光遺傳學(xué)調(diào)控技術(shù)是近幾年正在迅速發(fā)展的一項(xiàng)整合了光學(xué)、基因操作技術(shù)、電生理等多學(xué)科交叉的生物技術(shù)。NatureMethods雜志將此技術(shù)評(píng)為"Methodoftheyear2010"[19]；美國(guó)麻省理工學(xué)院科技評(píng)述（MITTechnologyReview，2010）在其總結(jié)性文章"Theyearinbiomedicine"中指出：光遺傳學(xué)調(diào)控技術(shù)現(xiàn)已經(jīng)迅速成為生命科學(xué)，特別是神經(jīng)和心臟研究領(lǐng)域中熱門的研究方向之一。目前這一技術(shù)正在被全球幾百家從事心臟學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和神經(jīng)工程研究的實(shí)驗(yàn)室使用，幫助科學(xué)家們深入理解大腦的功能，進(jìn)而為深刻認(rèn)識(shí)神經(jīng)、精神疾病、心血管疾病的發(fā)病機(jī)理并研發(fā)針對(duì)疾病干預(yù)和的新技術(shù)。解鎖細(xì)胞秘密，膜片鉗帶您探尋離子通道的奧秘！雙電極膜片鉗電流鉗制

電壓鉗技術(shù)是由科爾發(fā)明的，并在20世紀(jì)初由霍奇金和赫胥黎完善。其設(shè)計(jì)的主要目的是證明動(dòng)作電位的產(chǎn)生機(jī)制，即動(dòng)作電位的峰值電位是由于膜對(duì)鈉的通透性瞬間增加。但當(dāng)時(shí)還沒(méi)有直接測(cè)量膜通透性的方法，所以用膜電導(dǎo)來(lái)測(cè)量離子通透性。膜電導(dǎo)測(cè)量的基礎(chǔ)是電學(xué)中的歐姆定律，如膜Na電導(dǎo)GNa與電化學(xué)驅(qū)動(dòng)力(Em-ENa)的關(guān)系，膜電流INaGNa=INa/(Em-ENa)。因此，可以通過(guò)測(cè)量膜電流，然后利用歐姆定律來(lái)計(jì)算膜電導(dǎo)。然而，膜電導(dǎo)可以通過(guò)使用膜電流來(lái)計(jì)算。這個(gè)條件是通過(guò)電壓鉗技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。下一張幻燈片中右邊的兩張圖顯示了squid的動(dòng)作電位和動(dòng)作電位過(guò)程中膜電流的變化，這是霍奇金和赫胥黎在半個(gè)世紀(jì)前用電壓鉗記錄的。他們的實(shí)驗(yàn)證明了參與動(dòng)作電位的離子電流由三種成分組成:Na、K、Cl。對(duì)這些離子流進(jìn)行了定量分析。這項(xiàng)技術(shù)為闡明動(dòng)作電位的本質(zhì)和離子通道的研究做出了巨大貢獻(xiàn)。德國(guó)可升級(jí)膜片鉗系統(tǒng)早期的研究多使用雙電極電壓鉗技術(shù)作細(xì)胞內(nèi)電活動(dòng)的記錄。

向電極連續(xù)施加1mV、10~50ms的階躍脈沖，電極入水后電阻約為4~6mΩ。此時(shí)，在計(jì)算機(jī)屏幕顯示框中可以看到測(cè)試脈沖產(chǎn)生的電流波形。剛開(kāi)始的時(shí)候增益不要設(shè)置太高，一般可以是1~5mV/PA，避免放大器飽和。由于細(xì)胞外液和電極液離子組成的差異導(dǎo)致液體接界電位，電極剛?cè)胨畷r(shí)測(cè)試波形的基線不在零線上。因此，需要將保持電壓設(shè)置為0mV，并調(diào)整“電極不平衡控制”，使電極DC電流接近于零。當(dāng)使用微操作器使電極靠近細(xì)胞時(shí)，當(dāng)電極前緣接觸細(xì)胞膜時(shí)，密封電阻指標(biāo)Rm會(huì)上升，當(dāng)電極輕微下壓時(shí)，Rm指標(biāo)會(huì)進(jìn)一步上升。當(dāng)通過(guò)細(xì)塑料管對(duì)電極施加輕微負(fù)壓，且細(xì)胞膜特性良好時(shí)，Rm一般會(huì)在1min內(nèi)迅速上升，直至形成Gω級(jí)高阻密封。一般在Rm達(dá)到100MΩ左右時(shí)，在電極前端施加一個(gè)輕微的負(fù)電壓(-30~-30~-10mV)，有利于gω密封的形成。此時(shí)的現(xiàn)象是電流波形再次變平，使電極從-40到-90mV超極化，有助于加速形成密封。為了確認(rèn)gωseal的形成，可以提高放大器的增益，因此可以觀察到除了脈沖電壓開(kāi)始和結(jié)束時(shí)的容性脈沖超前電流外，電流波形仍然是平坦的。

高阻密封技術(shù)還***降低了電流記錄的背景噪聲，從而大幅提高了時(shí)間、空間和電流分辨率，如10μs的時(shí)間分辨率、1平方微米的空間分辨率和10-12年的電流分辨率。影響電流記錄分辨率的背景噪聲不僅來(lái)自膜片鉗放大器本身，還來(lái)自信號(hào)源的熱噪聲。信號(hào)源就像一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻，其熱噪聲為σn=4Kt△f/R其中σn為電流均方差的平方根，k為玻爾茲曼常數(shù)，t為溫度，△f為測(cè)量帶寬，R為電阻值。可以看出，為了獲得低噪聲電流記錄，信號(hào)源的內(nèi)阻必須非常高。如果在1kHz帶寬、10%精度的條件下記錄1pA的電流，信號(hào)源的內(nèi)阻應(yīng)該大于2gω。電壓鉗技術(shù)只能測(cè)量?jī)?nèi)阻為100kω~50mω的大電池的電流，常規(guī)技術(shù)和制備無(wú)法達(dá)到所需的分辨率。在細(xì)胞膜的電學(xué)模型中，膜電容和膜電導(dǎo)構(gòu)成了一個(gè)并聯(lián)回路。

高阻封接問(wèn)題的解決不僅改善了電流記錄性能，還隨之出現(xiàn)了研究通道電流的多種膜片鉗方式。根據(jù)不同的研究目的，可制成不同的膜片構(gòu)型。細(xì)胞吸附膜片(cell-attachedpatch)將兩次拉制后經(jīng)加熱拋光的微管電極置于清潔的細(xì)胞膜表面上，形成高阻封接，在細(xì)胞膜表面隔離出一小片膜，既而通過(guò)微管電極對(duì)膜片進(jìn)行電壓鉗制，分辨測(cè)量膜電流，稱為細(xì)胞貼附膜片。由于不破壞細(xì)胞的完整性，這種方式又稱為細(xì)胞膜上的膜片記錄。此時(shí)跨膜電位由玻管固定電位和細(xì)胞電位決定。因此，為測(cè)定膜片兩側(cè)的電位，需測(cè)定細(xì)胞膜電位并從該電位減去玻管電位。從膜片的通道活動(dòng)看，這種形式的膜片是極穩(wěn)定的，因細(xì)胞骨架及有關(guān)代謝過(guò)程是完整的，所受的干擾小。準(zhǔn)確捕捉離子通道動(dòng)態(tài)，膜片鉗技術(shù)助您一臂之力！德國(guó)單通道膜片鉗蛋白質(zhì)分子水平

典型的單通道電流呈一種振幅相同而持續(xù)時(shí)間不等的脈沖樣變化。雙電極膜片鉗電流鉗制

膜片鉗放大器是整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的主要，它可用來(lái)作單通道或全細(xì)胞記錄，其工作模式可以是電壓鉗，也可以是電流鉗。從原理來(lái)說(shuō)，膜片鉗放大器的探頭電路即I-V變換器有兩種基本結(jié)構(gòu)形式，即電阻反饋式和電容反饋式，前者是一種典型的結(jié)構(gòu)，后者因用反饋電容取代了反饋電阻，降低了噪聲，所以特別適合較低噪聲的單通道記錄。由于供膜片鉗實(shí)驗(yàn)的專門的計(jì)算機(jī)硬件及相應(yīng)的軟件程序的相繼出現(xiàn)，使得膜片鉗實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便、效率提高、效率提高雙電極膜片鉗電流鉗制