数系数，t=RC为时间常数 5.公式表明，膜电位下降到最初值的1/e所需时间 为一个时间常数，即膜电位变化达最终值的63%所需时 间为一个时间常数,生物膜的电学特性 膜时间常数,理论意义与实际应用,1.生物膜中t的变化很大（神经元约120ms），但 经检测，单位表面积的膜电容却较恒定、约10-6F/cm2 2.不同时间常数反映了不同细胞的Rm的不同，乃至 同一神经元的各个膜区域之间的区别。而Rm的差异又代 表膜离子通道类型、密度和调节方面的特性。总之，膜 时间常数在决定神经元高度复杂的内在电活动，以及细 胞对刺激的反应方面都起着重要作用 3.生物机能实验中，多种因素如标本干燥、机械牵 拉等不良刺激都可使Rm增加，影响其电活动及其对刺激 的反应。因而实验中为保持标本机能状态的正常及实验 结果的真实可靠，应尽量避免不良刺激对Rm的影响,跨膜离子电流与膜电位变化,生物膜的电学特性 跨膜离子电流与膜电位变化,欧姆定律及其表述,1.通过某一导体的电流（I）与导体两端的电压（V或E）成正比，与导体的电阻（R）成反比：I=V/R 2.电导是电阻的倒数（G=I/R），引入电导概念：I=gV 或 I=gE 3.电导概念可更好地描述离子通道允许电流通过 的能力,生物膜的电学特性 跨膜离子电流与膜电位变化,应用欧姆定律描述跨膜离子电流与膜电位的关系,1.离子通道是一种特殊的导体，各种离子经离子 通道的跨膜转运是顺化学梯度的转运，故其产生的电 流的大小（I）既取决于膜电位差（E）及通道的电导（g），也与该离子的平衡电位（Es）有关：I=g(E-Es)2.公式表明，离子流过通道的驱动力是E-Es而非E 3.若以膜电位为横轴，离子通道电流为纵轴作图，可了解跨膜离子电流(I)与电压(V)的关系(Current-Voltage relationship)，或称为I-V曲线,生物膜的电学特性 跨膜离子电流与膜电位变化,1.图中的斜率即为该 通道的电导，若电导为一 常数，I-V关系便呈线性 2.曲线还表明，不仅 离子流过通道的驱动力不 是E，而且电流为0的电位 是与离子的平衡电位相等 的电位而不是0mV 处。因 电流在此电位改变方向，故又称反转电位 3.根据反转电位值可 以判断该通道电流是何种 离子跨膜流动引起的,Current-Voltage relationship(I-V Curve),生物膜的电学特性 跨膜离子电流与膜电位变化,研究I-V关系的理论意义,Ik1电流-电压曲线,1.研究离子通道的I-V关系，是了解通道生物物理学特性 和药物作用机制的基本方法 2.实际上许多通道具有非 线性的I-V关系，尤其可通透 离子在膜两侧的浓度不同或通 道的结构不对称等情况下，该 曲线往往会向某个电流方向（如内向或外向电流）偏离欧姆 定律，即所谓“整流”现象,生物膜的电学特性 跨膜离子电流与膜电位变化,实际应用,1.在生物膜的等效电路中，因Rm和Rc以并联方 式存在，膜电流（Im）等于跨膜离子电流（Ii）与 电容电流（Ic）之和：Im=Ii+Ic 2.公式表明，膜的Ii或Ic变化均可改变Im，而 Ii反映了跨膜离子通道电阻（Rm）的大小、Ic反映 了跨膜电容（Cm)的大小 3.由欧姆定律可知，Im的变化必然改变膜电位（Vm），从而Rm和Cm的不同也将影响到Vm 4.因此在测量Vm的电生理研究中，必须注意保持 生物膜Rm和Cm处于稳定状态,刺激电流与膜电位变化,生物膜的电学特性 刺激电流与膜电位变化,刺激引起兴奋的条件,1.细胞所处功能状态 2.有效刺激的三个参数，即强度、时间和强度-时 间变化率 3.刺激电流的方向，如外向刺激电流使膜去极化，兴奋性升高；内向刺激电流使膜超极化，兴奋性降低，不能引发动作电位。因此，在用微电极技术进行实 验时，应将正电极置于细胞内，或将负电极置于细胞 外,生物膜的电学特性 刺激电流与膜电位变化,外向和内向刺激电流引起的膜电位变化,外向刺激电流与膜电位变化,内向刺激电流与膜电位变化,+-r1 r2,-+r1 r2,生物膜的电学特性 刺激电流与膜电位变化,关于细胞外刺激,1.两个电极与神经 接触并通电，正和负 电极处会分别发生超 极化和去极化 2.应用细胞外双 电极刺激法，应将正 电极置于远离引导电 极一侧、负电极置于 靠近引导电极一侧，以避免正电极处超极 化引起的阻滞作用（阳极阻滞）,刺激强度与膜电位变化,生物膜的电学特性 刺激强度与膜电位变化,刺激引起兴奋的原理,1.膜的去极化是电压门控Na+通道被激活及Na+内流 的过程，期间常伴随膜电位与K+平衡电位（EK）的差值 增大，以及非门控K+通道的K+外流增加，且去极化越明 显、K+外流越多 2.阈下刺激时，被激活的Na+通道数目少、Na+内流 引起的膜被动反应（部分去极化）可被K+外流对抗，使 膜的进一步去极化难以实现。而阈刺激可使被激活的 Na+通道数目及Na+内流量皆增加，不被K+外流对抗 3.阈刺激所致Na+内流及进一步去极化可在二者间 形成正反馈，这被称为再生性去极化或再生性Na+内流,生物膜的电学特性 刺激强度与膜电位变化,动作电位的全或无特性,对很强的去极化刺激发生的主动反应（图示还 表明，刺激强度越大，刺激和AP间的延迟越短）,生物膜的电学特性 刺激强度与膜电位变化,神经干或组织受刺激的表现,1.因不同的细胞兴奋性也不同，且手术操作或离体 条件等都将影响到生物膜的特性，从而引起兴奋所需的 阈强度存在某种差别 2.对蟾蜍坐骨神经干实施刺激，在最大刺激强度范 围内，神经纤维兴奋的数目会随刺激强度的增加而增加；同时，动作电位的叠加还将表现为所记录动作电位幅 度的相应增大，这正是不同的细胞分别具有不同的兴奋 性的表现 3.最大刺激强度在于使神经干中所有纤维都兴奋，此时动作电位的幅度也达最大,生物电信号的特性,信号微弱：电压为mVV，电流为nApA 频率特性：生物机能信号频率范围很大 大，故在使用生物电极放大器时应选择 适宜的频带 信号源内阻高：包括组织皮肤内阻及细 胞膜电阻等，可达几千乃至数万欧姆 易受其他电信号干扰：生物电之间 的相互干扰 50Hz交流电源对记录电 信号的干扰 电极极化电位的干扰 感应电场及空间电磁波的干扰等,生物电记录方法及原理,生物信号记录的框架图 生物电信号拾取 生物电信号的放大与记录 诱发生物电现象产生 干扰问题,生物电记录方法及原理 生物信号记录的框架图,生物信号记录的框架图,生物电信号拾取,生物电记录方法及原理 生物电信号拾取,信号拾取的定义与记录电极的等效 电路,生物电记录方法及原理 生物电信号拾取,信号拾取的两个原则,1.生物电源是欲记录的生物电信号，视其为电源是 因它的电位降落在三个电阻上 2.仪器记录的信号是极间电阻两端的电位差(电压)3.串联电路中，电阻两端电压的大小与电阻大小成 正比。因此，拾取信号的方法与过程应遵循两个原则：一是力求电极与组织接触良好即尽量减少接触电阻，以 使信号电压主要降落在极间电阻两端，同理两个电极不 能短路、否则极间电阻为0而拾取不到信号；二是制作 电极的材料导电性能要好或极间电阻要低，以使信号电 压主要降落在仪器的输入电阻上，如极间电极由电极电 阻与仪器的输入电阻串联而成,生物电记录方法及原理 生物电信号的放大与记录,生物电信号的放大与记录,生物电信号放大和记录的有关方法,生物电记录方法及原理 生物电信号的放大与记录,关于刺激伪迹,1.生物电信号的纪录常面临辨认信号真伪的问题 2.可记录到的干扰信号有许多种，其中之一是刺 激伪迹 3.在电生理学实验中，当刺激器发出一个刺激脉 冲时，记录电极将同时拾取到一个双向、呈尖脉冲的 电信号，此即刺激伪迹。刺激伪迹可被用来作为一个 时间点。如从刺激伪迹到刺激坐骨神经干而记录到AP，其时间间隔就是刺激电极处所产生AP传导到记录电 极处所需要的时间 4.刺激伪迹一般不会干扰有用信号的纪录,诱发生物电现象产生,生物电记录方法及原理 诱发生物电现象产生,人工诱发生物电的常用方法 电刺激器的电脉冲及其矩形波特征,1.电刺激器既可发出一个、两个或多个单独的脉 冲，也可连续性地或不停地发出脉冲 2.电脉冲多为矩形波，其可提供三个参数，即电 压大小（矩形波的幅度）、电压作用时间（矩形波的 波宽）、电压对时间的变化率（矩形波上升的斜率）,干扰问题,生物电记录方法及原理 干扰问题,干扰问题的广泛性 50赫兹的交流电干扰及其预防：仪器的噪声和放大器的信噪比参数：一般信号电平与噪声电平比值10才能 满足实验记录需要 其它,生物信号放大器的性能指标及作用,通频道 高增益 高输入阻抗 高共模抑制比 信噪比 低漂移,通频道的定义,生物信号放大器的性能指标及作用 通频道,通频道（带宽）,1.通频道又称带宽，是放大器选择与直流或交流生 物信号相适应频率范围的技术指标 2.生物放大器的通频带下限为0、上限最大频率通 常在6kHz以内，这基本能满足机能实验需要 3.根据所观察生物信号的频率特性,选择相应带宽 可通过调节放大器的“时间常数”和“高频滤波”实现。如在放大器前、后极之间常设置有低和高频电路 4.时间常数（又称高通滤波）和高频滤波（又称 低通滤波）都是表征RC电路频率响应的参数，其实质 都是滤波,放大器的时间常数（高通滤波）,生物信号放大器的性能指标及作用 通频道,1.时间常数决定放大器带宽的下限频率(f1)即衰减 信号中的低频成份，而让高频成份全部通过，意义在于 消除信号基线的漂移和低频噪声。计算下限的频率：f1=1/2RC（=3.14,t=RC）2.公式中每一个时间常数t对应一个f1，低于f1的信 号常被衰减70%以上，且频率越低衰减越厉害 3.因滤波器对信号中不同频率成份的传递函数不同，其应用常面临信号失真的问题。就特定信号而言，滤 波器的通频带越宽、失真就越小，但噪声和干扰却越大,放大器的高频滤波（低通滤波）,生物信号放大器的性能指标及作用 通频道,1.高频滤波决定 放大器带宽的上限频 率（f2）即衰减信号 中的高频成份，让低 频成份全部通过，意 义在于消除信号中夹 杂的高频噪声 2.所谓放大器的 带宽即指f1至f2的频率 范围,具体图例,生物信号放大器的性能指标及作用 通频道,没有进行高通滤波的心电图,调整了高通滤波的心电图,没有进行低通滤波的心电图夹杂较多噪声（高频滤波300Hz）,进行低通滤波的心电图夹消除高频噪声（高频滤波100Hz）,过度的低通滤波会造成信号发生畸变（高频滤波30Hz）,具体参数的设置,生物信号放大器的性能指标及作用 通频道,增益和高增益 有关计算公式 单纯应用高增益放大器的局限性（见 下节）,生物信号放大器的性能指标及作用 高增益,高增益,放大器的电压增益=20Log10Vo/Vi(dcibel,db)Vi为放大器的输入电压，Vo为放大器的输出电压 放大器的电压增益一般要求达到60120db，相 应的电压放大倍数=Vo/Vi=103106倍,生物电信号源的高内阻性 输入电阻及信号源内阻与放大器输出电压信号的关系,生物信号放大器的性能指标及作用 高输入阻抗,高输入阻抗,1.令放大器的电压放大倍数 为A：Vo=ViA Vi=IRi=VsRi/(Ri+Rs)2.公式表明，放大器输出电压 信号的大小与信号源电压高低和 放大器放大倍数有关，同时与放 大器输入电阻及信号源内阻构成 的分压器成正比,记录电压信号的等效电路,理论意义与实际应用,生物信号放大器的性能指标及作用 高输入阻抗,1.根据 Vo=ViA 及 Vi=IRi=VsRi/(Ri+Rs),若Rs一定，Ri越大、分压比则越大或Vo则越高；反之 反之，即同样的放大倍数和Vs条件下，Vo将降低。因 此，单纯的高增益放大器不能满足引导内阻高、信号 弱的生物电信号的需要，还必须具有较高的输入阻抗 2.一般要求前置放大器的输入阻抗106（）（1M），微电极放大器输入阻抗101013，这样 才便于记录高内阻的生物信号 3.正常细胞膜阻抗均为103，只有当微电极阻抗 足够大、信号源内阻相对足够小，即输入阻抗/输出阻 抗比值极大时才能顺利检出微弱的生物信号,共模信号与差模信号,生物信号放大器的性能指标及作用 高共模抑制比,高共模抑制比（CMRR）,1.共模信号指差分放大器输入两端方 向和大小都相同的电压信号，其特征为差 分放大器对信号无放大作用、且多见于外 界干扰信号。反之为差模信号如生物电信 号，差分放大器对其有很强的放大作用 2.差分放大器能同时放大差模信号、抑制共模信号。后者的强弱取决于同级放 大器的静态和动态对称性好坏，且又与接 触电阻、局部组织电阻、放大器输入电阻 和构成放大器的元器件的对称性有关,共模抑制比（差分比）,生物信号放大器的性能指标及作用 高共膜抑制比,1.共模抑制比指同一差分放大器的差模信号电压增 益与共模信号电压增益的比值：CMRR=Kd/Kc 2.生物电放大器一般要求 CMRR104，最好为106；当CMRR105时，该差分放大器可在标本良好接地而无屏 蔽的情况下工作。即有效抑制进入放大器的共模信号、放大差模信号。共模抑制比的大小便代表放大器对共模 信号的抑制程度 3.共模抑制比也可用分贝表示，即CMRR=20Log10Kd/Kc(分贝)，一般要求 CMRR80分贝,信噪比的定义及其理论与实际意义,生物信号放大器的性能指标及作用 信噪比,信噪比,1.信噪比指有用信号和噪声信号的功率比值，但由 于实际应用较容易得到信号的电压值、而功率又与电压 的平方成正比，故信噪比有两种表示方式：10lg(Ps/Pn)或20lg(Vs/Vn)3.假设信噪比为60dB（分贝），那么意味着lg(Vs/Vn)=3，即Vs/Vn=1000，或者说有用信号的幅度是噪声 信号幅度的1000倍。对于观察者，此时即使有用信号占 据整个屏幕的高度（800600分辨率），我们也一点观 察不到噪声信号。这表明60dB的信噪比已能完全满足生 物机能实验的要求,漂移的定义及其理论与实际意义,生物信号放大器的性能指标及作用 低漂移,低漂移,1.在输入信号恒定或无信号输入时，放大器的输出 电压信号出现缓慢变化，这种变化被称为漂移 2.漂移可分为时间零点漂移、温度零点漂移和增益 漂移等，致零漂的原因有交流电源的变化、温度的变化 和元件质量差。如生物电前置放大器一般是交直流两用、极间耦合全部改为直接耦合可形成直流放大器，但同 时带来零点漂移即放大电路中无信号输入、而输出电压 偏离初始值的问题。原因在于第一级受外界温度或超低 频的干扰，使工作点的缓慢变化被逐级放大或使输出电 压偏离其初始值，且放大倍数越大、偏离越严重,关于电刺激器的应用,再见,