美国脑片膜片钳离子通道

膜片钳技术原理：膜片钳技术是用玻璃微电极吸管把只含1-3个离子通道、面积为几个平方微米的细胞膜通过负压吸引封接起来（见右图），由于电极前列与细胞膜的高阻封接，在电极前列笼罩下的那片膜事实上与膜的其他部分从电学上隔离，因此，此片膜内开放所产生的电流流进玻璃吸管，用一个极为敏感的电流监视器（膜片钳放大器）测量此电流强度，就单一离子通道电流膜片钳技术的建立，对生物学科学特别是神经科学是一资有重大意义的变革。这是一种以记录通过离子通道的离子电流来反映细胞膜单一的（或多个的离子通道分子活动的技术。些技术的出现自然将细胞水平和分子水平的生理学研究联系在一起，同时又将神经科学的不同分野必然地融汇在一起，改变了既往各个分野互不联系、互不渗透，阻碍人们较全认识能力的弊端。这一技术的发现和基因克隆技术并架齐驱，给生命科学研究带来了巨大的前进动力。对离子通道功能的研究，主要采用记录离子通道电流来间接反映离子通道功能。美国脑片膜片钳离子通道

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。Nature Methods杂志将此技术评为"Method of the year 2010"[19]；美国麻省理工学院科技评述（MIT Technology Review，2010）在其总结性文章"The year in biomedicine"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。日本脑片膜片钳实验操作膜片钳技术实现了小片膜的孤立和高阻封接的形成，增宽了记录频带范围，提高了分辨率。

膜片钳技术∶从一小片（约几平方微米）膜获取电子学方面信息的技术，即保持跨膜电压恒定——电压钳位，从而测量通过膜离子电流大小的技术。通过研究离子通道的离子流， 从而了解离子运输、信号传递等信息。基本原理：利用负反馈电子线路，将微电极前列所吸附的一个至几个平方微米的细胞膜的电位固定在一定水平上，对通过通道的微小离子电流作动态或静态观察，从而研究其功能。研究离子通道的一种电生理技术，是施加负压将玻璃微电极的前列（开口直径约1μm）与细胞膜紧密接触，形成高阻抗封接，可以精确记录离子通道微小电流。能制备成细胞贴附、内面朝外和外面朝内三种单通道记录方式，以及另一种记录多通道的全细胞方式。膜片钳技术实现了小片膜的孤立和高阻封接的形成，由于高阻封接使背景噪声水平**降低，相对地增宽了记录频带范围，提高了分辨率。另外，它还具有良好的机械稳定性和化学绝缘性。而小片膜的孤立使对单个离子通道进行研究成为可能。

离子通道细胞是动物和人体的基本组成单元，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（electrophysiology）。膜片钳技术已成为研究离子通道的"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）、***等与通道蛋白上的特定位点结合，引起蛋白构象的改变，导致通道的打开。机械门控离子通道∶机械牵拉其他。Neher创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。

高阻封接技术还明显降低了电流记录的背景噪声，从而戏剧性地提高了时间、空间及电流分辨率，如时间分辨率可达10μs、空间分辨率可达1平方微米及电流分辨率可达10-12A。影响电流记录分辨率的背景噪声除了来自于膜片钳放大器本身外，主要还是信号源的热噪声。信号源如同一个简单的电阻，其热噪声为σn=4Kt△f/R式中σn为电流的均方差根，K为波尔兹曼常数，t为温度，△f为测量带宽，R为电阻值。可见，要得到低噪声的电流记录，信号源的内阻必需非常高。如在1kHz带宽，10%精度的条件下，记录1pA的电流，信号源内阻应为2GΩ以上。电压钳技术只能测量内阻通常达100kΩ～50MΩ的大细胞的电流，从而不能用常规的技术和制备达到所要求的分辨率。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。日本膜片钳电生理技术

Eberwine等于1991年首先将膜片钳技术与RT-PCR技术结合起来运用。美国脑片膜片钳离子通道

内面向外膜片(inside-outpatch)高阻封接形成后，在将微管电极轻轻提起，使其与细胞分离，电极端形成密封小泡，在空气中短暂暴露几秒钟后，小泡破裂再回到溶液中就得到“内面向外”膜片。此时膜片两侧的膜电位由固定电位和电压脉冲控制。浴槽电位是地电位，膜电位等于玻管电位的负值。如放大器的电流监视器输出是非反向的，则输出将与膜电流(Im)的负值相等。外面向外膜片(out-sidepatch)高阻封接形成后，继续以负压抽吸，膜片破裂再将玻管慢慢地从细胞表面垂直地提起，断端游离部分自行融合成脂质双层，此时高阻封接仍然存在。而膜外侧面接触浴槽液。这种膜片形式应测膜片电阻，并消除漏电流和电容电流。整个过程要当心是否形成囊泡。如果浴槽保持地电位水平，膜电位即与玻管电位相等。如放大器是非反向的，放大器的输出将与Im值相等。美国脑片膜片钳离子通道

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