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单细胞电活动记录基本原理1. 引言1.1 单细胞电活动记录基本原理单细胞电活动记录是一种重要的生物学技术，用于研究单个细胞内部的电活动情况。
通过记录细胞膜的电压变化，可以探究细胞的生理活动、信号传导以及病理状态。
细胞膜电压的记录是单细胞电活动记录的基本原理之一。
细胞膜是细胞内外的物理隔离屏障，其中包含许多离子通道和离子泵，可以调控细胞内外的离子平衡。
当细胞受到外界刺激或内部信号时，离子通道和离子泵的活动会导致细胞膜上出现电压变化，形成动作电位。
通过记录这些电压变化，可以研究细胞内部的活动情况。
离子通道的特性也是单细胞电活动记录的重要内容之一。
不同类型的细胞具有不同的离子通道，这些离子通道对细胞的电活动起着至关重要的作用。
研究离子通道的特性可以帮助我们更好地理解细胞的功能和调控机制。
单细胞电活动记录技术的发展也对该领域的研究产生了巨大影响。
随着技术的进步，记录设备变得更加精密和灵敏，数据分析方法也变得更加高效和准确。
这些技术的进步为我们深入研究细胞的电活动提供了强大的工具。
2. 正文2.1 细胞膜电压的记录细胞膜电压是指细胞内外电位差的变化，是细胞活动的重要指标之一。
记录细胞膜电压的方法主要有两种：电极法和荧光法。
电极法是最早被用来记录细胞膜电压的方法之一。
通过将微电极插入细胞内或外，可以实时监测细胞膜电位的变化。
这种方法的优点是准确度高，可以记录细胞膜电压的细微变化。
电极法存在一些缺点，比如对细胞的侵入性大，可能会影响细胞的正常功能。
荧光法是近年来发展起来的一种新方法，通过将荧光探针与细胞膜结合，可以实现对细胞膜电压的非侵入性监测。
荧光信号的强度和细胞膜电压呈正相关关系，可以通过荧光显微镜等设备来观察和记录细胞膜电压的变化。
这种方法的优点是不会对细胞造成伤害，适用于长时间、连续性监测。
细胞膜电压的记录在神经科学、心脏病学等领域具有重要意义，可以帮助研究人员了解细胞内外的电活动规律，探索疾病发生的机制。
生理考研之第二章——“细胞的电活动”之动作电位(一)细胞的动作电位1、在静息电位的基础上，给细胞一个适当的刺激，可触发其产生可传播的膜电位波动，称为动作电位(AP)；2、锋电位：动作电位的标志；3、AP特点：1、“全或无”现象；2、不衰减传播;因为其产生的主要是“局部电流”（其幅度和波形在传播过程中始终保持不变）；3、脉冲式发放。
（细胞在静息状态下→静息电位。
离子跨膜流动→膜内、外表层电荷的改变→发生膜电位波动物理学上：是以正离子的移动方向来表示电流的方向。
细胞受刺激时引起离子流动→正电荷流入膜内→内向电流→使膜内电位的负值减小→膜去极化。
反之，如果离子流动造成正电荷由胞内流出胞外，则称为外向电流。
外向电流使膜→复极化或超极化。
通常K+由胞内流出，或C1-由胞外流入胞内，都属于外向电流。
综上→动作电位的去极相是内向电流形成的，而复极相则是外向电流形成的。
离子跨膜流动的产生需要两个必不可少的因素：一是膜两侧对离子的电化学驱动力；二是膜对离子的通透性。
）4、离子的电化学驱动力=膜电位(Em)与该离子的平衡电位(Ex) 之差，即(Em-Ex)；电化学驱动力是推动离子跨膜流动的力。
5、在动作电位期间，Na+平衡电位及K+平衡电位基本不变，因为每次动作电位进入胞内的Na+和流出的K+均只占胞质内离子总量的几万分之一，因此，不会显著影响膜两侧的离子浓度差。
电化学驱动力是由该离子在膜两侧溶液中的浓度和膜电位共同决定；膜两侧溶液中的浓度决定该离子的平衡电位。
驱动力的改变主要由膜电位变化而引起。
整个动作电位期间，膜电位将发生大幅度的改变，因此，膜对离子的每个瞬间的电化学驱动力也将随着膜电位的变化而发生相应变化。
6、能引发动作电位的最小刺激强度，称为阈强度（又叫阈值）。
>或=阈强度，即可触发动作电位，叫阈刺激或阈上刺激，为有效刺激；7、阈电位：能触发动作电位的膜电位临界值称为：阈电位；8、阈刺激就是：其强度刚好能使细胞的静息电位发生去极化达到阈电位水平的刺激。
第二章第三节细胞的电活动电信号的产生和传播都是在质膜两侧进行的。
细胞的跨膜电位有两种表现形式：即安静状态下相对平稳的静息电位和受刺激时发生的可传播、迅速波动的动作电位。
一、膜的被动电学特性和电紧张电位膜的被动电学特性：是指细胞膜作为一个静态的电学元件时所表现的电学特性，它包括静息状态下的膜电容、膜电阻和轴向电阻等。
（一）、膜电容和膜电阻跨膜电位-transmembrane potential，简称膜电位，是指当膜上的离子通道开放而引起带电离子跨膜流动时，就相当在电容器上充电或放电，从而在膜两侧产生的电位差。
（二）、电紧张电位二、静息电位及其产生机制（一）、静息电位的记录和数值静息电位-resting potential RP ：指静息时（安静状态下），质膜两侧存在的外正内负（与钾离子有关）的电位差。
细胞内电位记录：将无关电极（参考电极）置于细胞外，记录电极插入细胞内的记录方式，即细胞内电位记录。
绝大多数的静息电位是负电位膜内电位负值的减小称为静息电位减小，反之，称为静息电位增大。
极化-polarization：人们通常把平稳的静息电位存在时细胞膜外正里负的状态称为极化。
超极化-hyperpolarization：静息电位增大的过程或状态称为超极化。
去极化-depolarization：静息电位减小的过程或状态称为去极化。
反极化：去极化到达零电位后膜电位如进一步变成正值称为反极化。
超射-overshoot：膜电位高于零电位的部分称为超射。
复极化-repolarization：质膜去极化后向静息电位方向回复的过程称为复极化。
静息电位：骨骼肌细胞约-90mV 神经细胞约-70mV 平滑肌细胞约-55mV 红细胞约-10mV （二）、静息电位产生的机制静息电位仅存在膜的内外表面之间，两层间可形成很大的电位梯度，形成这种状态的基本原因是离子的跨膜扩散。
产生离子跨膜扩散的条件有两个：①、钠泵的活动，可形成膜内外离子的浓度差；②、静息时膜对某些离子，主要是对K+具有一定的通透性。
心肌细胞电活动的三个过程
心肌细胞电活动的三个过程分别是离子通道开放、离子通道关闭和电
位恢复。
这些过程密切影响着心肌细胞的兴奋性和传导性，维持了心
脏的持续准确的跳动。
一、离子通道开放
在心脏动作电位的上升期间，钠通道迅速开放，导致钠离子进入心肌
细胞内部，这被称为钠电流。
这导致细胞内电位的快速增加。
随后，钙通道也会开放，导致钙离子流入细胞内部。
这被称为钙电流，与钠电流共同导致细胞内电位的不断升高直到达到峰值。
二、离子通道关闭
一旦心肌细胞达到峰值，钠通道和钙通道都会迅速关闭，细胞内电位
开始下降。
与此同时，钾通道也会开放，导致钾离子外流，称为钾电流。
这个过程持续了长达数百毫秒。
三、电位恢复
当心肌细胞内部的电位回到静息状态时，离子通道将再次关闭，而细
胞内离子的浓度也将逐渐回到原来的水平。
这个过程被称为电位恢复
或者复极化。
总的来说，这三个过程组成了心肌细胞电活动的基本过程。
任何一个
环节出现问题都可能导致心律失常和其他心脏疾病的发生。
因此，研
究这些过程的机制和调节是非常重要的，特别是在治疗心脏病的过程中。
总结起来，心肌细胞的电活动过程可以分为三个基本步骤：离子通道
开放、离子通道关闭和电位恢复。
这些过程合作组成了心脏动作电位，不断地维护着心脏的持续跳动。
通过加深对这些过程的了解，有助于
更好地治疗心脏相关疾病，从而改善人们的生活质量。
简述细胞电活动的基本种类细胞电活动是指细胞内部发生的电信号传递和产生的活动。
细胞电活动广泛存在于生物体的各个组织和器官中，包括神经细胞、心肌细胞、肌肉细胞等。
细胞电活动的基本种类可以分为动作电位、静息电位和电流。
下面将分别对这三种基本种类进行简要介绍。
动作电位是指细胞在兴奋状态下产生的电信号。
动作电位是细胞内外电位差的快速变化，通常表现为一个快速上升的阶段和一个较慢的下降阶段。
动作电位的产生是由于细胞膜上的离子通道的打开和关闭。
当细胞受到刺激时，离子通道打开，使得细胞内外的离子平衡发生改变，从而产生电位变化。
动作电位在神经细胞中起到了传递神经信号的重要作用，也是心脏肌肉细胞收缩的基础。
静息电位是指细胞在非兴奋状态下的电位状态。
静息电位是细胞内外电位差的稳定状态，通常表现为负值。
静息电位的产生主要是由于细胞膜上存在的离子梯度和离子泵的作用。
细胞膜上的离子梯度使得钠离子和钾离子在细胞内外分布不均，从而形成了静息电位。
静息电位在维持细胞的正常功能和稳定性方面起到了关键作用。
电流是指细胞内部流动的电荷。
细胞内部存在着各种离子，这些离子在细胞内部的运动会产生电流。
离子的运动是通过细胞膜上的离子通道实现的。
离子通道的开放和关闭调节了电流的流动，从而影响了细胞的电活动。
电流在细胞内部的传递和调控中起到了重要的作用，它不仅参与了细胞内部的信号传递，还对细胞功能的调节和维持起到了关键作用。
细胞电活动的基本种类包括动作电位、静息电位和电流。
动作电位是细胞在兴奋状态下产生的电信号，静息电位是细胞在非兴奋状态下的电位状态，电流是细胞内部流动的电荷。
这些基本种类相互作用，共同参与了细胞内部的信号传递和调控，对维持细胞的正常功能和稳定性起到了重要作用。
总结起来，细胞电活动的基本种类是动作电位、静息电位和电流。
这些基本种类的产生和调控相互作用，共同参与了细胞内部的信号传递和调控，对维持细胞的正常功能和稳定性起到了重要作用。
细胞电活动的研究对于理解生物体的生理和病理过程具有重要意义，也为开发相关的治疗方法和药物提供了理论基础。
the CellBioelectricity (生物电)Membrane potential⏹Resting potential (静息电位)⏹Action potential (动作电位)(nerve cell, muscle cell, gland cell)电记录的技术(A) 细胞外记录法记录单个细胞或一群细胞的电活动。
(B) 微电极细胞内记录法记录膜内外的电位差：静息电位和动作电位。
(C) 全细胞膜片钳记录法记录当膜上单个通道开启或关闭时的电流。
Resting potential (RP)<1 mIntracellular recordingResting potentialResting potential (RP): a constant potential difference across the plasma membrane in absence of excitatory or inhibitory stimulation, with the inside negative relative to the outside.静息电位：安静情况下细胞膜两侧存在的外正内负且相对平稳的电位差。
7Resting potentialSkeletal muscle cell: -90mV;Nerve cell: -70mV;Smooth muscle cell: -55mV;Red blood cell: -9mVMagnitude varies from -10~-100mVMembrane potential极化去极化复极化超极化超射反极化reversepolarization⏹Concentrationgradient⏹Electricalgradient⏹SelectivepermeabilityIonic basis of restingpotentialIonic basis of restingpotentialIntracellular:K+Extracellular:Na+ Ion Concentration, mmol/LExtracellular Intracellular Na+14512Cl－1204K+4155 Distribution of major ion across the plasma membrane of a typical muscle cellElectrochemical driving forceHigh K+-70mVLow K++High K+-90mVLow K++++++++++++++++++++-----------------Ion movement due to concentration gradientIon movement due to electrical gradient化学驱动力电驱动力：Equilibrium potential,ExNernst equationRT [X+]o [X+]oE x = ——ln ———=60lg ———(mV)ZF [X+]i [X+]iR:universal gas constant (气体常数)T:absolute temperature (绝对温度)Z:the valence of ion (离子价数)F:Faraday constant (法拉第常数)K+equilibrium potential,EK Nernst equationRT [K+]o [K+]oE K = ——ln ———=60lg ———(mV)ZF [K+]I [K+]iE K = -95mVHigh K+-70mVLow K++High K+-90mVLow K++++++++++++++++++++-----------------K++(K++)Low Na+-70mVHigh Na++LowNa++60mVHigh Na+-Ion movement due to concentration gradient Ion movement due to electrical gradientNa+equilibrium potential,ENaE Na = +67mVGiant Squid (巨型枪乌贼)D=1mmIn 1939, Hodgkin and HuxleyE m =-65~-75mVHodgkin and HuxleyHodgkin Huxley1939年P K P NaE m = ————E K + ————E NaP K +P Na P K +P NaValue of resting potentialNa +K +K +leak channel: K +漏通道Skeletal muscle cell: -90mV; Nerve cell: -70mV;Smooth muscle cell: -55mV;Red blood cell: -9mVIonic basis of resting potentialIon Concentration, mmol/L Extracellular IntracellularNa +14512Cl －116 4.2Ca 2+ 1.00.0001K + 4.5155A －155Uneven distribution of major ion across the plasma membrane of a typical muscle cellActivity of Na +-K+pump (contribution forresting membrane potential is about 2~16mV)Na +Na +Na +K+K +_+Electrogenic pumpIonic basis of resting potential⏹[K +]o⏹Relative permeability to K +and Na +⏹Activity of Na+-K +pumpFactors affecting the restingpotentialAction potentialAction potentials are rapid, large alterations in the membrane potential that spread rapidly along the whole cell membrane.（细胞在静息电位基础上接受有效刺激后产生的而一个迅速的可向远处传播的膜电位波动）Spike potential （峰电位）After potential （后电位）后去极化电位（负后电位）后超极化电位Action PotentialThreshold potential（正后电位）(A)Giant squid axon(B)The node ofRanvier in amyelinated frogfiber(C)Cat visual cortex(D)Sheep heartPurkinje fiber(E)Rabbit retinalganglion cell(F)Layer 5pyramidal cell inthe rat Action Potential⏹All-or-none （“全或无”现象）: event that occurs maximally or not at all.⏹Propagate without decrement （不衰减传播）⏹Pulsed discharge （脉冲式发放）Characteristics of AP (动作电位的特点)Na+➔Inward currentK+➔Outward current➔Depolarization➔RepolarizationHyperpolarization Mechanism of AP1.2.At resting membrane potential:Driving force for Na +:= E m -ENa= -70mV –(+60mV)= -130mV Driving force for K += E m -E K= -70mV –(-90mV)= +20mVElectrochemical driving forceNa +➔Inward current K +➔Outward current ➔Depolarization➔Repolarization HyperpolarizationAt overshoot level:Driving force for Na +:= E m -E Na= +30mV –(+60mV)= -30mV Driving force for K += E m -E K= + 30mV –(-90mV)= +120mVElectrochemical driving forceIonic basis of action potentialNa+Na +E Na = +50 ~ +70mVVoltage clamp(电压钳)I X =G X •(E m -E X )G X = I X /(E m -E X )Change in membrane conductanceduring an action potentialmembrane permeability(conductance)指令电压Hodgkin and Huxley Nobel Prize (1963)Voltage clamp recording(Na + channel blocker)(K + channel blocker)I NaI KChange in membrane conductance during an action potentialTTX ：tetrodotoxin 河豚毒; TEA ：tetraethylammonium 四乙铵⏹时间依赖性⏹电压依赖性Change in membrane conductanceduring an action potential⏹At all levels of depolarization, Na +channels open more rapidly than K +channels (时间依赖性)⏹The higher level the depolarization, the greater amplitude the G Na or G K (电压依赖性)Change in membraneconductance during an APChanges in membrane potential and changes in membrane permeability toNa+and K+Positive feedback动作电位上升相的机制是：去极化→电压门控Na＋通道迅速开放→Na＋内向电流增多→膜进一步去极化→更多电压门控Na＋通道开放→Na＋内向电流进一步增大。
