Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Электрофизиология (от греческого ἥλεκτρον , ēlektron , «янтарь» [см. Этимологию «электрона» ]; φύσις , physis , «природа, происхождение»; и -λογία , -logia ) - раздел физиологии , изучающий электрические свойства биологических клетки и ткани. Он включает в себя измерения изменений напряжения или электрического тока или манипуляции в самых разных масштабах, от белков с одним ионным каналом до целых органов, таких как сердце . В неврологии, он включает измерения электрической активности нейронов и, в частности, активности потенциала действия. Записи крупномасштабных электрических сигналов от нервной системы , такие как электроэнцефалография , также могут называться электрофизиологическими записями. [1] Они полезны для электродиагностики и мониторинга .

«Токовые клещи» - распространенный метод в электрофизиологии. Это запись с помощью токовых клещей на всю клетку, в которой нейрон срабатывает из-за его деполяризации при подаче тока.

Определение и сфера применения [ править ]

Классические электрофизиологические техники [ править ]

Принцип и механизмы [ править ]

Электрофизиология - это раздел физиологии, который в широком смысле относится к потоку ионов ( ионный ток ) в биологических тканях и, в частности, к методам электрической записи, которые позволяют измерять этот поток. Классические методы электрофизиологии включают размещение электродов в различных препаратах биологической ткани. Основные типы электродов:

  1. простые твердые проводники, такие как диски и иглы (одиночные или массивы, часто изолированные, за исключением наконечника),
  2. следы на печатных платах или гибких полимерах, также изолированные, за исключением наконечника, и
  3. полые пробирки, заполненные электролитом, например стеклянные пипетки, наполненные раствором хлорида калия или другим раствором электролита.

Основные приготовления включают:

  1. живые организмы,
  2. иссеченная ткань (острая или посевная),
  3. диссоциированные клетки из иссеченной ткани (острые или культивированные),
  4. искусственно выращенные клетки или ткани, или
  5. гибриды вышеперечисленных.

Нейрональная электрофизиология - это изучение электрических свойств биологических клеток и тканей нервной системы. С помощью нейрональной электрофизиологии врачи и специалисты могут определить, как возникают нейрональные расстройства, глядя на активность мозга человека. Активность, например, какие части мозга загораются в любых возникающих ситуациях. Если электрод достаточно мал (микрометры) в диаметре, то электрофизиолог может выбрать вставку наконечника в отдельную ячейку. Такая конфигурация позволяет прямое наблюдение и регистрацию внутриклеточногоэлектрическая активность отдельной клетки. Однако такая инвазивная установка сокращает жизнь клетки и вызывает утечку веществ через клеточную мембрану. Внутриклеточную активность также можно наблюдать с помощью специально сформированной (полой) стеклянной пипетки, содержащей электролит. В этом методе наконечник микроскопической пипетки прижимается к клеточной мембране, к которой он плотно прилегает за счет взаимодействия между стеклом и липидами клеточной мембраны. Электролит внутри пипетки может быть переведен в жидкостную непрерывность с цитоплазмой путем подачи импульса отрицательного давления на пипетку, чтобы разорвать небольшой участок мембраны, окруженный ободком пипетки ( запись для всей клетки). Альтернативно, ионная непрерывность может быть установлена ​​путем «перфорирования» пластыря, позволяя экзогенному порообразующему агенту внутри электролита внедриться в пластырь мембраны ( запись перфорированного пластыря ). Наконец, патч можно оставить нетронутым ( запись патча ).

Электрофизиолог может решить не вставлять наконечник в одну ячейку. Вместо этого можно оставить кончик электрода непрерывно с внеклеточным пространством. Если наконечник достаточно мал, такая конфигурация может позволить косвенное наблюдение и регистрацию потенциалов действия от одной ячейки, что называется записью одной единицы . В зависимости от подготовки и точного размещения внеклеточная конфигурация может улавливать активность нескольких соседних клеток одновременно, что называется многоклеточной записью .

По мере увеличения размера электрода разрешающая способность уменьшается. Электроды большего размера чувствительны только к чистой активности многих клеток, называемой потенциалами локального поля . Электроды еще большего размера, такие как неизолированные иглы и поверхностные электроды, используемые клиническими и хирургическими нейрофизиологами, чувствительны только к определенным типам синхронной активности в популяциях клеток, насчитывающих миллионы.

Другие классические электрофизиологические методы включают одноканальную запись и амперометрию .

Электрографические методы по частям тела [ править ]

Электрофизиологические записи в целом иногда называют электрографией (от электро- + -graphy , «электрическая запись»), с записью полученной таким образом , чтобы быть электрограммой. Однако слово « электрография» имеет и другие значения (включая электрофотографию ), и определенные типы электрофизиологической записи обычно называются определенными именами, построенными по образцу электро- + [ комбинированная форма части тела ] + -графии (аббревиатура ExG). Соответственно, слово электрограмма (не нужно для других органов чувств).) часто имеет особое значение внутрисердечной электрограммы, которая похожа на электрокардиограмму, но с некоторыми инвазивными отведениями (внутри сердца), а не только с неинвазивными отведениями (на коже). Электрофизиологическая запись в клинико- диагностических целях входит в категорию электродиагностических исследований . Существуют следующие различные режимы «ExG»:

МодальностьСокращениеЧасть телаРаспространенность в клиническом использовании
электрокардиографияЭКГ или ЭКГсердце (в частности, сердечная мышца ) с кожными электродами (неинвазивными)1 - очень часто
электроатриографияЕАГпредсердная сердечная мышца3 - нечасто
электровентрикулографияEVGжелудочковая сердечная мышца3 - нечасто
внутрисердечная электрограммаВОСАсердце (в частности, сердечная мышца ), с внутрисердечными электродами (инвазивные)2 - довольно часто
электроэнцефалографияЭЭГголовной мозг (обычно кора больших полушарий ), с экстракраниальными электродами2 - довольно часто
электрокортикографияЭКоГ или иЭЭГголовной мозг (особенно кора головного мозга) с внутричерепными электродами2 - довольно часто
электромиографияЭМГмышцы по всему телу (обычно скелетные , иногда гладкие )1 - очень часто
электроокулографияEOGглаз - весь земной шар2 - довольно часто
электроретинографияЭРГглаз - особенно сетчатка2 - довольно часто
электронистагмографияENGглаз - через корнеоретинальный потенциал2 - довольно часто
электроольфактографияEOGобонятельный эпителий у млекопитающих3 - нечасто
электроантеннографияЕАГобонятельные рецепторы в усиках членистоногих4 - клинически не применимо
электрокохлеографияЭКОГ или ЭКохГулитка2 - довольно часто
электрогастрографияЯЙЦОгладкая мышца желудка2 - довольно часто
электрогастроэнтерографияЭГЭГгладкие мышцы желудка и кишечника2 - довольно часто
электроглоттографияЯЙЦОголосовая щель3 - нечасто
электропалатографияEPGнебный контакт языка3 - нечасто
электроартериографияЕАГартериальный кровоток через потенциал потока, обнаруженный через кожу [2]3 - нечасто
электроблефарографияEBGмышца века3 - нечасто
электродермографияEDGкожа3 - нечасто
электрогистерографияEHGматка3 - нечасто
электронейронографияENeG или ENoGнервы3 - нечасто
электропневмографияEPGлегкие (движения грудной клетки)3 - нечасто
электроспинографияESGспинной мозг3 - нечасто
электровомерографияEVGсошник3 - нечасто

Оптические электрофизиологические методы [ править ]

Оптические электрофизиологические методы были созданы учеными и инженерами, чтобы преодолеть одно из основных ограничений классических методов. Классические методы позволяют наблюдать электрическую активность примерно в одной точке в объеме ткани. Классические техники выделяют распределенное явление. Интерес к пространственному распределению биоэлектрической активности побудил к разработке молекул, способных излучать свет в ответ на электрическое или химическое окружение. Примерами являются красители, чувствительные к напряжению, и флуоресцирующие белки.

После введения одного или нескольких таких соединений в ткань посредством перфузии, инъекции или экспрессии гена можно наблюдать и регистрировать одно- или двумерное распределение электрической активности.

Внутриклеточная запись [ править ]

Внутриклеточная запись включает измерение напряжения и / или тока через мембрану клетки. Чтобы сделать внутриклеточную запись, кончик тонкого (острого) микроэлектрода должен быть вставлен внутрь клетки, чтобы можно было измерить мембранный потенциал . Обычно мембранный потенциал покоя здоровой клетки составляет от -60 до -80 мВ, а во время потенциала действия мембранный потенциал может достигать +40 мВ. В 1963 году Алан Ллойд Ходжкин и Эндрю Филдинг Хаксли получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за их вклад в понимание механизмов, лежащих в основе генерации потенциалов действия в нейронах. Их эксперименты включали внутриклеточные записи с гигантского аксона атлантического кальмара (Loligo pealei ), и были одними из первых применений техники «зажима напряжения». [3] Сегодня большинство микроэлектродов, используемых для внутриклеточной записи, представляют собой стеклянные микропипетки с диаметром кончика <1 микрометра и сопротивлением в несколько мегом. Микропипетки заполнены раствором, ионный состав которого аналогичен внутриклеточной жидкости клетки. Хлорированная серебряная проволока, вставленная в пипетку, электрически соединяет электролит с усилителем и схемой обработки сигнала. Напряжение, измеренное электродом, сравнивается с напряжением электрода сравнения, обычно серебряной проволоки, покрытой хлоридом серебра, контактирующей с внеклеточной жидкостью вокруг клетки. Как правило, чем меньше размер наконечника электрода, тем выше его электрическое сопротивление., поэтому электрод - это компромисс между размером (достаточно малым, чтобы проникнуть в одну ячейку с минимальным повреждением ячейки) и сопротивлением (достаточно низким, чтобы можно было отличить небольшие нейронные сигналы от теплового шума на кончике электрода).

Зажим напряжения [ править ]

Основная статья: зажим напряжения
В зажиме напряжения используется механизм отрицательной обратной связи. Усилитель мембранного потенциала измеряет мембранное напряжение и отправляет выходной сигнал на усилитель обратной связи. Усилитель обратной связи вычитает мембранное напряжение из командного напряжения, которое он получает от генератора сигналов. Этот сигнал усиливается и возвращается в ячейку через регистрирующий электрод.

Техника фиксации напряжения позволяет экспериментатору «фиксировать» потенциал ячейки на выбранном уровне. Это позволяет измерить, сколько ионного тока проходит через мембрану клетки при любом заданном напряжении. Это важно, потому что многие ионные каналы в мембране нейрона представляют собой управляемые по напряжению ионные каналы , которые открываются только тогда, когда напряжение на мембране находится в определенном диапазоне. Измерения тока с фиксацией напряжения становятся возможными благодаря почти одновременному цифровому вычитанию переходных емкостных токов, которые проходят, когда регистрирующий электрод и мембрана ячейки заряжаются, чтобы изменить потенциал ячейки.

Текущий зажим [ править ]

Не путать с токовыми клещами в электронике.

Техника токового зажима регистрирует мембранный потенциал путем подачи тока в ячейку через регистрирующий электрод. В отличие от режима фиксации напряжения, где мембранный потенциал поддерживается на уровне, определяемом экспериментатором, в режиме «фиксации тока» мембранный потенциал может свободно изменяться, и усилитель записывает любое напряжение, генерируемое клеткой самостоятельно или в виде результат стимуляции. Этот метод используется для изучения того, как клетка реагирует на проникновение электрического тока в клетку; это важно, например, для понимания того, как нейроны реагируют на нейротрансмиттеры, которые открывают мембранные ионные каналы .

Большинство усилителей с токовыми фиксаторами обеспечивают незначительное усиление изменений напряжения, записываемых с ячейки, или совсем не обеспечивают их. «Усилитель» на самом деле представляет собой электрометр , иногда называемый «усилителем с единичным усилением»; его основная цель - уменьшить электрическую нагрузку на слабые сигналы (в диапазоне мВ), создаваемые ячейками, чтобы их можно было точно зарегистрировать с помощью электроники с низким импедансом . Усилитель увеличивает ток за сигналом, уменьшая сопротивление, через которое этот ток проходит. Рассмотрим этот пример, основанный на законе Ома: напряжение 10 мВ генерируется путем пропускания тока 10 наноампер через сопротивление 1 МОм . Электрометр изменяет этот «сигнал высокого импеданса» на «сигнал с низким импедансом »с помощьюцепь повторителя напряжения . Повторитель напряжения считывает напряжение на входе (вызванное небольшим током через большой резистор ). Затем он инструктирует параллельную цепь, за которой находится большой источник тока (электрическая сеть), и регулирует сопротивление этой параллельной цепи, чтобы получить такое же выходное напряжение, но с меньшим сопротивлением.

Запись с фиксацией патча [ править ]

Клеток прикреплен зажим патч использует микропипетки , прикрепленные к клеточной мембране , чтобы позволить запись из одного ионного канала.
Основная статья: Патч зажим

Этот метод был разработан Эрвином Неером и Бертом Сакманном , получившими Нобелевскую премию в 1991 году [4].Обычная внутриклеточная запись включает протыкание клетки тонким электродом; Запись патч-зажим использует другой подход. Микроэлектрод с патч-зажимом представляет собой микропипетку с относительно большим диаметром наконечника. Микроэлектрод помещается рядом с ячейкой, и через микроэлектрод применяется мягкое всасывание, чтобы втянуть кусок клеточной мембраны («заплатку») в кончик микроэлектрода; стеклянный наконечник образует прочное «уплотнение» с клеточной мембраной. Эта конфигурация представляет собой режим «прикрепления к клетке», и его можно использовать для изучения активности ионных каналов, присутствующих в участке мембраны. Если теперь приложить большее всасывание, небольшой участок мембраны на кончике электрода может сместиться, оставляя электрод герметичным по отношению к остальной части ячейки. Эта "целая клетка"режим обеспечивает очень стабильную внутриклеточную запись. Недостатком (по сравнению с обычной внутриклеточной записью с острыми электродами) является то, что внутриклеточная жидкость клетки смешивается с раствором внутри записывающего электрода, и поэтому некоторые важные компоненты внутриклеточной жидкости могут быть разбавлены. Вариант этой техники, техника «перфорированной заплатки», пытается минимизировать эти проблемы. Вместо применения всасывания для смещения мембранного пластыря с кончика электрода, также можно сделать небольшие отверстия на пластыре с помощью порообразующих агентов, чтобы большие молекулы, такие как белки, могли оставаться внутри клетки, а ионы могли свободно проходить через отверстия. . Также участок мембраны можно оторвать от остальной части клетки. Этот подход позволяет фармакологически проанализировать мембранные свойства пластыря.Недостатком (по сравнению с обычной внутриклеточной записью с острыми электродами) является то, что внутриклеточная жидкость клетки смешивается с раствором внутри записывающего электрода, и поэтому некоторые важные компоненты внутриклеточной жидкости могут быть разбавлены. Вариант этой техники, техника «перфорированной заплатки», пытается минимизировать эти проблемы. Вместо применения всасывания для смещения мембранного пластыря с кончика электрода, также можно сделать небольшие отверстия на пластыре с помощью порообразующих агентов, чтобы большие молекулы, такие как белки, могли оставаться внутри клетки, а ионы могли свободно проходить через отверстия. . Также участок мембраны можно оторвать от остальной части клетки. Этот подход позволяет фармакологически проанализировать мембранные свойства пластыря.Недостатком (по сравнению с обычной внутриклеточной записью с острыми электродами) является то, что внутриклеточная жидкость клетки смешивается с раствором внутри записывающего электрода, и поэтому некоторые важные компоненты внутриклеточной жидкости могут быть разбавлены. Вариант этой техники, техника «перфорированной заплатки», пытается минимизировать эти проблемы. Вместо применения всасывания для смещения мембранного пластыря с кончика электрода, также можно сделать небольшие отверстия на пластыре с помощью порообразующих агентов, чтобы большие молекулы, такие как белки, могли оставаться внутри клетки, а ионы могли свободно проходить через отверстия. . Также участок мембраны можно оторвать от остальной части клетки. Этот подход позволяет фармакологически проанализировать мембранные свойства пластыря.и поэтому некоторые важные компоненты внутриклеточной жидкости могут быть разбавлены. Вариант этой техники, техника «перфорированной заплатки», пытается минимизировать эти проблемы. Вместо применения всасывания для смещения мембранного пластыря с кончика электрода, также можно сделать небольшие отверстия на пластыре с помощью порообразующих агентов, чтобы большие молекулы, такие как белки, могли оставаться внутри клетки, а ионы могли свободно проходить через отверстия. . Также участок мембраны можно оторвать от остальной части клетки. Этот подход позволяет фармакологически проанализировать мембранные свойства пластыря.и поэтому некоторые важные компоненты внутриклеточной жидкости могут быть разбавлены. Вариант этого метода, техника «перфорированного пятна», пытается минимизировать эти проблемы. Вместо применения всасывания для смещения мембранного пластыря с кончика электрода, также можно сделать небольшие отверстия на пластыре с помощью порообразующих агентов, чтобы большие молекулы, такие как белки, могли оставаться внутри клетки, а ионы могли свободно проходить через отверстия . Также участок мембраны можно оторвать от остальной части клетки. Этот подход позволяет фармакологически проанализировать мембранные свойства пластыря.также можно сделать небольшие отверстия на пластыре с помощью порообразующих агентов, чтобы большие молекулы, такие как белки, могли оставаться внутри клетки, а ионы могли свободно проходить через отверстия. Также участок мембраны можно оторвать от остальной части клетки. Этот подход позволяет фармакологически проанализировать мембранные свойства пластыря.также можно сделать небольшие отверстия на пластыре с помощью порообразующих агентов, чтобы большие молекулы, такие как белки, могли оставаться внутри клетки, а ионы могли свободно проходить через отверстия. Также участок мембраны можно оторвать от остальной части клетки. Этот подход позволяет фармакологически проанализировать мембранные свойства пластыря.

Запись острого электрода [ править ]

В ситуациях, когда нужно записать потенциал внутри клеточной мембраны с минимальным влиянием на ионный состав внутриклеточной жидкости, можно использовать острый электрод. Эти микропипетки (электроды) снова похожи на те, которые используются для патч-зажимов из стеклянных капилляров, но поры намного меньше, поэтому ионный обмен между внутриклеточной жидкостью и электролитом в пипетке очень слабый. Электрическое сопротивление микропипеточного электрода снижается за счет заполнения 2-4M KCl, а не за счет концентрации соли, которая имитирует внутриклеточные концентрации ионов, используемые при зажимании пластыря. [5] Часто кончик электрода заполняется различными красителями, такими как желтый Люцифер.для заполнения записанных клеток для последующего подтверждения их морфологии под микроскопом. Красители вводятся путем подачи на электроды положительного или отрицательного, постоянного или импульсного напряжения в зависимости от полярности красителя.

Внеклеточная запись [ править ]

Единичная запись [ править ]

Основная статья: единичная запись

Электрод, введенный в мозг живого животного, обнаруживает электрическую активность, генерируемую нейронами, прилегающими к кончику электрода. Если электрод представляет собой микроэлектрод с размером кончика около 1 микрометра, электрод обычно обнаруживает активность не более одного нейрона. Запись таким способом обычно называется "однократной" записью. Регистрируемые потенциалы действия очень похожи на потенциалы действия, которые регистрируются внутри клетки, но сигналы намного меньше (обычно около 1 мВ). Большинство записей активности отдельных нейронов у животных, находящихся под наркозом и находящихся в сознании, производятся таким образом. Записи одиночных нейронов у живых животных предоставили важную информацию о том, как мозг обрабатывает информацию. Например, Дэвид Хьюбел иТорстен Визель записал активность отдельных нейронов в первичной зрительной коре головного мозга анестезированной кошки и показал, как отдельные нейроны в этой области реагируют на очень специфические особенности зрительного стимула. [6] Хьюбел и Визель были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1981 году. [7]

Запись нескольких единиц [ править ]

Если кончик электрода немного больше, то электрод может регистрировать активность, генерируемую несколькими нейронами. Этот тип записи часто называют «многокомпонентной записью» и часто используется у находящихся в сознании животных для записи изменений активности в отдельной области мозга во время нормальной активности. Записи с одного или нескольких таких электродов, которые расположены близко друг к другу, могут использоваться для определения количества ячеек вокруг него, а также того, какие из спайков происходят от какой ячейки. Этот процесс называется сортировкой по шипам.и подходит для областей, где есть определенные типы клеток с четко определенными характеристиками спайков. Если кончик электрода еще больше, в целом невозможно различить активность отдельных нейронов, но электрод все равно сможет регистрировать потенциал поля, создаваемый активностью многих клеток.

Полевые потенциалы [ править ]

Схематическая диаграмма, показывающая запись потенциала поля из гиппокампа крысы. Слева схематическая диаграмма пресинаптического терминального и постсинаптического нейрона. Он предназначен для представления большой популяции синапсов и нейронов. Когда синапс высвобождает глутамат в постсинаптическую клетку, он открывает каналы ионотропных рецепторов глутамата. Чистый поток тока направлен внутрь, поэтому создается сток тока. Ближайший электрод (№2) определяет это как отрицательное. Внутриклеточного электрод размещен внутри тела клетки (# 1) регистрирует изменение мембранного потенциала , что входящих причины тока.

Потенциалы внеклеточного поля являются локальными стоками или источниками тока, которые генерируются коллективной деятельностью многих клеток. Обычно потенциал поля создается одновременной активацией многих нейронов синаптической передачей . На диаграмме справа показаны потенциалы синаптического поля гиппокампа. Справа нижняя кривая показывает отрицательную волну, которая соответствует потреблению тока, вызванному положительными зарядами, проникающими в клетки через постсинаптические рецепторы глутамата , в то время как верхняя кривая показывает положительную волну, которая генерируется током, покидающим клетку (в клетке тело), ​​чтобы замкнуть цепь. Для получения дополнительной информации см. Потенциал локального поля .

Амперометрия [ править ]

В амперометрии используется угольный электрод для регистрации изменений химического состава окисленных компонентов биологического раствора. Окисление и восстановление достигается путем изменения напряжения на активной поверхности записывающего электрода в процессе, известном как «сканирование». Поскольку определенные химические вещества мозга теряют или приобретают электроны при характерных напряжениях, можно идентифицировать отдельные виды. Амперометрия используется для изучения экзоцитоза нервной и эндокринной систем. Многие моноаминовые нейротрансмиттеры ; например, норэпинефрин (норадреналин), дофамин и серотонин(5-HT) окисляются. Этот метод также можно использовать с клетками, которые не секретируют окисляемые нейротрансмиттеры, «нагружая» их 5-HT или дофамином.

Планарный патч-зажим [ править ]

Планарный патч-зажим - это новый метод, разработанный для высокопроизводительной электрофизиологии. [8] Вместо того, чтобы помещать пипетку на прикрепленную клетку, суспензию клеток наносят на чип, содержащий микроструктурированную апертуру. Затем одиночная ячейка помещается в отверстие путем всасывания и образуется плотное соединение (Gigaseal). Плоская геометрия предлагает ряд преимуществ по сравнению с классическим экспериментом:

  • Он позволяет интегрировать микрофлюидику , что позволяет автоматически применять соединения для скрининга ионных каналов .
  • Система доступна для оптических или сканирующих зондов .
  • Перфузия из внутриклеточной части может быть выполнена.

  • Схематическое изображение классической конфигурации патч-зажима. Патч-пипетка перемещается в ячейку с помощью микроманипулятора под оптическим контролем. Следует избегать относительных перемещений между пипеткой и ячейкой, чтобы соединение ячейки и пипетки оставалось неповрежденным.

  • Изображение патч-пипетки на растровом электронном микроскопе.

  • В плоской конфигурации пластыря ячейка размещается за счет всасывания. После герметизации можно исключить относительные перемещения между ячейкой и апертурой. Антивибрационный стол не нужен.

  • Изображение планарного патч-зажима на сканирующем электронном микроскопе. И пипетка, и чип изготовлены из боросиликатного стекла.

Другие методы [ править ]

Твердотельные поддерживает мембрану (ССМ) основе [ редактировать ]

С помощью этого подхода электрофизиологического, Proteo липосома , мембранные везикулы или мембранных фрагменты , содержащих канал или переносчик интереса адсорбируется на липидный монослой окрашен над функционализированным электродом. Этот электрод состоит из стеклянной опоры, с хромом слоя, золотой слоя, и октадецил меркаптановой монослое. Поскольку окрашенная мембрана поддерживается электродом, ее называют мембраной с твердой опорой. Важно отметить, что механические возмущения, которые обычно разрушают биологическую липидную мембрану, не влияют на время жизни SSM. емкостныйЭлектрод (состоящий из SSM и абсорбированных везикул) настолько механически стабилен, что растворы могут быстро обмениваться на его поверхности. Это свойство позволяет применять быстрые скачки концентрации субстрат / лиганд для исследования электрогенной активности интересующего белка, измеряемой посредством емкостной связи между везикулами и электродом. [9]

Анализ биоэлектрического распознавания (BERA) [ править ]

Анализ биоэлектрического распознавания (BERA) - это новый метод определения различных химических и биологических молекул путем измерения изменений мембранного потенциала клеток, иммобилизованных в гелевой матрице. Помимо повышенной стабильности интерфейса электрод-ячейка, иммобилизация сохраняет жизнеспособность и физиологические функции клеток. BERA используется в основном в биосенсорных приложениях для анализа аналитов, которые могут взаимодействовать с иммобилизованными клетками , изменяя потенциал клеточной мембраны. Таким образом, когда к датчику добавляется положительный образец, возникает характерное «сигнатурное» изменение электрического потенциала. BERA - это основная технология, лежащая в основе недавно начатого панъевропейского проекта FOODSCAN, посвященного оценке рисков пестицидов и пищевых продуктов в Европе.[10] BERA использовалась для обнаружения вирусов человека (вирусы гепатита B и C и вирусы герпеса ), [11] возбудителей ветеринарных заболеваний (вирус ящура , прионы и вирус синего языка ) и вирусов растений (табак и вирусы огурца) [12] специфическим, быстрым (1-2 минуты), воспроизводимым и экономичным способом. Этот метод также использовался для обнаружения токсинов окружающей среды, таких как пестициды [13] [14] [15] и микотоксины [16] в пищевых продуктах, а также 2,4,6-трихлоранизол.в пробке и вине, [17] [18], а также определение очень низких концентраций супероксид- аниона в клинических образцах. [19] [20]

Датчик BERA состоит из двух частей:

  • Расходные элементы биораспознавания
  • Электронное считывающее устройство со встроенным искусственным интеллектом . [21]

Недавним достижением является разработка метода, называемого молекулярной идентификацией посредством мембранной инженерии (MIME). Этот метод позволяет создавать клетки с определенной специфичностью практически для любой интересующей молекулы, встраивая тысячи искусственных рецепторов в клеточную мембрану. [22]

Вычислительная электрофизиология [ править ]

Хотя это и не является строго экспериментальным измерением, были разработаны методы исследования проводящих свойств белков и биомембран in silico . В основном это моделирование молекулярной динамики, в которых модельная система, такая как липидный бислой , подвергается воздействию внешнего приложенного напряжения. Исследования с использованием этих установок позволили изучить динамические явления, такие как электропорация мембран [23] и перемещение ионов по каналам. [24]

Преимущество таких методов - высокий уровень детализации механизма активной проводимости, обусловленный присущим им высоким разрешением и плотностью данных, которые дает атомистическое моделирование. Существуют существенные недостатки, обусловленные неопределенностью законности модели и вычислительными затратами на моделирование систем, которые достаточно велики и в течение достаточного времени, чтобы считаться воспроизводящими макроскопические свойства самих систем. Хотя атомистическое моделирование может иметь доступ к временным шкалам, близким к микросекундной области или даже в ней, это все же на несколько порядков меньше, чем разрешающая способность экспериментальных методов, таких как фиксация фрагментов. [ необходима цитата ]

Клиническая электрофизиология [ править ]

Клиническая электрофизиология - это исследование того, как электрофизиологические принципы и технологии могут быть применены к здоровью человека. Например, клиническая электрофизиология сердца - это изучение электрических свойств, которые определяют сердечный ритм и активность. Электрофизиология сердца может использоваться для наблюдения и лечения таких расстройств, как аритмия (нерегулярное сердцебиение). Например, врач может ввести катетер с электродом в сердце для регистрации электрической активности сердечной мышцы.

Другой пример клинической электрофизиологии - клиническая нейрофизиология . В этой области медицины врачи измеряют электрические свойства головного , спинного мозга и нервов . Считается, что такие ученые, как Дюшенн де Булонь (1806–1875) и Натаниэль А. Бухвальд (1924–2006), значительно продвинули область нейрофизиологии , сделав возможным ее клиническое применение.

Рекомендации по клинической отчетности [ править ]

Стандарты минимальной информации (МИ) или руководящие принципы отчетности определяют минимальный объем метаданных (информации) и данных, необходимых для достижения конкретной цели или задач клинического исследования. Семейство руководящих документов «Минимум информации о неврологическом исследовании» (MINI) направлено на предоставление последовательного набора руководящих принципов для сообщения об электрофизиологическом эксперименте. На практике модуль MINI содержит контрольный список информации, которая должна быть предоставлена ​​(например, об используемых протоколах), когда набор данных описывается для публикации. [25]

См. Также [ править ]

  • Автоматический патч-зажим
  • Биоэлектрохимия
  • Биоэлектромагнетизм
  • Электрофизиология сердца
  • Клиническая электрофизиология сердца
  • Клиническая электрофизиология
  • Клиническая нейрофизиология
  • Электрофизиологическое исследование
  • Мультимасштабный формат электрофизиологии
  • Нейрофизиология
  • Подготовка ломтиков
  • Чрескожная электрическая стимуляция нервов

Ссылки [ править ]

  1. ^ Сканциани, Массимо; Хаусер, Майкл (2009). «Электрофизиология в век света». Природа . 461 (7266): 930–39. Bibcode : 2009Natur.461..930S . DOI : 10,1038 / природа08540 . PMID  19829373 . S2CID  205218803 .
  2. ^ Патент США 4425922A
  3. ^ Фильм с участием Алана Ходжкина, записывающего потенциалы действия от аксона кальмара https://www.youtube.com/watch?v=k48jXzFGMc8
  4. ^ "Нобелевская премия по физиологии и медицине 1991" . nobelprize.org . Архивировано 10 октября 2017 года . Проверено 5 мая 2018 .
  5. ^ Холливелл Дж., Уитакер М., Огден Д. (1994) Использование микроэлектродов. Микроэлектродные методы: руководство Plymouth Workshop. изд. Огден, Д. Доступно на сайте http://plymsea.ac.uk/id/eprint/7954/
  6. ^ DH Hubel; Визель, Теннесси (1 января 1962 г.). «Рецептивные поля, бинокулярное взаимодействие и функциональная архитектура зрительной коры головного мозга кошки» . Журнал физиологии . 160 (1): 106–54. DOI : 10.1113 / jphysiol.1962.sp006837 . PMC 1359523 . PMID 14449617 .  
  7. ^ "Нобелевская премия по физиологии и медицине 1981" . nobelprize.org . Архивировано 23 декабря 2017 года . Проверено 5 мая 2018 .
  8. ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано 31 марта 2010 года (PDF) . Проверено 17 января 2010 года . CS1 maint: archived copy as title (link)
  9. ^ Шульц, Патрик; Гарсия-Сельма, Хуан Дж .; Фендлер, Клаус (2008). «Электрофизиология на основе ССМ». Методы . 46 (2): 97–103. DOI : 10.1016 / j.ymeth.2008.07.002 . PMID 18675360 . 
  10. ^ Кинциос С., Э. Пистола, П. Панагиотопулос, М. Бомсель, Н. Александропулос, Ф. Бем, И. Биселис, Р. Левин (2001) Анализ биоэлектрического распознавания (BERA). Биосенсоры и биоэлектроника 16: 325–36
  11. ^ Perdikaris, A .; Александропулос, N; Кинциос, С. (2009) Разработка нового сверхбыстрого биосенсора для качественного обнаружения антигенов вируса гепатита B и антител к HBV на основе «мембранно-инженерных» фибробластных клеток с вирус-специфическими антителами и антигенами. Сенсоры 9: 2176–86.
  12. ^ Moschopoulou G .; Вица, К .; Bem, F .; Vassilakos, N .; Perdikaris, A .; Blouhos, P .; Yialouris, C .; Frossiniotis, D .; Anthopoulos, I .; Maggana, O .; Nomikou, K .; Родева, В .; Костова, Д .; Грозева, С .; Михаэлидес, А .; Симонян, А .; Кинциос, С. (2008) Разработка мембраны фибробластных клеток с помощью вирус-специфических антител: новый биосенсорный инструмент для обнаружения вирусов. Биосенсоры Bioelectron. 24: 1033–36.
  13. ^ Flampouri Е, Mavrikou S, S Kintzios, Miliaids G, Aplada-Сарли P (2010). Разработка и проверка клеточного биосенсора, определяющего остатки пестицидов в томатах. Таланта 80: 1799–804.
  14. ^ Mavrikou, S, Flampouri, E, Moschopoulou, G, Mangana, O, Michaelides, A, Kintzios, S (2008) Оценка остатков фосфорорганических и карбаматных пестицидов в сигаретном табаке с помощью нового клеточного биосенсора. Сенсоры 8: 2818–32
  15. ^ Локка К., Скандамис П., Кинциос С. (2013) Скрининг общего количества фосфорорганических пестицидов в сельскохозяйственных продуктах с помощью клеточного биосенсора CellBio 2: 131–37.
  16. ^ Larou, E., Yiakoumettis, I., Kaltsas, G., Petropoulos, A., Skandamis, P., Kintzios, S. (2012) Высокопроизводительный клеточный биосенсор для сверхчувствительного и сверхбыстрого обнаружения афлатоксина M1 . Контроль пищевых продуктов 29: 208–12
  17. ^ Варелас, В., Sanvicens Н, Марко МП, Kintzios S (2010) Развитие клеточного биосенсора для детекции 2, 4, 6- trichloroanisole (TCA). Таланта 84: 936–40
  18. ^ Апостолоу Т, Pascual Н, Марко МП, Moschos А, Петропулосо А, Kaltsas G, Kintzios S (2014) Экстракция менее, быстрый тест для непосредственного обнаружения 2,4,6-trichloroanisole (ТС) в образцах пробки. Таланта 125: 336–40.
  19. ^ Moschopoulou G., Kintzios S. (2006) Применение «мембранной инженерии» к сенсорам биоэлектрических распознающих клеток для обнаружения пикомольных концентраций супероксидного радикала: новый принцип биосенсора. Анальный. Chimica Acta 573–74: 90–96.
  20. ^ Moschopoulou, G., Valero, T., Kintzios, S. (2012) Определение супероксида с использованием мембранно-инженерных клеток: пример новой концепции создания клеточных сенсоров с настраиваемыми свойствами распознавания цели. Sens. Actuat.175: 88–94
  21. ^ Ferentinos KP, CP Yialouris, P. Blouchos, G. Moschopoulou, V. Tsourou, Kintzios, S. (2013) Скрининг остатков пестицидов с использованием новой искусственной нейронной сети в сочетании с биоэлектрическим клеточным биосенсором. BioMed Research International. Идентификатор статьи 813519.
  22. ^ Kokla А, Blouchos П., Livaniou Е., Зикос С., Kakabakos С.Е., Петроу П.С., Kintzios, С. (2013) Визуализация мембранно-инженерной концепции: доказательства для конкретной ориентации electroinserted антител и избирательное связывание мишени аналиты. Журнал молекулярного распознавания 26: 627–232.
  23. ^ Гуртовенко, Андрей А .; Ваттулайнен, Илпо (2007). «Утечка ионов через временные водные поры в безбелковых липидных мембранах, вызванная дисбалансом трансмембранного ионного заряда» . Биофизический журнал . 92 (6): 1878–90. Bibcode : 2007BpJ .... 92.1878G . DOI : 10.1529 / biophysj.106.094797 . PMC 1861780 . PMID 17208976 .  
  24. ^ Куцнер, Карстен; Грубмюллер, Гельмут; De Groot, Bert L .; Захария, Ульрих (2011). "Вычислительная электрофизиология: молекулярная динамика проницаемости ионных каналов и селективность в атомистических деталях" . Биофизический журнал . 101 (4): 809–17. Bibcode : 2011BpJ ... 101..809K . DOI : 10.1016 / j.bpj.2011.06.010 . PMC 3175076 . PMID 21843471 .  
  25. ^ Гибсон, Фрэнк; Овертон, Пол Дж .; Смолдерс, Том В .; Шульц, Саймон Р .; Eglen, Стивен Дж .; Инграм, Колин Д .; Панцери, Стефано; Лещ, Фил; Сернагор, Эвелин (2008). «Минимум информации об электрофизиологии нейробиологических исследований (MINI)» (PDF) . Предшествующая природа . hdl : 10101 / npre.2009.1720.2 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Глава книги, посвященная планарному патч-зажиму