第二章电生理研究方法2012.9.18..

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电生理研究方法

微电极
示波器照相机计算机打印机
心脏
2 动物手术
3 4 5 电极制作要求插入应用范围生理、药理、心肌缺血等
6
优点：在近于生理状态下实验，可观察整体因素对心肌电活动的影响，可研究药物及其代谢产物的作用过程，更有利于阐明各种调节因素、致病因素或药物对心肌电生理特性的影响机制缺点：记录不持久，影响因素多
较Ri小。
2.横向电阻（redial resistance）
即细胞膜本身具有的膜电阻。细胞膜
由双层硷脂构成，厚度很薄，但具有很高的电阻，即绝缘性。膜电阻表示离子通过膜的有限能力。膜电阻反映了离子是否容易通透膜的情况。膜电阻（ Rm ）的大小反映了膜结构电学方面的差异。
3.膜电容（capacity）
1944
1963
1967
“受体与感知” “神经末梢的化学传递” “视觉皮层的研究” “视皮层的发育和环境的影响”
1970 1981
1991
《单通道记录》
第一节常规心肌电生理研究技术
在常规心肌电生理研究中，主要是采用
玻璃微电极插入在体或离体心肌细胞内，记
录心肌细胞的跨膜电活动，并研究各种因素
对其电活动的影响。
离子学说（动作电位的钠学说） 1940年前后，由于Hodgkin和Huxley在枪乌贼巨轴突上发现动作电位大于静息电位的事实，Bernstein膜学说受到了有力的打击。以后的研究证实， Bernstein膜学说对于离子通透性的假设是不正确的。其被后来的离子学说（钠学说）所代替。
Eccles
1944年获诺贝尔奖
Bernstein膜学说
1902年，Bernstein提出生物电发生的膜学说： “神经或肌肉的细胞膜只对钾离子有特殊的通透性，而对较大的阳离子和阴离子则均无通透性，因此由于细胞内外钾离子分布不均匀，在膜两侧就形成一个电位差，此即静息电位，神经冲动到来时，膜变为无选择通透的膜，静息电位消失，动作电位因而产生。”

电生理

(4)禁忌证： 1、结膜、角膜的急性炎症，角膜溃疡 2、急慢性泪囊炎 3、散瞳会加重眼压升高者 4、内眼手术后两个星期以内 5、对于视力太差，无注视功能或有眼球震颤，严重的屈光间质混浊者，有屈光不正应戴镜矫正。
视诱发电位（VEP）
一、定义：被图形或闪光刺激诱发的大脑皮层视觉区的电位变化被记录下来。它反映视路的光～觉传导和视皮质的功能，即从视网膜中央部100以内的视锥细胞起，通过视觉传导通路到达终点大脑皮质视觉区的机能。二、分类图形VEP和闪光VEP
定义
人眼视网膜受到光或图形刺激后，在视细胞内引起光化学和光电反应，产生电位改变，形成神经冲动，传给双极细胞、神经节细胞，经视神经、视交叉、视束、外侧膝状体、视放射终止于大脑皮质的距状裂视中枢。这个过程可用电生理学方法记录下来。视觉电生理是对视网膜至视中枢功能的系统检查法。它能用客观无损的方法测量人类视觉功能。
（4）临床应用
1、视网膜色素变性 2、各种夜盲症 3、先天性黑蒙 4、全脉络膜血管萎缩症 5、视网膜阻塞性血管病变 6、糖尿病性视网膜病变 7、眼外伤
图形ERG（PERG）视力>0.1
（1）组成：由N25、P50、N95组成.N代表负波,P 代表正波
（2）参考值： Lp：50士10（ms） Ap:1.5～4(uv) （3）临床应用： 1.青光眼 2.视神经炎或视神经萎缩 3. 黄斑疾病 4.弱视
闪光VEP（FVEP）：
1、组成：它是复合波，典型的有一个正波及俩个负波 5a、5b、5c。 5b是正常VEP中最突出的，波的大小与视力无关。主要反映视神经与视路的传导。 2、参考值： L5b：70～120（ms） A5 ：7 ～30(uv)

神经生物学电生理学基础

NKa++通通道道
-+- -+- -+- -+- -+-
K+
神经生物学电生理学基础
第20页
产生机制：
+58mV
Na+
-- - --
Na+通道
+ +
+
+
+
神经生物学电生理学基础
第21页
神经生物学电生理学基础
电导 Na+ K+
第22页
神经生物学电生理学基础
上升支：Na+通道开放， Na+内流，超射值大约等
第4页
产生机制
K+
Na+
K+
Na+
神经生物学电生理学基础
第5页
产生机制
电化学驱动力
K+
+ +
+
K+
+
K+
K+
+
+
神经生物学电生理学基础
+
+
浓度差电位差
+
外流
内流
K+
+
净流动=0
K+
+
K+
K+平衡电位 , Ek
+ K+equilibrium potential
+
+
第6页
Nernst 方程
RT
[K+]o
Em =
RT
PK[K+]o+PNa[Na+]o

电生理学

当时没有任何测量电流的仪器，只是发现利用电容器（如雷顿瓶）的放电，或雷电发生时竖起一根长导线，引导大气中的电，都可以刺激蛙的神经肌肉标本，引起肌肉收缩，所以当时就用蛙的神经肌肉标本作为电流存在的标志。 1791 年意大利解剖学教授 Galvani L 发现，如果将蛙腿的肌肉置于铁板上，再用铜钩钩住蛙的脊髓，当铜钩与铁板接触时肌肉就会发生收缩。他把这个现象归因于机体的 “ 动物电 ” （ animal electricity ）。同时代的意大利物理学家 Volta 不同意 Galvani 的见解，认为实验中发现的电现象，不是动物机体产生的动物电，而是由于实验中连接肌肉和神经的金属不同所致，是不同金属接触时产生的电流刺激了肌肉标本。 Volta 后来因此而发明了伏特电池； Galvani 则继续进行了一个出色的实验, 他将一个肌肉标本横断，又将另一个神经肌肉标本的神经干搭在横断肌肉上，并使之跨越肌肉的完好面和损伤面，结果该神经支配的肌肉产生收缩，证实了动物电的存在。
脑: αβ1β2;电鳗:α 骨骼肌及心肌: αβ1
• S4: voltage dependence
Na+ channel
S4:含有带正电的氨基酸(电压感受器) P: ion selectivity
Sodium channel structure (Na+ 通道的结构)

Created from a single long polypeptide Has 4 distinct domains, numbered I-IV. The four domains are believed to clump together to form a pore between them Each domain consists of 6 transmembrane alpha helices, numbered S1-S6 The channel has pore loops that are assembled into a selectivity filter

电生理概述PPT课件

2021
7
电生理的检查技术及方法
➢ 规则的连续刺激S1S1(ms):
1、递增性刺激: S1S1600/500/400/300ms，或500/450/400/350/300ms， …… 等等。常常用于检测房室传导文氏点，或快速诊断。文氏点一般较有效不应期长50ms左右。
2、短阵快速性刺激(BURST）: S1S1多小于300ms，常常用于诱发及终止心动过速。终止心动过速时，刺激一般需短于心速周长50ms或以上。
心电生理及射频消融概述
什么是心电生理
▪ 心脏电生理检查是以整体心脏或心脏的一部分为对象，记录心内心电图、标测心电图和应用各种特定的电脉冲刺激，藉以诊断和研究心律失常的一种方法。对于窦房结、房室结功能评价，预激综合征旁路定位、室上性心动过速和室性心动过速的机理研究，以及筛选抗心律失常药物和拟定最佳治疗方案，均有实际重要意义。
1 •基础间期测量 •窦房结功能检查
2
3 •心房刺激
4 •心室刺激
2021
心动过缓心动过速
12
房室结折返性心动过速
1. Koch 1909年首先描述，由 Todaro腱、冠状静脉窦口及三尖瓣膈环组成。
2. 房室结位于Koch三角的顶部 3. 解剖和功能上是心房和希氏
束的连接（房室交界区）
Todaro腱
➢ 心内导联：高位右房、希氏束、
冠状窦及右室导管、Halo、Lasso
2021
6
电生理的检查技术及方法
▪ 电生理刺激方法 ➢ 刺激方式：
1、规则的连续刺激（包括递增性刺激，及短阵快速性刺激，如 BURST 刺激，拖带刺激） 2、程序期前性刺激（S1S2/S1S2S3……,及RS2刺激） ➢ 刺激部位：心房、CS、心室，HIS等

电生理方法与技术

附：电针仪
1.电针仪的输出参数:
(1)波形多为双相脉冲波 (2)脉冲幅度一般电针仪输出正脉冲电压为50-60V，负脉冲电压为25-35V (3)脉冲宽度一般约0.4ms， (4)脉冲的重复频率（脉冲数/s,Hz) 习惯上把低于30Hz作为低频电针，30-1000Hz为高频电针。
2.不同参数电针的刺激效应: 电针不仅具有良好的镇痛效果,也有显著的抗炎.抗休克作用,
；
2 ．放大器输入电容较小。微电极电阻很大，可与输入电容
组成一时间常数很大的高频滤波器。使生物电高频成分受到衰减
而严重失真。阴极跟随器输入电容可小至1-2pf
；
3 ．微电极放大器输入极栅流小，普通放大器输入级的栅流
太大，超过所检测细胞的兴奋阈值（10-8-10-9A ）可刺激细胞而
兴奋。同时由于栅流本身不稳定，微电极与细胞组织之间的外电
(4) 其他 1) 同步输出（触发） 2) 延迟（时迟） 3）占空系数：是指脉冲的宽度（d）与脉冲周期（p）之百分比，即 d/p×100％，如占空系数为100%即成直流电。 4) 电磁标 5) 触发输入
2．刺激隔离器
是刺激器的一个重要附件，使输出信号与地隔开，其作用是：（1）减小刺激伪迹，避免伪迹太大而使生物电无法辩识。（2）使刺激电流局限在刺激电极周围，刺激点可精确定位。（3）可以对组织同时进行多点刺激，而不致于引起相互干扰，切断了电流从公共地线传布的可能。（4）消除刺激中的直流成分，避免组织产生极化作用。目前普遍应用的是高频隔离器，简单的刺激隔离器可用铁芯变压器或低周变压器，但波宽大时，刺激波形失真。
(1)共模抑制比（CMRR）=Ad/AC，此比愈大愈好（一般为2万，最
好达5万）。Ad为差模信号的增益（在双端输入的差动放大器中输入的幅值相同，极性相反的电信号，如生物电信号），Ac为共模信号的增益（在双端输入的差动放大器中输入的幅值相同，极性相同的电信号，如干扰信号）；CMRR越大表明放大器抗干扰能力越强。辨差放大器一般都有一平衡调节使电路两侧输出端电压在无信号时趋于零。这种放大器的两个输入端输入信号，是为双边输入，如一端与生物体接触不良或脱落成为单边输入，则共模抑制比降低而出现交流电干扰。

电生理学的方法

5．频率响应（通频带）放大器只能对一定频率范围内的信号进行均衡放大。超过这范围的信号，放大倍数就会降低，放大器对低频的放大能力下降至对中间频率放大能力的70％时的信号频率称放大器的下限频率；放大器对高频的放大能力下降至对中间频率放大能力的70％时的信号频率称上限频率。此两频率间所包括的频率为频带宽度，亦即频率响应或称通频带。放大器的通频带是指能被放大器放大的信号的频率范围，由于生物电信号的频率通常低于100kHz ，因而生物电放大器的频带范围一般在0（DC ，直流）100kHz ，可以通过调节放大器的时间常数和高频滤波来选择合适的通频带。
2．放大倍数（增益）前级放大器一般最大增益约1000-2000左右。配上示波器后级放大器，整个放大倍数应能达到5Oμv／cm（记录脑电），如做肌电能达到10-20μv/cm则更好。 3．噪音输入短路无信号时，因放大器中元件内电子热骚动等因素使放大器仍有一定输出，此乃噪音。放大器的频带宽度愈大则噪音亦愈大。故频宽宜适当加以限制。由于噪音存在，故放大器的放大倍数不可能太大。在记录生物电信号时要注意信噪比，如噪音是最小信号的1/10则好。 4．漂移一般生物电放大器在接通电源后，经半小时应该稳定。交流放大器只有当时间常数超过一秒时，基线漂移才表现显著，漂移以小于10μv ／小时，或小于10μV/℃为好。
频率范围电压范围时间常数高频滤波放大灵敏度心电 0.3-200c/s 60μV-2mV 2秒 100c/s 0.5-1mV/cm 脑电 0.5-70c/s 6μV-300μV 0.1-0.3秒 30c/s或70c/s 50μV/cm 肌电 10-2000c/s 10mV-5mV 0.03-0.003秒不用 20μV-1mV/c

神经系统的信号传递与电生理学研究方法

细胞外纪录 Extracellular Recording
•工作原理：把引导电极安放在神经组织的表面或附近引导神经组织的电活动。活动部位的神经元去极化，未活动部位极化状态，在容积导体中两部位电位不同，电流流动，放置在细胞表面的电极会纪录出两者间的电位差。 •优点：方便，电极不插入细胞。 •特点：细胞外电位的波形因记录细胞的不同部位而异
The shortcut pathway. （a）G-proteins in heart muscle are activated by ACh binding to muscanrinic receptors. (b) The activated G subunit directly gates a K+ channel.
2. 神经元-神经元间化学性突触传递
• 突触神经生理学是神经科学重要分支。研究突触电生理学、结构、功能和
神经化学。 • 人类神经系统每个细胞处在不同的反复分支的神经网络中。突触种类和大小复杂的。
Synaptic arrangements in the CNS
Various sizes of CNS synapses
a. A glass electrode onto the membrane of the neuron B. Applying suction through the electrode tip. c. Withdraw the electrode from the cell, the membrane patch was torn away. D. Ionic currents was measured as steady voltages across the membrane.
NaCI, 2%旁胺天蓝，0.5mol/L醋酸钠溶液pH7.7;）。

电生理学方法学

人工智能技术在数据处理、模式识别等方面具有优势，可以应用于电生理信号的分析和处理。通过人工智能技术，可以实现电生理信号的自动识别、分类和预测，为电生理学研究提供更加精准和高效的方法。
06
电生理学研究案例分享
神经元活动的实时监测技术
神经元活动的实时监测技术是电生理学的重要研究手段过程。
离子通道与膜电位
总结词
离子通道是细胞膜上的一种结构，负责控制离子进出细胞。膜电位是指细胞膜两侧的电位差，对细胞的兴奋性和传导性具有重要影响。
详细描述
离子通道的开放和关闭状态会直接影响膜电位的变化。当离子通道开放时，离子会通过通道进入或离开细胞，导致膜电位的改变。膜电位的改变会影响细胞的兴奋性和传导性，从而影响神经元和肌肉细胞的信号传递。
电生理学的研究领域
神经电生理
研究神经系统的电活动和神经元之间的信息传递。
肌电生理
研究肌肉的电活动和运动控制。
心电生理
研究心脏的电活动和心律失常的机制。
电生理学的发展历程
19世纪
Galvani 和 Volta 的实验研究，发现生物电现象。
20世纪初
Einthoven 发明了心电图机，用于监测心脏电活动。
20世纪中叶
膜电位概念的提出，为电生理学研究提供了理论框架。
21世纪
电生理学与其他学科交叉融合，发展出新的研究领域和应用领域。
02
电生理学的基本原理
电位与电场
总结词
电位和电场是电生理学中的基本概念，它们在神经元和肌肉细胞的信号传递中起着重要作用。
详细描述
电位是指细胞内外存在的电位差，而电场则是电位分布的空间范围。在神经元和肌肉细胞中，电位的变化会引起电场的变化，从而影响细胞的功能。

电生理学讲义

第一部分绪论电生理学(electro-physiology)是生理学中的一个重要内容与组成部分。

我们讲生理学是以生物机体功能为研究对象，生物机体的功能就是整个生物及其各部分所表现出的各种生命现象。

这些生命现象大多都伴随有生物电(bioelectricity)变化，电生理学就是以生物电为研究对象。

电生理学的任务就是要研究生物电的发生机制、条件以及机体的内外环境中各种变化对这些生物电的影响，生物电与机体功能之间的内在联系，同时也研究电，磁对机体的作用及其机制。

第一节电生理学研究的内容与对象一、生理学及电生理学电生理学是生理学的一个重要方面，它是随着电子仪器与电生理技术的进步发展而来的，是专门研究生命现象中有关生物电的内容。

生理学最初是与解剖学描述结合起来的，17世纪初生理学的实验研究主要是利用物理与化学的基本方法与技术对生物体进行观察，但又有别于物理化学等一般自然科学，它的实验方法有自己的特点。

恩格斯在当时就指出生理学当然是有生命的物体的物理学，特别是它的化学，但同时它又不再是化学，因为一方面它的活动范围被限制了，另一方面它在这里又提升到了更高的阶段。

以后生理学的方法又随数、理、化等基本科学及其应用技术的发展而提高，随着电子技术的发展，特别是计算机的运用，生物电的研究越来越广泛而深入，成为生理学研究中发展最快的领域之一。

二、学习医学电生理学的主要任务1．探索正常人体生物电的现象及其发生机制。

2．探索疾病时的异常生物电现象及其发生机制。

3．运用电生理学方法作为临床疾病诊断的基础。

4．将电生理方法用于疾病的治疗与疗效评估。

三、电生理学研究的不同层次1．生物电现象的细胞和分子水平机制的研究。

人体最基本的结构和功能单位是细胞。

如神经纤维最主要的功能是传递信息，离开神经动作电位的传导就不可能完成。

肌肉的功能是收缩，这种收缩由组成每个肌细胞的肌小节的短缩而造成的，肌小节的缩短是由肌膜上动作电位所引发的。

这些电活动都与膜上通道开闭、离子的活动有关。

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第二章
心肌电生理学研究方法
Methodology of Myocardium Electrophysiological Research
电生理学技术的发展
1825年电流计发明与应用 1922年电子管放大器和阴极射线示波器问世 20世纪40年代微电极技术产生动作电位的钠学说
20世纪50年代
电压钳技术产生
1944年获诺贝尔奖
Hermann 变质学说(Alteration theory)。
1879年，他指出，在损伤的神经或肌肉中所出现的负电位差，是发生于损伤一端的，后来进一步证明了完全死亡的组织上是不产生这种负电位差的。这种正常部位与损伤部位之间的电位差，称为损伤电位 (injury potential) 这种电流则相应地称为损伤电流（injury current）Hermann认为，这种电流是损伤时才产生的。因此当组织损伤时，在生理和化学作用的影响下产生了局部的变质，因此与正常部位之间产生了电位差。
Hodgkin和Huxley离子学说（动作电位的钠学说）
1940年前后，由于Hodgkin和Huxley在枪乌贼巨
轴突上发现动作电位大于静息电位的事实，膜两
侧溶液成分不同；膜对离子具有选择性通透性，
这种通透性在动作电位时发生改变。静息时，对 K+通透，兴奋对 Na+ 通透超过 K+，通透性变化说明了神经的电兴奋，产生了离子学说（钠学
电生理获医学诺贝尔奖名单（截止到2002年）
获奖时间 1924 1932 获奖者埃因托芬 (Einthoven) (1860-1927) 艾德里安 (Adrian) (1889-1977) 谢灵顿 (Sherrington) (1857-1952) 加塞 (Gasser) (1888-1963) 厄兰格 (Erlanger) (1874-1965) 埃克尔斯 (Eccles ) （1903-1997）霍奇金 (Hodgkin) （1914-1998）赫克斯利 (Huxley) （1917-）哈特兰 (Hartline) (1902-1983) 格兰尼特 (Granit) (1900-1991) 卡茨 (Katz) (1911- ) 休伯尔 (Hubel) (1926-) 威塞尔 (Wiesel) (1924-) 内尔 (Neher) (1944-) 萨克曼 (Sakmann) (1942-) 国别荷兰英国英国美国美国澳大利亚英国英国美瑞典英国美国瑞典德国德国两人合作对视觉皮层的结构和功能进行了重要研究发明膜片箝技术，首次证实细胞膜上存在离子通道视觉神经生理（视觉神经元间的抑制）视觉神经生理（视网膜电图）提出神经递质释放的量子学说两人合作发明了示波器，并研究神经纤维的功能用 1 微米尖端的微电极研究中枢兴奋和抑制两人合作揭示了神经元通过电脉冲与其它神经元传递信息《神经活动的电表现》 “突触后抑制的离子机制” “神经传导的离子基础” “神经兴奋和传导的定量分析” 发现神经元的功能获奖工作研制成功记录心脏动作电位的心电图机并命名心电图波。获奖题目或著作 “弦线式电流计和心脏动作电位的测量” “神经纤维的活动” 《神经系统的整合作用》
一、常用电生理仪器
刺激系统（刺激器等）
检测系统（电极、换能器）

放大系统（前置、后置放大器）
记录显示系统(示波器、记录仪、计算机）
1.电子刺激器（Electronic stimulator）
电刺激不易损伤组织，又能定量而准确地重复使用。方波（矩形波， square wave ）的幅度、波宽和频率都可分别进行调节，所以矩形波电子刺激器可作为理想的刺激源。
1981年Hamill和Neher 等对该技术进行了改进，引进了全细胞记录技术，从而使该技术更趋完善；
1983年10月，《Single-Channel
Recording》一书的问世，
奠定了膜片钳技术的里程碑。
Neher
（1944-）（德国细胞生理学家）
Sak学家）
说）。
Eccles
1976 年德国马普生物物理化学研究所 Neher 和 Sakmann 首次
在青蛙肌细胞上用双电极钳制膜电位的同时，记录到乙酰胆碱（ Acetylcholine, ACh ）激活的单通道离子电流，从而产生了膜片钳技术（patch clamp technique）；
1980 年 Sigworth 等获得 10-100GΩ的高阻封接（ Gigaseal ），
合作发明了膜片钳技术，并应用这一技术首次证实了细胞膜存在离子通道。这一成果对于研究细胞功能的调控至关重要，可揭示神经系统、肌肉系统、心血管系统及糖尿病等多种疾病的发病机理，并提供治疗的新途径。二人共获1991年诺贝尔奖。
内尔在实验室进行膜片箝研究工作
1983年10月第一版《Single-Channel Recording》封面
1944
1963
1967
“受体与感知” “神经末梢的化学传递” “视觉皮层的研究” “视皮层的发育和环境的影响”
1970 1981
1991
《单通道记录》
第一节常规心肌电生理研究技术
在常规心肌电生理研究中，主要是采用
玻璃微电极插入在体或离体心肌细胞内，记
录心肌细胞的跨膜电活动，并研究各种因素
对其电活动的影响。
20世纪70年代膜片钳技术
谢灵顿 ( Sherrington) （1857-1952）英国神经生物学家。发现中枢神经反射活动规律
艾德里安 (Adrian ) （1889-1977）英国生理学家。阐明动作电位及其传导规律
1932年获诺贝尔奖
加塞 (Gasser ) 厄兰格 (Erlanger) （1888-1963）（1874-1965）（美）（美）两人合作发明了阴极示波器，并研究了神经纤维的功能
Bernstein膜学说
1902年，Bernstein提出生物电发生的膜学说： “神经或肌肉的细胞膜只对钾离子有特殊的通透性，而
对较大的阳离子和阴离子则均无通透性，因此由于细胞
内外钾离子分布不均匀，在膜两侧就形成一个电位差，
此即静息电位，神经冲动到来时，膜变为无选择通透的
膜，静息电位消失，动作电位因而产生。”