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电生理学

著名的 Axon Guide:

电生理学和生物物理实验室技术指南

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什么是电生理学?

电生理学是研究通过某细胞膜的电流或电压变化的研究领域。

电生理学技术广泛应用于各种神经系统科学和生理学应用中,从了解某细胞膜中的单个离子通道行为到某细胞中膜电位的全细胞变化,再到体外脑片或体内大脑区域内场电位的较大范围变化。

膜片钳(使用最广泛的电生理学技术之一)是研究离子通道活动的最佳工具。离子通道由于其在很多神经和心血管疾病中发挥的关键作用及生理机能,而成为研究人员的主要靶标。

胞外场电位记录技术可用于研究某个神经元群体的突触活动,且可有助于我们了解信息是如何在大脑中进行处理的。

 

电生理学实验室

各电生理学实验室的设置都不尽相同,这反映了实验的要求或实验员的喜好。在此,我们描述了专用于测定细胞中电活动的所有设置的常用组件和注意事项。电生理学设置有四个主要的实验室要求:

  1. 环境 — 保持实验准备环节的环境安全

  2. 光学 — 实验准备过程可视化;

  3. 机械 — 稳定定位微电极;以及

  4. 电子学 — 放大并记录信号的一种方法。

 

下图显示了标准的电生理学装备设置 – 桌子和笼子用于保护您的设置免受外部干扰;带有显微操作器的显微镜用于稳定定位微电极;放大器用于收集并放大所采集的信号;数字转换器用于将模拟信号转换为数字信号;以及数据采集和分析软件用于设置实验步骤并从所收集的数据中提取有意义且可操作的结果。

 

膜片钳设备

电生理学解决方案:Axon 设备

Axon™ 仪器系列可提供用于膜片钳的全面解决方案,包括放大器、数字转换器、软件和附件。从最小的单通道到最大的宏观记录,我们一流的仪器都能促进全系列的膜片钳电生理学技术

Axon pCLAMP™ 11 软件套件是使用最广泛的电生理学数据采集和分析程序,可用于电压钳、电流钳以及膜片钳实验的控制和记录。以下列出的几个关键功能有助于简化工作流程,从而让您能够进行更复杂的实验、更有效地执行这些实验并生成更高质量的数据。

 

什么是膜片钳放大器? 这是一台用于测量通过离子通道的电流或细胞膜电位变化的仪器设备。

应用于何方向? 用于测量电流或电压变化。放大器中包含用于测量通过细胞膜的电流幅度和方向所需的电路。

放大器还可测量由电流运动引起的细胞膜电位变化。为了启动电流运动,实验者可以向细胞发出一个电压指令,该细胞会让维持该电压指令所需的电流通过以进行回应。反之,实验者还可以注入电流,然后测量电流变化导致的膜电位变化。选择在何处放大和过滤所关注的信号关系到信号保真度。放大信号的理想位置是在记录仪器内。所有 Axon™ 放大器型号均采用以可变增益控制输出的策略,从而低噪放大电极电流或膜电位。将信号放大模块置于记录仪器内,尽可能减少了低水平信号和放大电路之间的电路数量,减少了外部噪音源。

可用的放大器:Axopatch™ 200B、MultiClamp™ 700B、Axoclamp™ 900A

这是什么? 数字转换器是一种将模拟信号转换为数字信号的数据采集仪器。

应用于何方向? 数字转换器可捕获数据用于分析。

放大器采集的电流是一种模拟信号,但为了执行高分辨率膜片钳测量所需的数据分析,必须将模拟信号转变为数字信号。将数模转换器置于放大器和计算机之间,可完成这一重要工作。计算机接收的信号质量非常重要,它由采样频率,或采样速度决定。最新一代的 Digidata® 数模转换器能在 500kHz 下采样,且配有 HumSilencer™ 功能,它可消除 50/60Hz 的线频噪声。

可用的放大器:配有 HumSilencer 的 Digidata 1550B 低噪数据采集系统

这是什么? 膜片钳数据采集和分析软件是您与放大器、数字转换器和任何其他膜片钳电子设备的接口。

使用它的原因?用以执行数据采集和数据分析,以及控制数模转换器和放大器。

虽然放大器和数模转换器共同占用用来进行膜片钳实验的关键电路,但软件控制这些仪器,以便其提供所需的电位并测量生成的电流或电压。此外,该软件能够以用户定义的设置来分析所采集的信号,这些设置包括滤波、标准化、噪音消除、曲线拟合及参数确定。

可用的放大器:pCLAMP™ 11 软件

这是什么? 设备内置有反馈控制电路,试验中固定记录微电极, 并将电信号从微电极传送到放大器。

应用于何方向? 传输微电极采集的电信号到放大器系统中以进行信号处理。

专门针对放大器调节了每个前置放大器。所有前置放大器均含能降低噪音的关键电路。探头还受显微操作器的机械控制。

可用的探头:Axon 探头

这是什么? 显微镜是一种光学放大工具。显微操作系统是一种用纳米精度机械来操控微电极的仪器, 通常可在三个方向移动。

应用于何方向? 准确、稳定地将微电极移动到细胞膜位置, 这是成功记录的关键。

将膜片电极准确地放到 10-20μm 的细胞上,需要一个能放大到 300 或 400 倍且具备对比增强的光学系统(如:Nomarski/DIC、Phase 或 Hoffman)以及一个能够在 3D 空间稳定放置电极的显微操作器。最好使用倒置显微镜,因为它可以更方便地从制备样品的上方接触到电极,还提供一个更大、更稳固的平台来固定显微操作器。显微操作器能将电极沿 X、Y 和 Z 轴进行非常细微的移动然后,显微操作器可无限期地保持在该位置。

这是什么? 放置在膜片钳装置周围的实验台和屏蔽笼, 以隔离干扰源。

应用于何方向? 为您的装置屏蔽外部干扰。

在膜片钳实验过程中,测量的电流可以非常小(在微微安培范围内),任何微小的干扰源,比如无线电波,都可以扭曲或模糊这些信号。法拉第笼是一个罩在您的显微镜和记录室周围的金属丝网罩;有助于防止电极获取外部噪音源。此外,微微米级的小幅振动源也可干扰您的记录。因此,在整个实验期间,所有部件必须准确放置,使用空气和防振台将您的装置与可能干扰此平衡的外部振动源分离开。

按需进行的网络研讨会

使用 Axon pCLAMP 11 软件中的新批量分析功能来节省您的数据分析时间

演讲嘉宾:Jeffrey Tang,博士

高级全球 Axon 电生理学应用科学家

报名参加我们按需进行的网络研讨会并了解如何使用 Clampfit 软件模块来操作和分析通过 Axon pCLAMP™ 11 软件采集的电生理学数据。该软件的先进批量分析宏命令无需针对每个集定义参数,从而简化了数据分析。Jeffrey Tang 博士将提供新批量分析功能的概述、演示宏命令的使用、分析批量数据并绘制图表。

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  • Axon 指南

    Axon 指南

    电生理学和生物物理实验室技术指南。该指南的目的是为电生理学家提供信息和数据资源。它涵盖了广泛的主题,范围从生物电的生物学基础和基本实验室设置的描述到噪音和数据分析机制的讨论。

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    自动事件检测

    Clampfit 自动事件检测

    Clampfit 高级分析模块是 pCLAMP 11 软件套件的一部分,它具有灵活的事件检测引擎,其可分析自发和诱发的动作电位和突触后数据。通过越限检测或模式匹配模板搜索来检测事件。模板搜索会分析自发事件,例如微型突触 EPSP 和 IPSP。此外,可同时检测到多个事件类别的事件。Clampfit 11 软件的集成环境将数据中检测到的事件关联至电子数据表和图像窗口,以实现对整个数据集的快速环境评估。

  • 批数据分析

    批次数据分析宏

    Clampfit 高阶分析模块是 pCLAMP 11 软件套件的一部分,它包含可利用宏来加速数据分析的批量数据分析工具。批量分析通过分析由同一方案生成的大量数据来节省时间。要使用批量分析,仅需开启宏捕获功能、分析数据并保存宏。当需要分析其他数据时,仅需应用已保存的宏即可对数据进行自动分析。

    Jeffrey Tang 提供的技术技巧:用于批量分析的 Axon pClamp™ 11 软件功能

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    客户案例:德克萨斯大学

    德克萨斯大学使用 Axon 膜片钳系统

    德克萨斯大学使用 Axon 膜片钳系统评估大脑中基于记忆和回忆的信号传导机制

    “在 Clampex(pCLAMP 软件中的一个模块)中使用protocol的好处在于,你可以对系统编程以控制刺激和记录,从而使整个系统变得强大且独特。更重要的是它的多功能性,因为您可输入许多不同的刺激方式,一切尽在 Clampex 的掌控之中。”

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  • 群峰电位搜索工具

    群峰电位记录和成对脉冲实验虽然易于采集,但历来难以分析。使用 pCLAMP 11 软件中的 Clampfit 高级分析模块,将不会再出现这种情况。群峰电位搜索工具将根据用户定义的参数来自动定位群峰电位,并计算振幅、曲线下面积、半宽、上升时间、衰减时间、上升斜率、衰减斜率和群峰电位的海岸线以及成对脉冲。

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    HumSilencer 技术

    HumSilencer 技术

    50/60Hz 线频噪音也称为电子干扰,是膜片钳电生理学实验中常见的本底噪音源。该噪音会覆盖目标生物信号,导致几乎无法进行灵敏的膜片钳测量。传统的故障排除通常只是部分有效,而且会降低数据准确度。HumSilencer 是一种无滤波器的自适应技术,可在不使用会降低数据准确度的方法(如滤波器,它会使生物信号失真)的情况下识别并消除线频噪音。

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  • 动作电位分析

    针对细胞事件的膜片钳动作电位搜索

    动作电位体现重要的细胞事件。没有动作电位,心脏就不会搏动,神经元也不会放电,因此对这些事件的测定必不可少。Clampfit 11 高级模块中的动作电位搜索工具能检测到数据文件中的所有动作电位。它应用用户定义和编程控制的指标,包括振幅、AP 持续时间、上升和衰减时间、上升和衰减斜率、峰间频率和时间、每个峰的振幅、后电位振幅和持续时间,以及阈电位。

    Jin Yan 提供的技术技巧:用于动作电位分析的 Axon pClamp™ 11 软件功能

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    同步电生理学和影像学研究

    同步电生理学和影像学研究

    活细胞研究越来越需要同时采用补充数据采集以描述细胞内进程。同时记录影像学和电生理学技术可提供两种数据之间有价值的相关性,且已被广泛用于检测各种细胞反应。

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  • 客户案例:阿勒格尼学院

    阿勒格尼学院

    阿勒格尼学院 (Allegheny College) 使用我们的 Axon 膜片钳仪器来研究 β 淀粉样蛋白肽如何在阿尔茨海默氏症中阻断离子通道

    Lauren French 博士和阿勒格尼学院的本科生一起研究影响阿尔茨海默病病理的 β-淀粉样肽如何抑制钙激活的钾离子通道。Yamamoto 等人 (2011) 报告了这种通道相互作用,而且她实验室的学生正在使用爪蟾卵母细胞表达系统对其进行研究。

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电生理学的资源

视频和演示

Jeffrey Tang 提供的技术技巧

Jeffrey Tang 提供的技术技巧:用于批量分析的 Axon pClamp™ 11 软件功能

Jin Yan 提供的技术技巧

Jin Yan 提供的技术技巧:用于动作电位分析的 Axon pClamp™ 11 软件功能

pCLAMP 11 中的群峰电位分析

pCLAMP 11 中的群峰电位分析

Molecular Devices 批量数据分析宏

批次数据分析宏

在 Clampfit 模块中进行动作电位分析

在 Clampfit 模块中进行动作电位分析

电生理学的相关产品和服务