电生理学是对生物细胞的电活动或“兴奋性”的测量（无论是肌肉细胞，神经元还是干细胞）。这可以在单细胞水平上完成，也可以包括数百或数千个单元的同时测量。

本文侧重于单细胞电生理学，并通过描述动作电位的离子基础以及用于探索和理解可兴奋的组织和器官的不同电生理技术来引入电生理研究的基础。

简而言之，电生理学是对细胞，组织，整个器官和系统内生物回路的电特性的研究。

At the simplest level, any electronic circuit (such as a radio or computer) contains a battery connected to components by copper wires, through which negatively charged electrons flow and do work, obeying Ohm’s law: voltage (V) = current (I) x resistance (R).

在生物学中，可激发细胞遵守相同的基本定律，但该电荷是由原子在溶液中携带的-那是离子（氯化物（Cl）^-），钠（Na⁺），钾（K⁺）和钙（CA²⁺）。这些离子的流量受离子通道调节-催化离子从电化学梯度下降的酶（如下所述）。这些离子通道是由不同基因编码的蛋白质。物理学与电子电路相同，但生物学增加了几层复杂性。

由于Galvani在1700年代后期用金属电极使青蛙动画腿，因此科学家在物理学和生理学的交集中工作，以开创我们对使细胞“可兴奋”的理解。¹

在过去的百年中，电生理学理论，技术和设备的进步已大大扩大了我们对人体工作方式的理解，包括对心脏，大脑（和其他器官）的基本知识，以及改善疾病的诊断和治疗。

早期的见解是意识到，溶液中充电的离子可能会移动和产生电压差异，这是由该物理现象解释的。NERNST等式(for a history read Archer, 1989). Then in the early 1950’s, Hodgkin and Huxley revealed the ionic basis of the neuronal action potential,²煽动了一项激烈的研究时期，以了解动作电位的基础分子机制。³电极设计方面的技术进步并联。⁴1981年，萨克曼（Sakmann）和尼尔（Neher）发表了有关贴片钳电生理学的论文，开创了能够测量通过单个离子通道或跨单个细胞膜的玻璃微管的使用。⁵这项技术引发了我们对激发细胞如何工作的理解，并使科学家能够研究兴奋性和大脑功能的基本机制。⁶

膜电位，动作潜力步骤和动作电位图

Membrane potential

膜电位是整个细胞膜的电压或电位差。电势差是由疏水膜分离电荷引起的，它既充当电容器和电荷离子横跨其运动的电阻。

The predominant cellular ions that carry charge are Na⁺，k⁺，CA²⁺和Cl^-。这些离子在细胞内外具有不同的浓度。因此，当离子通道打开时，离子想移动以平衡其浓度。

通常，na⁺，CA²⁺和Cl^-ions exist in greater concentrations extracellularly and K⁺细胞内浓度较高的离子，细胞的内部具有净负电荷。这设置了电化学梯度（或“驱动力”），以便当离子通道打开时，可渗透离子向下流动其电化学梯度载电荷在整个膜上携带电荷并导致电压变化。这会导致细胞膜电位的去极化或超极化。

The positively charged ions Na⁺和CA²⁺具有电化学梯度，有利于他们进入负电荷的细胞，因此他们的正电荷depolarizesthe electrochemical potential. On the other hand, K⁺离子高度浓缩在细胞内，因此它们的驱动力朝着相反的方向伸出。结果，它们从细胞中带出正电荷，并使细胞膜电位更为负。这就是所谓的超极化。

离子不能通过疏水性脂质双层细胞膜自由扩散，但是它们可以通过通道或毛孔将其设置在从内部到外部延伸到膜的内部。这些通道中的许多通道仅对一种离子具有高度选择性，通常是“门控”，仅是为了响应膜电压（电压门控离子通道）或小分子或配体（配体）（配体）（配体）的结合而开放。门控离子通道）。

离子跨膜的流动设定了整体抵抗（根据欧姆定律）。如果有大量通道打开，则膜电阻（RM）将是低的，因为越多的通道打开，离子越多，会产生越多的电导率和较小的电阻。

脂质双层的另一个重要特性是其电容（膜电容，cm），它来自双层的物理性质。浸入两侧进行溶液的绝缘体。与整个膜的电势差相关的膜之间的电荷分离。净效应是，通过离子通道的离子流必须首先为膜电容器充电，然后再改变膜电位。因此，具有较大电容和较小电导率的电池将缓慢变化，而电容较小的单元将迅速改变。这种变化的速度通常称为膜时间常数，rm.cm = tau。神经元的这种特性对突触电位总结的时间间隔产生了深远的影响（请参见有关分级电位的部分）。

动作潜在步骤和图形

可激发的细胞通常具有约-60 mV的静息膜电位（相对于细胞外部测量时内部为负）。骨骼肌，心肌和神经元表达电压门控Na⁺通道和电压门控k⁺频道。

在动作电势期间，电压门控为NA⁺通道打开，可以快速涌入NA⁺离子和细胞膜电位的快速去极化。如果这是所有发生的事情，那么潜力将达到〜+40 mV并留在那里。但是，这种强大的去极化打开了电压门控k⁺通道k⁺离子向相反的方向流动，并将电压向后拉（重极化）至-60 mV左右。动作电位的特定持续时间和波形由可激发细胞膜中存在的离子通道的类型和密度确定，如图1和2中的神经元和心脏细胞所示。

图1： 神经元动作潜力。

Neurons

1）必须通过静止膜电位的小去极化（约60 mV）触发动作电位；例如，这可能是由突触输入引起的。当去极化达到“阈值”时，​​这会触发电压门控的NA的开口⁺channels (-55 mV). 2) This causes a rapid influx of Na⁺使膜向+40 mV的离子。3）NA⁺通道在毫秒左右内灭活（一种闭合形式），电压门控k⁺频道打开。4）k的流出⁺ions repolarizes the membrane back to -60 mV or beyond to more negative potentials, causing an afterhyperpolarizing potential. 5) On a much slower timescale, the minuscule concentrations of ions exchanged across the membrane are pumped back by membrane-bound Na⁺/k⁺交换K的交换器（有时称为离子泵）⁺和na⁺离子重置和保持静息潜力。

图2： 心脏动作潜力。

Cardiac cells

1）快速NA⁺通过电压门控的NA涌入⁺通道使细胞膜去极化。2）电压门控k⁺channels open, beginning repolarization. 3) Voltage-gated Ca²⁺频道打开和CA的涌入²⁺正电荷通过k的外排平衡⁺正电荷，产生高原阶段。4）CA²⁺频道关闭和K⁺channels remain open, repolarizing membrane potential to -90 mV.

当细胞膜去极化到Na的阈值时，将开始动作电位⁺通道激活。在神经元中，动作潜力是神经元交流的基础。

分级电位是响应刺激或其他细胞的神经支配的膜电位的亚阈值变化。这些突触后电位可能是兴奋性（去极化）或抑制性（超极化），具体取决于其基础的通道类型。亚阈值响应对发起动作电位的影响由许多因素确定，包括：输入的大小及其随后的响应，与动作电位启动部位的距离以及膜的生物物理特性，此类距离，作为膜时间常数tau。在实践中，在称为子阈值集成的过程中，分级潜能彼此之间的总和。（图3）。

图3： 分级电位。

电生理学家按PA的顺序测量小细胞电流-NA。因此，它们需要敏感的设备，这些设备可以从环境周围的环境中排除振动和电干扰（噪声）。所需的标准钻机设置体外和in vivo电生理学如下（图4）。

图4： 标准电生理设备设置。

1）防止物理振动的空气表，将运动伪影添加到实验记录中。

2）法拉第笼子，以保护设置免受电干扰。去除环境电噪声对于获得清晰，有用的电生理记录至关重要。

3）显微镜和显微镜以定位微电极。根据实验设置，用户可能会合并多光子成像功能。为了in vivo调查，用户可能会选择删除显微镜以腾出空间来为不同的设备（例如跑步机）腾出空间。

4）需要放大器来收集和扩增电极中获得的信号。这是连接到数字化器，以将模拟信号转换为数字信号。

5）需要数据采集和分析软件来设置实验，设计和运行协议，并从收集的数据中提取有意义的结果。

此外，用户可能需要考虑合并药物输送系统和温度控制设备。

Patch clamp

Patch-clamp electrophysiology is a technique pioneered by Sakmann and Neher in the 1970s and 80s⁵他们分享了诺贝尔生理学奖于1991年。它涉及创建带有细胞或细胞膜斑块的串联电路，而无需刺穿细胞壁。取而代之的是，一个装有离子溶液的玻璃微孔管，并包含附着在贴片钳放大器上的银/银氯化线，形成了斑块和移液器口中的玻璃之间的高电阻gigaohm密封。不同的贴片钳配置：细胞连接，，，，全细胞，，，，反了和外面; are shown in Figure 5 which is adapted from the original paper.⁵该图突出了用于执行全细胞的关键路径体外贴片钳记录。

通过用微型福利加热和拉动的毛细管玻璃微电极接近细胞膜，可以实现整个细胞构型，以使嘴直径约为1 µm，电阻在2至6MΩ之间，并且移液器偏移零。

通过用内部溶液填充微量移液器并在移液器与细胞膜接触时施加正压（<2 mL），可以观察到凹痕。通过向电极指示5 mV步长脉冲，我们可以将其用作密封测试，以了解何时在带有单元格的贴片密封件时。正压的释放使膜和移液器的嘴变得连续，形成松动的斑块，增加电阻并降低5 mV密封试验中观察到的电流幅度。吮吸的光将膜的“斑块”进展到移液器的口中，这被称为细胞连接配置并在毛细管玻璃和膜贴片之间生成高电阻（GΩ）密封。通常，这将观察到的密封测试电流降低到平坦线，并在电压步骤的开始和结尾处具有两个快速移液管电容瞬变。这些通过贴片钳放大器中的电路去除。

去之前 ”全细胞”，将电极轻轻拉出并向上升至地面边缘细胞，消除细胞核阻塞斑块的风险并增加进入抵抗性。该单元的负电势与静息膜电位（-60 mV）的负电势保持，并施加负压以破裂膜。破裂意味着移液溶液现在与细胞质连续，并且整个细胞的电性能与移液器电极串联。这意味着现在可以测量和操纵整个细胞膜的兴奋性。

图5： 如何实现不同的贴片钳配置。

在整个细胞构型中，可以在电流夹和电压钳模式下研究单元的电气性能。

电流钳

In current-clamp mode, the user injects a known current amplitude to the inside of the cell through their setup and observes the change in cellular excitability in response to these current injections. It is a valuable technique because it can mimic physiological scenarios, like a synaptic input. In Figure 6 A, you can see the response of one cell to increasing step current injections from -20 pA to +20 pA in 10 pA steps, such that +10 pA of current injection was sufficient to bring the cell to threshold and fire action potentials.⁷多个细胞的平均电流注射率关系的摘要图如图6 B.所示。当前注射与细胞的发射速率之间存在正相关关系。

图6： 当前对脑切片制剂中小鼠AGRP神经元的夹具研究。Credit: Branco et al. 2016,⁷在创意共享归因4.0国际执照。

电压夹

在电压钳模式下，将膜电位夹在用户指定的电压下。夹具由反馈放大器和HeatStage启用，将电流注入电流，以在用户设置的不同命令电压下保持单元格的膜电位。

离子通道在不同的命令电压下打开，这意味着膜电阻随着离子电流的流动而变化。反馈放大器通过注入倒数电流以将单元格保持在命令电压下，从而立即弥补了这一点，从而从膜电流中读取了该注入的电流。

尽管它不是对细胞离子特性的生理测量，但事实证明，它在研究细胞膜中存在的电导量以及细胞兴奋性构成的电导方面是一种非常有见地的方法。²与不同电导的药理阻滞剂相结合时，它特别有用。在图7中，通过电压夹在Na的存在下研究了梯ZOID体（MNTB）和侧向上橄榄（MNTB）和侧向上橄榄（LSO）的神经元的神经元。⁺通道阻滞剂分离k⁺电导。⁸该实验的目的是研究一个这样的电压门控k的相对贡献⁺频道（k_v3.1）到总k⁺在不存在和存在K_v3.1 k⁺，四乙基铵（茶）。该图显示，茶降低了峰向外k的总幅度⁺在MNTB和LSO神经元中均为+40 mV的电流约为50％。这表明k_v3.1通道介导50％的细胞向外K⁺电导。

图7： 电流 - 电压关系 k⁺ 在听觉脑干中的细胞中测量的电流。在MNTB（A）和LSO（B）的细胞中观察到的电流痕迹。来自MNTB（C）和LSO（D）的电流 - 电压关系（IV曲线）显示在每个命令电压下记录的峰值和持续电流的幅度。电压命令步骤插入（c）中。在MNTB（E）和LSO（F）中不存在和存在茶（1 mm）的情况下观察到峰值电流。学分：Choudhury等。2020年，在创意共享归因4.0国际许可证。

This technique involves placing wire electrodes or silicon probes directly into the subjectin vivo或分层原代细胞，培养的细胞或组织切片体外。

为了体内细胞外电生理学，电极通常直径薄，然后滑入与感兴趣细胞相邻的组织。这项技术的优势比细胞内电生理学是可以在清醒中进行，表现受试者，为行为构成的神经元活动提供更多的见解。电极可以安排为：

• 单电极 - 一个电极，一个记录位点
• Tetrodes - four electrodes bundled together, enables better cell sorting
• 多电极阵列（MEAS） - 多个记录电极的阵列，记录在更大的组织上飙升

The electrodes record the electronic field potentials produced by spiking or “firing” neurons. These waveforms are called “local field potentials” and can be composed of the spiking of multiple cells adjacent to the electrode. The number of neurons that an electrode or silicon probe can “listen” to is dependent on the impedance of the electrode and the number of recording sites (channels) available.

单个单元记录

研究人员必须在表演时仔细准备主题in vivo电生理实验（图8）。来自脑组织的记录需要清除一部分头骨以进入大脑。必须以每秒〜1 µm的速度缓慢地通过组织缓慢进展，以防止机械应力并避免在组织中引起出血。使用微型操纵器可以促进这一点。当电极接触大脑的表面时，实验者通过“归零”其微观操纵器的坐标来了解其在大脑中的位置。然后，他们可以将自己的位置与出版的大脑图集坐标进行比较，例如艾伦脑图集。一旦进入他们感兴趣的领域，实验者就可以通过微型训练来移动探针或电极，以改善感兴趣的神经元的记录保真度。

Signals from the electrode are amplified and observed in real time using an oscilloscope. Experimenters also “listen” to cell spiking activity by connecting an audio device that outputs a noise in response to a spike.⁹Experimenters working with transgenic animal subjects expressing channelrhodopsin in cell types of interest may also combinein vivo通过使用光源照射其感兴趣的神经元的电遗传学刺激的电生理学。^{9，，，，10}

SPIKE分类算法和软件使用户能够将本地现场潜力分类为单个单元或神经元，以进行录制后分析。¹¹此步骤至关重要，因为数据在in vivorecordings can be extremely noisy.

图8： 体内电生理记录设置。使用微型手持剂将微电极降低到组织中。一旦微电极处于正确的区域，微电剂就可以对微电极进行细小定位。操作员使用显微镜来启用电极的正确引导和跟踪。来自组织的信号通过放大器扩增，并在示波器上跟踪活性。计算机可以通过数字接口和放大器对实验进行记录，监视，分析和控制。

多单元记录

最近，电极设计的技术进步导致了Neuopixels探针的发展。¹²这些探针使用互补的金属氧化物半导体（CMOS）技术来启用数千个神经元的同时记录。¹³This number looks set to increase as advances continue to miniaturize the size of the technology.

Neuropixels的优势是沿电极柄的许多记录位点提供的前所未有的分辨率。但是，缺点是信息只能从与单个轴相邻的神经元中收集，因为它投射到脑组织中。通过在每个录制会话中组合多个电极，可以在某种程度上克服这一点。但是，可以放置在大脑中的电极数量有实际限制。

CMOS主持的解决方案in vivo多电极系统（Chime）启用了数百个电极以3D布置传播的记录。电极包含数百个从CMOS放大器阵列向下投射的玻璃胶粘微电极。¹⁴这些能够在较大的空间区域监测神经元活动。

多电极阵列（MEA）

盘中的多个电极阵列可用于高通量细胞外细胞层的记录体外，，，，或者from brain slices. MEA systems have been used in preclinical and drug discovery research for over 50 years.¹⁵

电极以棋盘等网格排列在盘子的底部。然后将细胞在其顶部培养，或将组织切片放在顶部。细胞活性被细胞外作为局部场电位进行测量。通过同时从多个电极记录，研究人员可以研究组织内或细胞之间的网络动力学，并立即从多个细胞中收集数据，从而增加这些实验的吞吐量。

在MEA设计方面，随着新技术（例如CMOS阵列）的出现，多年来，每井的电极数量有所增加。这意味着每盘电极的数量已从64多个跃升至1000+，改善了分辨率科学家必须观察和记录细胞活性。

Electrophysiological investigation:	细胞内	细胞外
记录级别：	研究单个细胞	同时记录多个单元格
准备：	可in vivo或者体外	可in vivo或者体外
可能的配置：	全细胞，细胞连接，松散的点，单通道，穿孔贴片，内外和外部配置	MEA, cardiac electrophysiology, high-throughput, automated electrophysiology
吞吐量：	中至低	高的
实验能力：	电压钳，电流钳和动态夹具可能	通常只有电流钳配置。虽然可以与电气或光遗传刺激配对

Pre-clinical research

两个都体外和in vivo电生理学广泛用于临床和学术研究。这些技术的使用极大地有助于我们对行为神经科学，连接组学，神经生理学和神经药理学，心脏病学和毒理学的理解。此外，测量神经元活性时，电生理学仍然是“基地真相”测定。¹⁶

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中度至高通量电生理系统用于细胞中的复合筛查或毒理学测定。有些系统可以自动“补丁”单元格，而另一些系统则使用电极阵列来测量细胞的局部场电位。根据应用的不同，高通量电生理系统可用于测量细胞收缩，阻抗和其他测定。¹⁷

临床电生理学

临床电生理学家定期对患者进行测试，以帮助医疗诊断和患者监测。此类测试包括12个铅心电图（ECG），脑电图（EEG），神经传导测试和听觉测试。¹⁸

参考

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About the authors

亚当·托泽尔博士

亚当在福赛斯实验室接受了研究生培训，他的研究重点是在大脑区域中对处理听觉环境很重要的神经元之间的交流。然后，他分别搬到了英国剑桥大学和英国剑桥分子生物学实验室的Heisler，后来搬到了Heisler和Branco实验室。他的博士后研究的重点是下丘脑中的神经元交流，特别是在驱动喂养行为的神经元中。亚当是一位狂热的科学沟通者，并从实验室转移到了全日制科学沟通和营销中，以帮助促进全球实验室所做的出色工作。

伊恩·福赛斯教授