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文档简介

电生理学基本知识与技术,朱克刚 (药理学副教授、机能学部主任 兼机能学综合实验室主任),生物膜的电学特性,生物膜的等效电路 膜时间常数 跨膜离子电流与膜电位变化 刺激电流与膜电位变化 刺激强度与膜电位变化,生物膜的等效电路,生物膜的电学特性 生物膜的等效电路,生物膜的结构与跨膜信号转导 可兴奋细胞的跨膜电位差与离子的选 择性通透性 跨膜电位差的物理学描述电阻抗(R)或膜电阻(Rm) 膜可贮存电荷的物理学描述电容器(C)或膜电容(Cm) Rm与Cm的并联关系即膜的等效电路,生物膜的电学特性 生物膜的等效电路,膜时间常数,生物膜的电学特性 膜时间常数,刺激与兴奋 矩形脉冲刺激电流引起的膜电位变化,a:纯电阻元件的膜电位 变化与脉冲电流变化同步 b:纯电容元件的膜电位 变化减慢,但保持其起始 斜率 c:含阻容元件的膜电位 呈指数变化: Vm=I/Cm,生物膜的电学特性 膜时间常数,Vm=I/Cm 的原理,1. Cm可减慢电流引起的 膜电位变化,是因此前Cm须 经历充、放电的过程 2. 膜电位变化快慢最终 由时间常数t决定,即t值越 大,Cm充放电流越小、越慢 或电容器两端电压(uc)达 到某一定值所需时间越长 3. 不同的生物膜,t值 大小也不同,生物膜的电学特性 膜时间常数,进一步的物理学与生物物理学描述,1. 时间常数是标志RC电路放电的基本参数 2. RC电路中,电路的电压(E)随时间呈指数变化: E=IR(1-et/t) 3. 由矩形脉冲电流引起的生物膜电位变化: Vm=ImRm(1-et/t) 4. 公式中e=2.72为指数系数,t=RC为时间常数 5. 公式表明,膜电位下降到最初值的1/e所需时间 为一个时间常数,即膜电位变化达最终值的63%所需时 间为一个时间常数,生物膜的电学特性 膜时间常数,理论意义与实际应用,1. 生物膜中t的变化很大(神经元约120ms),但 经检测,单位表面积的膜电容却较恒定、约10-6F/cm2 2. 不同时间常数反映了不同细胞的Rm的不同,乃至 同一神经元的各个膜区域之间的区别。而Rm的差异又代 表膜离子通道类型、密度和调节方面的特性。总之,膜 时间常数在决定神经元高度复杂的内在电活动,以及细 胞对刺激的反应方面都起着重要作用 3. 生物机能实验中,多种因素如标本干燥、机械牵 拉等不良刺激都可使Rm增加,影响其电活动及其对刺激 的反应。因而实验中为保持标本机能状态的正常及实验 结果的真实可靠,应尽量避免不良刺激对Rm的影响,跨膜离子电流与膜电位变化,生物膜的电学特性 跨膜离子电流与膜电位变化,欧姆定律及其表述,1. 通过某一导体的电流(I)与导体两端的电压 (V或E)成正比,与导体的电阻(R)成反比: I=V/R 2. 电导是电阻的倒数(G=I/R),引入电导概念: I=gV 或 I=gE 3. 电导概念可更好地描述离子通道允许电流通过 的能力,生物膜的电学特性 跨膜离子电流与膜电位变化,应用欧姆定律描述跨膜离子电流与膜电位的关系,1. 离子通道是一种特殊的导体,各种离子经离子 通道的跨膜转运是顺化学梯度的转运,故其产生的电 流的大小(I)既取决于膜电位差(E)及通道的电导 (g),也与该离子的平衡电位(Es)有关: I=g(E-Es) 2. 公式表明,离子流过通道的驱动力是E-Es而非E 3. 若以膜电位为横轴,离子通道电流为纵轴作图, 可了解跨膜离子电流(I)与电压(V)的关系(Current- Voltage relationship),或称为I-V曲线,生物膜的电学特性 跨膜离子电流与膜电位变化,1. 图中的斜率即为该 通道的电导,若电导为一 常数,I-V关系便呈线性 2. 曲线还表明,不仅 离子流过通道的驱动力不 是E,而且电流为0的电位 是与离子的平衡电位相等 的电位而不是0mV 处。因 电流在此电位改变方向, 故又称反转电位 3. 根据反转电位值可 以判断该通道电流是何种 离子跨膜流动引起的,Current-Voltage relationship (I-V Curve),生物膜的电学特性 跨膜离子电流与膜电位变化,研究I-V关系的理论意义,Ik1电流-电压曲线,1.研究离子通道的I-V关系 ,是了解通道生物物理学特性 和药物作用机制的基本方法 2. 实际上许多通道具有非 线性的I-V关系,尤其可通透 离子在膜两侧的浓度不同或通 道的结构不对称等情况下,该 曲线往往会向某个电流方向( 如内向或外向电流)偏离欧姆 定律,即所谓“整流”现象,生物膜的电学特性 跨膜离子电流与膜电位变化,实际应用,1. 在生物膜的等效电路中,因Rm和Rc以并联方 式存在,膜电流(Im)等于跨膜离子电流(Ii)与 电容电流(Ic)之和: Im=Ii+Ic 2. 公式表明,膜的Ii或Ic变化均可改变Im,而 Ii反映了跨膜离子通道电阻(Rm)的大小、Ic反映 了跨膜电容(Cm)的大小 3. 由欧姆定律可知,Im的变化必然改变膜电位 (Vm),从而Rm和Cm的不同也将影响到Vm 4. 因此在测量Vm的电生理研究中,必须注意保持 生物膜Rm和Cm处于稳定状态,刺激电流与膜电位变化,生物膜的电学特性 刺激电流与膜电位变化,刺激引起兴奋的条件,1. 细胞所处功能状态 2. 有效刺激的三个参数,即强度、时间和强度-时 间变化率 3. 刺激电流的方向,如外向刺激电流使膜去极化, 兴奋性升高;内向刺激电流使膜超极化,兴奋性降低 ,不能引发动作电位。因此,在用微电极技术进行实 验时,应将正电极置于细胞内,或将负电极置于细胞 外,生物膜的电学特性 刺激电流与膜电位变化,外向和内向刺激电流引起的膜电位变化,外向刺激电流与膜电位变化,内向刺激电流与膜电位变化,+ - r1 r2,- + r1 r2,生物膜的电学特性 刺激电流与膜电位变化,关于细胞外刺激,1.两个电极与神经 接触并通电,正和负 电极处会分别发生超 极化和去极化 2. 应用细胞外双 电极刺激法,应将正 电极置于远离引导电 极一侧、负电极置于 靠近引导电极一侧, 以避免正电极处超极 化引起的阻滞作用( 阳极阻滞),刺激强度与膜电位变化,生物膜的电学特性 刺激强度与膜电位变化,刺激引起兴奋的原理,1. 膜的去极化是电压门控Na+通道被激活及Na+内流 的过程,期间常伴随膜电位与K+平衡电位(EK)的差值 增大,以及非门控K+通道的K+外流增加,且去极化越明 显、K+外流越多 2. 阈下刺激时,被激活的Na+通道数目少、Na+内流 引起的膜被动反应(部分去极化)可被K+外流对抗,使 膜的进一步去极化难以实现。而阈刺激可使被激活的 Na+通道数目及Na+内流量皆增加,不被K+外流对抗 3. 阈刺激所致Na+内流及进一步去极化可在二者间 形成正反馈,这被称为再生性去极化或再生性Na+内流,生物膜的电学特性 刺激强度与膜电位变化,动作电位的全或无特性,对很强的去极化刺激发生的主动反应(图示还 表明,刺激强度越大,刺激和AP间的延迟越短),生物膜的电学特性 刺激强度与膜电位变化,神经干或组织受刺激的表现,1. 因不同的细胞兴奋性也不同,且手术操作或离体 条件等都将影响到生物膜的特性,从而引起兴奋所需的 阈强度存在某种差别 2. 对蟾蜍坐骨神经干实施刺激,在最大刺激强度范 围内,神经纤维兴奋的数目会随刺激强度的增加而增加 ;同时,动作电位的叠加还将表现为所记录动作电位幅 度的相应增大,这正是不同的细胞分别具有不同的兴奋 性的表现 3. 最大刺激强度在于使神经干中所有纤维都兴奋, 此时动作电位的幅度也达最大,生物电信号的特性,信号微弱:电压为mVV,电流为nApA 频率特性:生物机能信号频率范围很大 大,故在使用生物电极放大器时应选择 适宜的频带 信号源内阻高:包括组织皮肤内阻及细 胞膜电阻等,可达几千乃至数万欧姆 易受其他电信号干扰: 生物电之间 的相互干扰 50Hz交流电源对记录电 信号的干扰 电极极化电位的干扰 感应电场及空间电磁波的干扰等,生物电记录方法及原理,生物信号记录的框架图 生物电信号拾取 生物电信号的放大与记录 诱发生物电现象产生 干扰问题,生物电记录方法及原理 生物信号记录的框架图,生物信号记录的框架图,生物电信号拾取,生物电记录方法及原理 生物电信号拾取,信号拾取的定义与记录电极的等效 电路,生物电记录方法及原理 生物电信号拾取,信号拾取的两个原则,1. 生物电源是欲记录的生物电信号,视其为电源是 因它的电位降落在三个电阻上 2. 仪器记录的信号是极间电阻两端的电位差(电压) 3. 串联电路中,电阻两端电压的大小与电阻大小成 正比。因此,拾取信号的方法与过程应遵循两个原则: 一是力求电极与组织接触良好即尽量减少接触电阻,以 使信号电压主要降落在极间电阻两端,同理两个电极不 能短路、否则极间电阻为0而拾取不到信号;二是制作 电极的材料导电性能要好或极间电阻要低,以使信号电 压主要降落在仪器的输入电阻上,如极间电极由电极电 阻与仪器的输入电阻串联而成,生物电记录方法及原理 生物电信号的放大与记录,生物电信号的放大与记录,生物电信号放大和记录的有关方法,生物电记录方法及原理 生物电信号的放大与记录,关于刺激伪迹,1. 生物电信号的纪录常面临辨认信号真伪的问题 2. 可记录到的干扰信号有许多种,其中之一是刺 激伪迹 3. 在电生理学实验中,当刺激器发出一个刺激脉 冲时,记录电极将同时拾取到一个双向、呈尖脉冲的 电信号,此即刺激伪迹。刺激伪迹可被用来作为一个 时间点。如从刺激伪迹到刺激坐骨神经干而记录到AP ,其时间间隔就是刺激电极处所产生AP传导到记录电 极处所需要的时间 4. 刺激伪迹一般不会干扰有用信号的纪录,诱发生物电现象产生,生物电记录方法及原理 诱发生物电现象产生,人工诱发生物电的常用方法 电刺激器的电脉冲及其矩形波特征,1. 电刺激器既可发出一个、两个或多个单独的脉 冲,也可连续性地或不停地发出脉冲 2. 电脉冲多为矩形波,其可提供三个参数,即电 压大小(矩形波的幅度)、电压作用时间(矩形波的 波宽)、电压对时间的变化率(矩形波上升的斜率),干扰问题,生物电记录方法及原理 干扰问题,干扰问题的广泛性 50赫兹的交流电干扰及其预防: 仪器的噪声和放大器的信噪比参数: 一般信号电平与噪声电平比值10才能 满足实验记录需要 其它,生物信号放大器的性能指标及作用,通频道 高增益 高输入阻抗 高共模抑制比 信噪比 低漂移,通频道的定义,生物信号放大器的性能指标及作用 通频道,通频道(带宽),1. 通频道又称带宽,是放大器选择与直流或交流生 物信号相适应频率范围的技术指标 2. 生物放大器的通频带下限为0、上限最大频率通 常在6kHz以内,这基本能满足机能实验需要 3. 根据所观察生物信号的频率特性,选择相应带宽 可通过调节放大器的“时间常数”和“高频滤波”实现 。如在放大器前、后极之间常设置有低和高频电路 4. 时间常数(又称高通滤波)和高频滤波(又称 低通滤波)都是表征RC电路频率响应的参数,其实质 都是滤波,放大器的时间常数(高通滤波),生物信号放大器的性能指标及作用 通频道,1. 时间常数决定放大器带宽的下限频率(f1)即衰减 信号中的低频成份,而让高频成份全部通过,意义在于 消除信号基线的漂移和低频噪声。计算下限的频率: f1=1/2RC ( =3.14, t=RC) 2. 公式中每一个时间常数t对应一个f1,低于f1的信 号常被衰减70%以上,且频率越低衰减越厉害 3. 因滤波器对信号中不同频率成份的传递函数不同 ,其应用常面临信号失真的问题。就特定信号而言,滤 波器的通频带越宽、失真就越小,但噪声和干扰却越大,放大器的高频滤波(低通滤波),生物信号放大器的性能指标及作用 通频道,1. 高频滤波决定 放大器带宽的上限频 率(f2)即衰减信号 中的高频成份,让低 频成份全部通过,意 义在于消除信号中夹 杂的高频噪声 2. 所谓放大器的 带宽即指f1至f2的频率 范围,具体图例,生物信号放大器的性能指标及作用 通频道,没有进行高通滤波的心电图,调整了高通滤波的心电图,没有进行低通滤波的心电图夹杂较多噪声 (高频滤波300Hz),进行低通滤波的心电图夹消除高频噪声 (高频滤波100Hz),过度的低通滤波会造成信号发生畸变 (高频滤波30Hz),具体参数的设置,生物信号放大器的性能指标及作用 通频道,增益和高增益 有关计算公式 单纯应用高增益放大器的局限性(见 下节),生物信号放大器的性能指标及作用 高增益,高增益,放大器的电压增益=20Log10Vo/Vi(dcibel,db) Vi为放大器的输入电压,Vo为放大器的输出电压 放大器的电压增益一般要求达到60120db,相 应的电压放大倍数=Vo/Vi=103106倍,生物电信号源的高内阻性 输入电阻及信号源内阻与放大器输出电压信号的关系,生物信号放大器的性能指标及作用 高输入阻抗,高输入阻抗,1. 令放大器的电压放大倍数 为A: Vo=ViA Vi=IRi=VsRi/(Ri+Rs) 2. 公式表明,放大器输出电压 信号的大小与信号源电压高低和 放大器放大倍数有关,同时与放 大器输入电阻及信号源内阻构成 的分压器成正比,记录电压信号的等效电路,理论意义与实际应用,生物信号放大器的性能指标及作用 高输入阻抗,1. 根据 Vo=ViA 及 Vi=IRi=VsRi/(Ri+Rs), 若Rs一定,Ri越大、分压比则越大或Vo则越高;反之 反之,即同样的放大倍数和Vs条件下,Vo将降低。因 此,单纯的高增益放大器不能满足引导内阻高、信号 弱的生物电信号的需要,还必须具有较高的输入阻抗 2. 一般要求前置放大器的输入阻抗106() (1M),微电极放大器输入阻抗101013,这样 才便于记录高内阻的生物信号 3. 正常细胞膜阻抗均为103,只有当微电极阻抗 足够大、信号源内阻相对足够小,即输入阻抗/输出阻 抗比值极大时才能顺利检出微弱的生物信号,共模信号与差模信号,生物信号放大器的性能指标及作用 高共模抑制比,高共模抑制比(CMRR),1. 共模信号指差分放大器输入两端方 向和大小都相同的电压信号,其特征为差 分放大器对信号无放大作用、且多见于外 界干扰信号。反之为差模信号如生物电信 号,差分放大器对其有很强的放大作用 2. 差分放大器能同时放大差模信号、 抑制共模信号。后者的强弱取决于同级放 大器的静态和动态对称性好坏,且又与接 触电阻、局部组织电阻、放大器输入电阻 和构成放大器的元器件的对称性有关,共模抑制比(差分比),生物信号放大器的性能指标及作用 高共膜抑制比,1. 共模抑制比指同一差分放大器的差模信号电压增 益与共模信号电压增益的比值: CMRR=Kd/Kc 2. 生物电放大器一般要求 CMRR104,最好为106; 当CMRR105时,该差分放大器可在标本良好接地而无屏 蔽的情况下工作。即

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