电生理膜片钳技术教学中的一些心得_林显光
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2 针对学生的特点因材施教 进行膜片钳技术学习的学生绝大多数为理科背景主修生 命科学或者医科背景主修医学方面的学生。这些学生的工科 知识很薄弱，比较难于理解膜片钳放大器系统是如何进行工 作的。因此在教学过程中，不必强求其理解放大器的工作原 理，如：膜片钳放大器是如何降低噪声？为什么要采用多阶低 通滤波？这些问题比较枯燥，没有接触过电学方面课程的学 生容易失去兴趣，只需要他们掌握大致的概念即可，即为什么 要滤波，低通滤波的优点和缺点是什么，并用滤波前后的具体 数据进行比较。再有比如噪声的分类方式及其计算公式，不 必过分深入，只需要学生掌握可以降低噪声的手段即可，如在 电极尖端涂覆树脂、减少内液使用量等。但有必要对他们强 化跟电生理学测量相关的放大器方面知识，如：P/N 漏减（P/N leak substraction）这个知识点，就不可这样一带而过，而是需要
4 指导学生使用合适的科研用分析软件 目前主流的膜片钳设备主要为美国产 Axopatch 系列和 HEKA 的 EPC 系列，两类产品均需要特定的数据处理软件，如 前者需要 Clampfit，后者需要 Igor。这些软件比起常用的办公 系列软件来说要复杂很多，比如 Igor，其英文说明书就有两千 多页，学习起来比较困难。尽管如此，建议老师还是应该精通 这些软件并且指导学生用这些专门的科研分析软件进行数据 处理和作图，以免发生错误。如膜片钳数据是一个一个数据 点排列成的数组，很多时候多达几万甚至几十万个，如果将膜 片钳数据导出成数组，用 excel 来处理，虽然操作较为顺手，但 是 excel 对于单列是有上限的，会直接砍掉一部分数据，造成 分析结果异常。并且科研专用分析软件如果运用合理的话， 可以按照刊物的需求做出合乎自己需求的图，甚至可以在软 件内部编写出可以对数据进行自动化处理的小程序来极大地 提高工作效率，而常规办公软件是无法完成这些工作的。 综上所述，电生理膜片钳系统是当今生理学科研中非常 重要的系统，但由于其难于精通，所以单单靠日常训练难于让 学生正确地利用这个系统进行科研任务。因此，有必要用一 系列课程合理地对学生进行培训，切实地分析这一课程与其 他传统生理学或者物理学课程的差别，选择合适的方式进行 教学，才能使学生更深刻地理解这一系统，来更有效地完成相 关科研任务。
而对于一些针对特别具体实验的内容，如怎样制备大鼠脑片、 怎样进行海马脑片记录、怎样在新生大鼠离体脑干——脊髓 标本上进行实验等，则不必列入课程范围内，因为在学生可以 查找到的文献中有更新、更完备、更切合实际工作的方法，不 需要在课堂上进行这些内容的训练。我们课程的宗旨是让学 生理解膜片钳系统的工作原理，并指导其将具体实验与放大 器原理结合起来进行科研工作，而非手把手地进行实验方法 教学，何况这些教科书上的实验方法很容易被时间所淘汰。至 于教材中关于如何连接数模转换线路、如何使用某一种采集 软件的内容，也不必列为教学内容。因为这些都是在仪器说 明书中所包含的内容，并且随着设备的更新换代会有所改变， 学生可以通过阅读说明书来获得更准确的信息。
课程教学
电生理膜片钳技术教学中的一些心得
林显光
（中南民族大学生物医学工程工学院 湖北·武汉 430074）
摘 要 膜片钳技术是电生理学研究中的重要技术，越来越多地被应用于检测细胞离子通道、动作电位、分泌特性等
研究中。然而这个系统由于其相对复杂，操作较为难于上手，往往使得没有接受过系统训练的学生比较难使用这一系
82 科 教 导 刊 2013 年 4 月（中）
课程教学
明确 P/N 漏减功能是怎样实现的？为什么要进行 P/N 漏减操 作？这里需要注意的是，要采用更合适理科背景学生理解的 方式进行教学。如果参照传统课本中的模式，先提出 P/N 漏 减的概念，再给出计算方法，最后提出应用范围，往往收不到 良好的效果，因为学生已经陷入繁杂的理论体系中。这时应 该改换一种模式，首先拿出尚未进行 P/N 漏减的膜片钳数据 如钠离子电流数据和标准的文献中的做比较，再告诉学生，产 生这样数据差距的原因，主要是因为线性被动反应电流导致 也就是通常所说的漏电流导致的。接下来对 P/N 漏减模式进 行详细解释：给出细胞电生理等效模式图，指出当细胞膜内外 电压差发生变化时，细胞作为电路中的等效电阻电容并联体 系，其电阻会有电流通过，电容会有充放电反应，也就是产生 了电阻电流和电容电流，对于这种电流干扰，是不能简单地通 过平移曲线来消除其影响，因此需要引入 P/N 漏减的方法，在 向细胞给出幅度为 阶跃刺激获得实验所需电流数据之前，向 细胞施加 n 个阶跃电压，其电压为 /n,这些较小的阶跃电压可 以选择与阶跃刺激方向相同，也可以选择相反，这样将这些阶 跃电压所得的被动反应电流加和就可以得到在幅度为 阶跃 时候会产生的漏电流，通过曲线间加减法即可消除漏电流的 影响。同时，要指出这样做的缺陷——会增大信号的噪声。这 样，可以使学生更深刻地理解这一概念，并且懂得在哪种情况 下需要采用这个方式进行漏电流剪除，以及 P/N 漏减操作之 后会对数据产生怎样的影响。
LIN Xianguang
(College of Biomedical Engineering, South-central University for Nationalities, Hubei, Wuhan, 430074)
Abstract Patch-clamp technique is an important technology in electrophysiological research, which is more and more used to detect cell ion channels, action potential, secretion characteristics, etc. This system, however, because of its relatively complication and difficult operation, often makes new users who did not receive systematic training hard to obtain accurate data and get into trouble. Therefore, it is very necessary to establish courses to train students' operational ability. The author systemically elaborates some important links in this course so as to help teachers have a better teaching. Key words patch-clamp technique, electrophysiology, bioelectric signals
参考文献
[1] 陈军.膜片钳实验技术.北京:科学出版社,2001. [2] 康华光等.膜片钳技术及应用.北京:科学出版社,2003. [3] 刘振伟.实用膜片钳技术.北京:军事科学出版社,2006.
2013 年 4 月（中） 科 教 导 刊 83
统获得正确的数据而陷入困境。所以有必要开设课程进行教学。作者对课程中一些须特别注意的环节进行了系统的
阐述，以其协助老师们更好地对这门课程进行教学。分类号：G424
文献标识码：A
Experience on Electrophysiological Patch-clamp Technique Teaching
3 授课教师应该对膜片钳有深入的理解 膜片钳技术从表面上看只是对膜片钳放大器相关系统的 应用来采集微弱的生物电信号，但事实上，对不同的样本，不 同类型信号的测量，有非常多的决定成败的细节。这就要求 授课教师不能仅仅依赖教材和论文，而要亲身实地尽可能多 地涉猎不同类型的实验，才不至于在授课中由于自己的“想当 然”而误导学生。如膜片钳的主要测量模式为贴附式、全细胞 模式、细胞膜内向外模式、细胞膜外向外模式。曾经很多老师 会认为，其中的贴附式是获得数据最简单、技术含量最低的一 种，比全细胞模式要容易很多，因为全细胞模式记录是在贴附 式记录基础上，吸破细胞和电极接触部分的细胞膜形成的，换 句话说进行全细胞模式记录之前先要形成贴附式封接。然而 事实并非如此。在膜片钳实验中，一般要求玻璃电极和细胞 之间实现高阻抗封接也就是通常说的 G 欧封接。对于全细胞 模式的记录来讲，由于信号较大，全细胞电流一般在数百 pA 到数千 pA，因此达到大约 1G 欧姆左右的封接，信噪比就足以 准确的测定实验信号。所以虽然全细胞模式比贴附式要多一 次将封接点细胞膜吸破的工序，但一般而言 50%以上的细胞 在吸破之后仍然可以保持 G 欧封接，可以获得有效的数据。 而反观贴附式记录模式，一般要测定的是被封接区域上的单 通道电流，多在 10pA 以下，这就需要封接电阻至少要达到 10G 以上才可以记录到单通道电流。而可以达到 10G 以上封接的 细胞并不特别常见，并且并不是每一次都可以准确地将离子 通道封在电极中。因此一般而言，可以说贴附式记录获得实 验数据的难度要大于全细胞模式。再比如常见的动作电位的 记录。膜片钳教科书上所给出的记录模式图均取自最初的双 电极电压钳细胞内记录，即在一根电极处给出短促的方波电 压刺激，在另一处电极处处于静息状态下记录细胞的动作电
电生理学是生理学的一个分支，是一门研究生物细胞或 组织的电学特性的科学。主要研究对象包括细胞膜电势变化、 离子通道的性状、跨膜电流的调节以及可兴奋性细胞的动作 电位等。电生理学研究中，主要利用物理学的研究方法来探 讨生物学问题，最核心的手段就是用膜片钳放大器进行生物 电信号的检测。这是一类比较“专家向”的设备，因此必须开 设专门的课程对学生进行深入的膜片钳相关技术的教学，使 其在科研过程中少走弯路，顺利的开展工作。
位。但是，其实用这种记录方式来描述常见的动作电位记录 是不准确的。目前使用膜片钳系统进行的动作电位记录，大 多数是单电极测试，也就是从同一根探头给出去极化刺激并 且同时检测膜电流的变化来测定动作电位。这两种情况下， 动作电位产生的原理是相同的，可以说反映了类似的细胞活 动，但是不能完全等同起来，后者的采集过程中，细胞处于一 个较长时间的胞内电势去极化的状态，主要用来测试细胞动 作电位的发放频率（Fire rate），而前者主要用来测试细胞对于 某种短促刺激的响应能力，这里需要着重给学生分析清楚。
4 指导学生使用合适的科研用分析软件 目前主流的膜片钳设备主要为美国产 Axopatch 系列和 HEKA 的 EPC 系列，两类产品均需要特定的数据处理软件，如 前者需要 Clampfit，后者需要 Igor。这些软件比起常用的办公 系列软件来说要复杂很多，比如 Igor，其英文说明书就有两千 多页，学习起来比较困难。尽管如此，建议老师还是应该精通 这些软件并且指导学生用这些专门的科研分析软件进行数据 处理和作图，以免发生错误。如膜片钳数据是一个一个数据 点排列成的数组，很多时候多达几万甚至几十万个，如果将膜 片钳数据导出成数组，用 excel 来处理，虽然操作较为顺手，但 是 excel 对于单列是有上限的，会直接砍掉一部分数据，造成 分析结果异常。并且科研专用分析软件如果运用合理的话， 可以按照刊物的需求做出合乎自己需求的图，甚至可以在软 件内部编写出可以对数据进行自动化处理的小程序来极大地 提高工作效率，而常规办公软件是无法完成这些工作的。 综上所述，电生理膜片钳系统是当今生理学科研中非常 重要的系统，但由于其难于精通，所以单单靠日常训练难于让 学生正确地利用这个系统进行科研任务。因此，有必要用一 系列课程合理地对学生进行培训，切实地分析这一课程与其 他传统生理学或者物理学课程的差别，选择合适的方式进行 教学，才能使学生更深刻地理解这一系统，来更有效地完成相 关科研任务。
而对于一些针对特别具体实验的内容，如怎样制备大鼠脑片、 怎样进行海马脑片记录、怎样在新生大鼠离体脑干——脊髓 标本上进行实验等，则不必列入课程范围内，因为在学生可以 查找到的文献中有更新、更完备、更切合实际工作的方法，不 需要在课堂上进行这些内容的训练。我们课程的宗旨是让学 生理解膜片钳系统的工作原理，并指导其将具体实验与放大 器原理结合起来进行科研工作，而非手把手地进行实验方法 教学，何况这些教科书上的实验方法很容易被时间所淘汰。至 于教材中关于如何连接数模转换线路、如何使用某一种采集 软件的内容，也不必列为教学内容。因为这些都是在仪器说 明书中所包含的内容，并且随着设备的更新换代会有所改变， 学生可以通过阅读说明书来获得更准确的信息。
课程教学
电生理膜片钳技术教学中的一些心得
林显光
（中南民族大学生物医学工程工学院 湖北·武汉 430074）
摘 要 膜片钳技术是电生理学研究中的重要技术，越来越多地被应用于检测细胞离子通道、动作电位、分泌特性等
研究中。然而这个系统由于其相对复杂，操作较为难于上手，往往使得没有接受过系统训练的学生比较难使用这一系
82 科 教 导 刊 2013 年 4 月（中）
课程教学
明确 P/N 漏减功能是怎样实现的？为什么要进行 P/N 漏减操 作？这里需要注意的是，要采用更合适理科背景学生理解的 方式进行教学。如果参照传统课本中的模式，先提出 P/N 漏 减的概念，再给出计算方法，最后提出应用范围，往往收不到 良好的效果，因为学生已经陷入繁杂的理论体系中。这时应 该改换一种模式，首先拿出尚未进行 P/N 漏减的膜片钳数据 如钠离子电流数据和标准的文献中的做比较，再告诉学生，产 生这样数据差距的原因，主要是因为线性被动反应电流导致 也就是通常所说的漏电流导致的。接下来对 P/N 漏减模式进 行详细解释：给出细胞电生理等效模式图，指出当细胞膜内外 电压差发生变化时，细胞作为电路中的等效电阻电容并联体 系，其电阻会有电流通过，电容会有充放电反应，也就是产生 了电阻电流和电容电流，对于这种电流干扰，是不能简单地通 过平移曲线来消除其影响，因此需要引入 P/N 漏减的方法，在 向细胞给出幅度为 阶跃刺激获得实验所需电流数据之前，向 细胞施加 n 个阶跃电压，其电压为 /n,这些较小的阶跃电压可 以选择与阶跃刺激方向相同，也可以选择相反，这样将这些阶 跃电压所得的被动反应电流加和就可以得到在幅度为 阶跃 时候会产生的漏电流，通过曲线间加减法即可消除漏电流的 影响。同时，要指出这样做的缺陷——会增大信号的噪声。这 样，可以使学生更深刻地理解这一概念，并且懂得在哪种情况 下需要采用这个方式进行漏电流剪除，以及 P/N 漏减操作之 后会对数据产生怎样的影响。
LIN Xianguang
(College of Biomedical Engineering, South-central University for Nationalities, Hubei, Wuhan, 430074)
Abstract Patch-clamp technique is an important technology in electrophysiological research, which is more and more used to detect cell ion channels, action potential, secretion characteristics, etc. This system, however, because of its relatively complication and difficult operation, often makes new users who did not receive systematic training hard to obtain accurate data and get into trouble. Therefore, it is very necessary to establish courses to train students' operational ability. The author systemically elaborates some important links in this course so as to help teachers have a better teaching. Key words patch-clamp technique, electrophysiology, bioelectric signals
参考文献
[1] 陈军.膜片钳实验技术.北京:科学出版社,2001. [2] 康华光等.膜片钳技术及应用.北京:科学出版社,2003. [3] 刘振伟.实用膜片钳技术.北京:军事科学出版社,2006.
2013 年 4 月（中） 科 教 导 刊 83
统获得正确的数据而陷入困境。所以有必要开设课程进行教学。作者对课程中一些须特别注意的环节进行了系统的
阐述，以其协助老师们更好地对这门课程进行教学。分类号：G424
文献标识码：A
Experience on Electrophysiological Patch-clamp Technique Teaching
3 授课教师应该对膜片钳有深入的理解 膜片钳技术从表面上看只是对膜片钳放大器相关系统的 应用来采集微弱的生物电信号，但事实上，对不同的样本，不 同类型信号的测量，有非常多的决定成败的细节。这就要求 授课教师不能仅仅依赖教材和论文，而要亲身实地尽可能多 地涉猎不同类型的实验，才不至于在授课中由于自己的“想当 然”而误导学生。如膜片钳的主要测量模式为贴附式、全细胞 模式、细胞膜内向外模式、细胞膜外向外模式。曾经很多老师 会认为，其中的贴附式是获得数据最简单、技术含量最低的一 种，比全细胞模式要容易很多，因为全细胞模式记录是在贴附 式记录基础上，吸破细胞和电极接触部分的细胞膜形成的，换 句话说进行全细胞模式记录之前先要形成贴附式封接。然而 事实并非如此。在膜片钳实验中，一般要求玻璃电极和细胞 之间实现高阻抗封接也就是通常说的 G 欧封接。对于全细胞 模式的记录来讲，由于信号较大，全细胞电流一般在数百 pA 到数千 pA，因此达到大约 1G 欧姆左右的封接，信噪比就足以 准确的测定实验信号。所以虽然全细胞模式比贴附式要多一 次将封接点细胞膜吸破的工序，但一般而言 50%以上的细胞 在吸破之后仍然可以保持 G 欧封接，可以获得有效的数据。 而反观贴附式记录模式，一般要测定的是被封接区域上的单 通道电流，多在 10pA 以下，这就需要封接电阻至少要达到 10G 以上才可以记录到单通道电流。而可以达到 10G 以上封接的 细胞并不特别常见，并且并不是每一次都可以准确地将离子 通道封在电极中。因此一般而言，可以说贴附式记录获得实 验数据的难度要大于全细胞模式。再比如常见的动作电位的 记录。膜片钳教科书上所给出的记录模式图均取自最初的双 电极电压钳细胞内记录，即在一根电极处给出短促的方波电 压刺激，在另一处电极处处于静息状态下记录细胞的动作电
电生理学是生理学的一个分支，是一门研究生物细胞或 组织的电学特性的科学。主要研究对象包括细胞膜电势变化、 离子通道的性状、跨膜电流的调节以及可兴奋性细胞的动作 电位等。电生理学研究中，主要利用物理学的研究方法来探 讨生物学问题，最核心的手段就是用膜片钳放大器进行生物 电信号的检测。这是一类比较“专家向”的设备，因此必须开 设专门的课程对学生进行深入的膜片钳相关技术的教学，使 其在科研过程中少走弯路，顺利的开展工作。
位。但是，其实用这种记录方式来描述常见的动作电位记录 是不准确的。目前使用膜片钳系统进行的动作电位记录，大 多数是单电极测试，也就是从同一根探头给出去极化刺激并 且同时检测膜电流的变化来测定动作电位。这两种情况下， 动作电位产生的原理是相同的，可以说反映了类似的细胞活 动，但是不能完全等同起来，后者的采集过程中，细胞处于一 个较长时间的胞内电势去极化的状态，主要用来测试细胞动 作电位的发放频率（Fire rate），而前者主要用来测试细胞对于 某种短促刺激的响应能力，这里需要着重给学生分析清楚。
