机能实验理论

1、机能实验科学机能实验科学Functional Functional Experimental ScienceExperimental Science汪汪 雄雄目的与要求目的与要求o掌握掌握: :机能实验教学的性质、任务、目机能实验教学的性质、任务、目的的; ;生物体机能信号（生物电信号）的生物体机能信号（生物电信号）的生物物理特性生物物理特性; ;生物电放大器的性能与生物电放大器的性能与机能信号记录机能信号记录o熟悉熟悉: :医学人才的成长和创新能力的培医学人才的成长和创新能力的培养靠实践的认识论原理养靠实践的认识论原理; ;电刺激器的常电刺激器的常用参数与设置用参数与设置o了解了解: :实验

2、科学的方法学实验科学的方法学; ;生物膜电学生物膜电学特性及其意义特性及其意义 第一章第一章 导论导论( (introduction introduction ) )第一节第一节 机能学实验概论机能学实验概论一、机能实验科学的性质、任务和目的一、机能实验科学的性质、任务和目的科学分为：人文科学科学分为：人文科学- -软科学软科学, ,实辩科学实辩科学 自然科学自然科学- -硬科学硬科学, ,实证科学实证科学医学实验科学：医学知识来源于基础医学医学实验科学：医学知识来源于基础医学 和临床医学实验研究和临床医学实验研究包括：急、慢性动物实验（在体、离体）包括：急、慢性动物实验（在体、离体） 临床实

3、验临床实验 有创、无创有创、无创 整体、器官、细胞、分子水平整体、器官、细胞、分子水平 “实验医学实验医学”的开创者的开创者: :实验医学研究导论实验医学研究导论实验医学研究原理实验医学研究原理实验病理学讲义实验病理学讲义动物和植物共有的生命现象动物和植物共有的生命现象 系统地阐述了医学实验研究的方法系统地阐述了医学实验研究的方法论、哲学思想、医学实验科学的性质和论、哲学思想、医学实验科学的性质和任务。任务。 Principles of experimental Principles of experimental medicinemedicine 医学与哲学医学与哲学伯尔纳（伯尔纳（Clau

4、de.Bernard Claude.Bernard ）什么叫机能实验科学？什么叫机能实验科学？高等医学教育教学高等医学教育教学: :医学理论课和实践课。医学理论课和实践课。医学基础专业课程：形态学、机能学医学基础专业课程：形态学、机能学 实验教学：形态学实验、机能学实验实验教学：形态学实验、机能学实验 机能实验科学是用实验手段研究机机能实验科学是用实验手段研究机体与刺激（生理、病理、药理因素）之体与刺激（生理、病理、药理因素）之间相互作用规律的科学间相互作用规律的科学。 它将传统的生理学，药理学和病理生理学各自它将传统的生理学，药理学和病理生理学各自独立开设的实验进行改革、重组、融合构建而成的

5、独立开设的实验进行改革、重组、融合构建而成的一门必修课程。（过去只验证，各自；现在整体观，一门必修课程。（过去只验证，各自；现在整体观，创新）创新）机能实验教学的任务和目的机能实验教学的任务和目的 通过科学实验学习和掌握从事通过科学实验学习和掌握从事医学工作必要的思维方法、实验技医学工作必要的思维方法、实验技术与方法，通过实验观察与思考实术与方法，通过实验观察与思考实现深化认识所学的理论知识现深化认识所学的理论知识, ,探索未探索未知领域，培养学员动脑、动手能力知领域，培养学员动脑、动手能力, ,探索创新精神和严谨、求实的科学探索创新精神和严谨、求实的科学品质。品质。二、机能实验科学的教学内容

6、与安排二、机能实验科学的教学内容与安排 内容：从事机能学实验工作必需的基本知内容：从事机能学实验工作必需的基本知识，基本方法与技术和结合机能三学科理论教识，基本方法与技术和结合机能三学科理论教学内容而设计的实验实践内容。学内容而设计的实验实践内容。 分为分为1111章：其中章：其中1-61-6章为从事医学机能实章为从事医学机能实验必需的基本知识，基本理论和基本技术方法；验必需的基本知识，基本理论和基本技术方法；7-107-10章为实验内容；第章为实验内容；第1111章为病例讨论。章为病例讨论。 四个阶段：实验基本能力训练、基础性实四个阶段：实验基本能力训练、基础性实验、提高性实验、探索性实验验

7、、提高性实验、探索性实验 教学内容与安排教学内容与安排 理论教学：（理论教学：（4 4学时）第一章导论；第学时）第一章导论；第三章生物信号记录基本知识与原理三章生物信号记录基本知识与原理 实验教学：第实验教学：第7-107-10章实验内容为章实验内容为5050个个实验，按照专业层次要求选做一定内容实验，按照专业层次要求选做一定内容（见教学进度表）；第（见教学进度表）；第1111章病例讨论是在章病例讨论是在动物实验的基础上结合适宜的病例讨论以动物实验的基础上结合适宜的病例讨论以培养学生运用所学知识分析、解决临床问培养学生运用所学知识分析、解决临床问题的能力；其它内容为同学们自学内容。题的能力；其

8、它内容为同学们自学内容。三、机能实验科学课程的要求、考试与考核三、机能实验科学课程的要求、考试与考核o课前：预习，心中有数，有备而来课前：预习，心中有数，有备而来o课中课中: : 动手、动脑、观察思考、学会动手、动脑、观察思考、学会提问、协作提问、协作o课后：实验报告课后：实验报告o考核：平时成绩，课堂提问，实验报考核：平时成绩，课堂提问，实验报告，考勤，表现等告，考勤，表现等o考试：卷面考试成绩考试：卷面考试成绩第二节第二节 实验科学中的观察与思考实验科学中的观察与思考一、观察、思维、想象与实验科学一、观察、思维、想象与实验科学ObservationObservation：人们在对象或现象的

9、自然状态下，有目的人们在对象或现象的自然状态下，有目的地通过感官去研究对象或现象，这就叫做观察地通过感官去研究对象或现象，这就叫做观察 （1 1）观察的）观察的客观性和全面性，切忌主观的随意性和片面性。（客观性和全面性，切忌主观的随意性和片面性。（2 2）尽可）尽可能地借助于有关的仪器设备来进行，以克服感觉器官认识的能地借助于有关的仪器设备来进行，以克服感觉器官认识的局限性。局限性。 ThinkingThinking、ImagineImagine、IdeaIdea举例：举例：1.1.猫怒叫中枢的发现猫怒叫中枢的发现2.2.导尿管的发明导尿管的发明3.3.圆珠笔漏油问圆珠笔漏油问题的解决题的解决

10、4.4.多卖牙膏的办法多卖牙膏的办法ExperimentExperiment：人们在控制对象或现象的条件下有目的地：人们在控制对象或现象的条件下有目的地通过感官去认识对象或现象，就叫做实验。人们根据研究的通过感官去认识对象或现象，就叫做实验。人们根据研究的目的，利用科学方法、设备，人为地控制或模拟自然现象的目的，利用科学方法、设备，人为地控制或模拟自然现象的条件，排除干扰因素，突出主要因素，在相对的纯粹状态下条件，排除干扰因素，突出主要因素，在相对的纯粹状态下研究自然现象的认识活动。研究自然现象的认识活动。 n严重肝脏疾病引起的神经精神综合征。严重肝脏疾病引起的神经精神综合征。Neuropsy

11、chiatric symptoms occuring Neuropsychiatric symptoms occuring in patients with acute or chronic liver in patients with acute or chronic liver diseasesdiseases。继发性，症状继发于严重肝脏疾病；继发性，症状继发于严重肝脏疾病； HE HE患者的临床表现是一个从轻到重的连患者的临床表现是一个从轻到重的连续过程，可人为地分为续过程，可人为地分为4 4期，肝性昏迷期，肝性昏迷（hepatic comahepatic coma) )是最后阶段。是最

12、后阶段。o举例举例1 1：肝性脑病氨中毒学说的提出：肝性脑病氨中毒学说的提出A True storyA True storyIn 1960s,A patient ,Man, 30In 1960s,A patient ,Man, 30In Taihe hospital In Taihe hospital Virus hepatitis ,cirrhosis Virus hepatitis ,cirrhosis Steal other patients sugarSteal other patients sugar (not be punctilious) (not be punctilious)

13、Sleep in other patients bedSleep in other patients bedMental derangementMental derangementLethargy,comaLethargy,coma 第一期：轻微的性格及行为异常第一期：轻微的性格及行为异常 记忆力下降，学习、定向障碍记忆力下降，学习、定向障碍(前驱期前驱期)分期与临床表现分期与临床表现Mood or behavior changesMood or behavior changes第二期：嗜睡期，精神错乱、肌张力增高、第二期：嗜睡期，精神错乱、肌张力增高、 扑翼样震颤扑翼样震颤 ( (昏迷前期昏

14、迷前期) )Inversion of sleep rhythmInversion of sleep rhythm第三期：昏睡期，精神错乱、易怒、暴躁第三期：昏睡期，精神错乱、易怒、暴躁( (昏睡期昏睡期) )Mental derangement and lethargyMental derangement and lethargy肝性脑病第四期肝性脑病第四期第四期：昏迷期，神志丧失、不能唤醒第四期：昏迷期，神志丧失、不能唤醒(昏迷期昏迷期)肝性昏迷 (hepatic coma) Eck,a Russian physiologist Eck,a Russian physiologist Dog

15、,portal-systemic shunt Dog ,portal-systemic shunt Coma after eating meatComa after eating meat2.Mann2.MannRepeat animal experimentRepeat animal experimentCheck plasma ammonia contentCheck plasma ammonia contento举例举例1 1：肝性脑病氨中毒学说的提出：肝性脑病氨中毒学说的提出o举例举例2 2：青霉素的发现：青霉素的发现Short story:Short story:弗莱明的实验研究弗莱

16、明的实验研究1928.91928.9：青霉菌：青霉菌19301930年代：弗洛里、钱恩年代：弗洛里、钱恩19451945：诺贝尔奖：诺贝尔奖偶然性偶然性必然性：溶菌酶的发现必然性：溶菌酶的发现Scientific StoryScientific Storyo举例举例3 3：神经递质的发现：神经递质的发现第二节第二节 实验科学中的观察与思考实验科学中的观察与思考二、逻辑思维在实验科学中的应用二、逻辑思维在实验科学中的应用逻辑学（逻辑学（logiclogic）是一门以推理形式为主要研）是一门以推理形式为主要研究对象的科学。究对象的科学。 成语故事成语故事: :痴人说梦痴人说梦 19871987，费

17、翔；，费翔； 板子老爷板子老爷 演绎推理：其特点是如果前提都真，则结论必演绎推理：其特点是如果前提都真，则结论必然真。前提与结论之间有必然性的联系，结然真。前提与结论之间有必然性的联系，结论不能超出前提所断定的范围。论不能超出前提所断定的范围。 张举断案张举断案第二节第二节 实验科学中的观察与思考实验科学中的观察与思考二、逻辑思维在实验科学中的应用二、逻辑思维在实验科学中的应用 归纳推理：前提是一些关于个别事物或现象的归纳推理：前提是一些关于个别事物或现象的命题，而结论则是关于该类事物或现象的普遍性命命题，而结论则是关于该类事物或现象的普遍性命题。归纳推理的结论所断定的知识范围超出了前提题。归

18、纳推理的结论所断定的知识范围超出了前提所断定的知识范围所断定的知识范围. .归纳推理的前提与结论之间的归纳推理的前提与结论之间的联系是或然性的联系是或然性的, ,其前提真而结论假是可能的其前提真而结论假是可能的. . 举例：内经故事举例：内经故事- -大敦穴的发现大敦穴的发现 三七治疗跌打损伤的发现三七治疗跌打损伤的发现 维生素维生素B1B1缺乏与脚气病的关系缺乏与脚气病的关系 缺碘与地方性甲状腺肿大缺碘与地方性甲状腺肿大 归纳推理与演绎推理的主要区别归纳推理与演绎推理的主要区别o演绎推理是从一般性的知识的前提推出一个特殊性演绎推理是从一般性的知识的前提推出一个特殊性的知识的结论，即从一般过渡

19、到特殊；的知识的结论，即从一般过渡到特殊；o而归纳推理则是从一些特殊性的知识的前提推出一而归纳推理则是从一些特殊性的知识的前提推出一个一般性的知识的结论，即从特殊过渡到一般。个一般性的知识的结论，即从特殊过渡到一般。o演绎推理的结论不超出前提所断定的范围，其前提演绎推理的结论不超出前提所断定的范围，其前提和结论之间的联系是必然的，即其前提真而结论假和结论之间的联系是必然的，即其前提真而结论假是不可能的。一个演绎推理只要前提真实并且推理是不可能的。一个演绎推理只要前提真实并且推理形式正确，那么，其结论就必然真实。形式正确，那么，其结论就必然真实。o而归纳推理（完全归纳推理除外）的结论却超出了而归

20、纳推理（完全归纳推理除外）的结论却超出了前提所断定的范围，其前提和结论之间的联系不是前提所断定的范围，其前提和结论之间的联系不是必然的，而只具有或然性，即其前提真而结论假是必然的，而只具有或然性，即其前提真而结论假是有可能的。也就是说，即使其前提都真也并不能保有可能的。也就是说，即使其前提都真也并不能保证结论是必然真实的。证结论是必然真实的。 o归纳推理为演绎推理提供前提：两者互相依赖、互为补充，归纳推理为演绎推理提供前提：两者互相依赖、互为补充，比如说，演绎推理的一般性知识的大前提必须借助于归纳比如说，演绎推理的一般性知识的大前提必须借助于归纳推理从具体的经验中概括出来，没有归纳推理也就没有

21、演推理从具体的经验中概括出来，没有归纳推理也就没有演绎推理绎推理o归纳推理也依赖于演绎推理。比如，归纳活动的目的、任归纳推理也依赖于演绎推理。比如，归纳活动的目的、任务和方向是归纳过程本身所不能解决和提供的，这只有借务和方向是归纳过程本身所不能解决和提供的，这只有借助于理论思维，依靠人们先前积累的一般性理论知识的指助于理论思维，依靠人们先前积累的一般性理论知识的指导，而这本身就是一种演绎活动。导，而这本身就是一种演绎活动。o单靠归纳推理是不能证明必然性的，因此，在归纳推理的单靠归纳推理是不能证明必然性的，因此，在归纳推理的过程中，人们常常需要应用演绎推理对某些归纳的前提或过程中，人们常常需要应

22、用演绎推理对某些归纳的前提或者结论加以论证。没有演绎推理也就不可能有归纳推理。者结论加以论证。没有演绎推理也就不可能有归纳推理。 归纳推理与演绎推理的主要联系归纳推理与演绎推理的主要联系举例：影响举例：影响尿生成的因素实验中，给家兔注射去甲尿生成的因素实验中，给家兔注射去甲肾上腺素肾上腺素第二节第二节 实验科学中的观察与思考实验科学中的观察与思考三、唯物辩证法在实验科学中的应用三、唯物辩证法在实验科学中的应用矛盾是普遍存在的：两点论，对立统一规律矛盾是普遍存在的：两点论，对立统一规律 主要矛盾及主要矛盾方面主要矛盾及主要矛盾方面 用发展变化的观点把握生命活动规律和用发展变化的观点把握生命活动规

23、律和生命科学发展，辨证地去思考生命科学发展，辨证地去思考质量互变规律质量互变规律医学发展既依靠分析，也依靠综合医学发展既依靠分析，也依靠综合 第三节第三节 实验结果的处理及表示实验结果的处理及表示一、实验结果的处理：计量资料、计数资料一、实验结果的处理：计量资料、计数资料数量的变化数量的变化时程的变化时程的变化结果的性质结果的性质部位的分析部位的分析二、实验结果的表示方法二、实验结果的表示方法直接标注直接标注表格表格对照对照统计学处理统计学处理 第四节第四节 实验报告及医学科研论文的写作要求实验报告及医学科研论文的写作要求实验项目实验项目摘要摘要引言引言材料与方法材料与方法实验结果实验结果讨论

24、讨论: :总结结果、寻找规律、推理分析、导出总结结果、寻找规律、推理分析、导出 观念、得出结论观念、得出结论小结小结参考文献参考文献 第二章第二章 实验动物基本知识及常用生理溶液配制实验动物基本知识及常用生理溶液配制第一节实验动物的种类、品系、特点及编号第一节实验动物的种类、品系、特点及编号(p13)(p13)第二节实验动物给药剂量的计算第二节实验动物给药剂量的计算 第三节常用实验动物一般生理参数第三节常用实验动物一般生理参数第四节机能学实验常用生理溶液及配制第四节机能学实验常用生理溶液及配制第四章第四章 实验设计与机能学实验数据的收集、整理实验设计与机能学实验数据的收集、整理(p53)(p5

25、3)第五章第五章 机能实验常用器材及仪器机能实验常用器材及仪器(p85)(p85)第六章第六章 动物实验基本操作技术（动物实验基本操作技术（p108)p108)第三章第三章 生物信号记录基本知识及原理生物信号记录基本知识及原理第一节第一节 生物膜的电学特性生物膜的电学特性一、一、 生物膜的等效电路生物膜的等效电路二、二、 膜时间常数膜时间常数三、三、 膜的离子电流和刺激电流与膜电位膜的离子电流和刺激电流与膜电位四、四、 刺激强度与膜电位刺激强度与膜电位第二节第二节 生物电信号的特性生物电信号的特性第三节第三节 生物电信号记录中的若干问题生物电信号记录中的若干问题 第四节第四节 生物放大器的性能

26、指标与作用生物放大器的性能指标与作用第五节第五节 电刺激器的应用电刺激器的应用 生物膜的电学特性生物膜的电学特性 生物膜的等效电路生物膜的等效电路o 生物膜的结构生物膜的结构o 可兴奋细胞的跨膜电位差与离子的选可兴奋细胞的跨膜电位差与离子的选 择性通透性择性通透性o 跨膜电位差的物理学描述跨膜电位差的物理学描述电阻抗（电阻抗（R R）或膜电阻（或膜电阻（RmRm) )o 膜可贮存电荷的物理学描述膜可贮存电荷的物理学描述电容器（电容器（C C）或膜电容（或膜电容（CmCm）o RmRm与与CmCm的并联关系即膜的等效电路的并联关系即膜的等效电路o 刺激与兴奋刺激与兴奋o 矩形脉冲刺激电流引起的膜

27、电位变化矩形脉冲刺激电流引起的膜电位变化 a a：纯电阻元件的膜电位：纯电阻元件的膜电位 变化与脉冲电流变化同步变化与脉冲电流变化同步 b b：纯电容元件的膜电位：纯电容元件的膜电位 变化减慢，但保持其起始变化减慢，但保持其起始 斜率斜率 c c：含阻容元件的膜电位：含阻容元件的膜电位 呈指数变化：呈指数变化： Vm=I/Cmo VmVm=I/Cm =I/Cm 1. Cm 1. Cm可减慢电流引起的可减慢电流引起的 膜电位变化，是因此前膜电位变化，是因此前CmCm须须 经历充、放电的过程经历充、放电的过程 2. 2. 膜电位变化快慢膜电位变化快慢 由时间常数决定，即由时间常数决定，即t t值越

28、值越 大，大，CmCm充放电流越小、越慢充放电流越小、越慢 或电容器两端电压（或电容器两端电压（UCUC）达）达 到某一定值所需时间越长到某一定值所需时间越长 生物膜的电学特性生物膜的电学特性 膜时间常数膜时间常数o 进一步的物理学与生物物理学描述进一步的物理学与生物物理学描述 1. 时间常数是标志时间常数是标志RC电路充放电的基本参数电路充放电的基本参数 2. RC电路中，电路的电压（电路中，电路的电压（E）随时间呈指数变化）随时间呈指数变化： 3. 由矩形脉冲电流引起的生物膜电位变化由矩形脉冲电流引起的生物膜电位变化： Vm=ImRm(1-e-t/t t) 4. 公式中公式中e=2.72为

29、指数系数，为指数系数， t t = RC = RC为时间常数为时间常数 5. 公式表明，膜电位下降到最初值的公式表明，膜电位下降到最初值的1/e所需时间所需时间 为一个时间常数，即膜电位变化达最终值的为一个时间常数，即膜电位变化达最终值的63%所需时所需时 间为一个时间常数间为一个时间常数 6. 6. 不同的生物膜，不同的生物膜， t t 值大小也不同，同一标值大小也不同，同一标本的本的t t值大小受很多因素影响值大小受很多因素影响E=IR（1-e-t/t t） 不同细胞的电学常数不同细胞的电学常数细胞种类细胞种类 电阻电阻 电容电容 细胞内液细胞内液 细胞外液细胞外液 细胞膜细胞膜抢乌贼巨轴

30、突抢乌贼巨轴突 29 20 700 1.129 20 700 1.1蛙肌蛙肌 200 87 1500 0.94200 87 1500 0.94Homarus Homarus VulgarisVulgaris轴突轴突 60 20 600-7000 1.360 20 600-7000 1.3Carinus Carinus MaenasMaenas轴突轴突 90 20 2000-16000 1.190 20 2000-16000 1.1 生物膜的电学特性生物膜的电学特性 膜时间常数膜时间常数 o 理论意义与实际应用理论意义与实际应用 1. 1. 生物膜中生物膜中t t的变化很大（神经元约的变化很大（

31、神经元约1 120ms20ms），但），但 经检测，单位表面积的膜电容却较恒定、约经检测，单位表面积的膜电容却较恒定、约1010-6-6F/cmF/cm2 2 2. 2. 不同时间常数反映了不同细胞的不同时间常数反映了不同细胞的RmRm的不同，乃至的不同，乃至 同一神经元的各个膜区域之间的区别。而同一神经元的各个膜区域之间的区别。而RmRm的差异又的差异又 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胞对刺激

32、的反应方面都起着重要作用 3.3. 生物机能实验中，生物机能实验中，多种因素如标本干燥、机械牵多种因素如标本干燥、机械牵 拉等不良刺激都可使拉等不良刺激都可使RmRm增加，影响其电活动及其对刺激增加，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结果的真实可靠，应尽量避免不良刺激对RmRm的影响的影响 生物膜的电学特性生物膜的电学特性 跨膜离子电流与膜电位变化跨膜离子电流与膜电位变化o 欧姆定律及其表述欧姆定律及其表述 1. 1. 通过某一导体的电流（通过某一导体的电流（I I）与导

33、体两端的电压）与导体两端的电压（V V或或E E）成正比，与导体的电阻（）成正比，与导体的电阻（R R）成反比：）成反比： I=E/RI=E/R 2. 2. 电导是电阻的倒数（电导是电阻的倒数（g =1/Rg =1/R），引入电导概念：），引入电导概念： I=gEI=gE 3. 3. 电导概念可更好地描述离子通道允许电流通过电导概念可更好地描述离子通道允许电流通过 的能力的能力 生物膜的电学特性生物膜的电学特性 跨膜离子电流与膜电位变化跨膜离子电流与膜电位变化o 应用欧姆定律描述跨膜离子电流与膜电位的关系应用欧姆定律描述跨膜离子电流与膜电位的关系 1. 1. 离子通道是一种特殊的导体，各种离子

34、经离子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（流的大小（I I）既取决于膜电位差（）既取决于膜电位差（E E）及通道的电导）及通道的电导（g g），也与该离子的平衡电位（），也与该离子的平衡电位（EsEs）有关：）有关： I=g(Em-Es)I=g(Em-Es) 2. 2. 公式表明，离子流过通道的公式表明，离子流过通道的驱动力是驱动力是Em-EsEm-Es而非而非EmEm 3. 3. 若以膜电位为横轴，离子通道电流为纵轴作图，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

35、可了解跨膜离子电流(I)(I)与电压与电压(V)(V)的关系的关系(Current-(Current- Voltage relationship) Voltage relationship)，或称为，或称为I-VI-V曲线曲线 4. 4. F=Em-EsF=Em-Es即离子流过通道的驱动力即离子流过通道的驱动力 driving forcedriving force 生物膜的电学特性生物膜的电学特性 跨膜离子电流与膜电位变化跨膜离子电流与膜电位变化 1. 图中的斜率即为该图中的斜率即为该 通道的电导，若电导为一通道的电导，若电导为一 常数，常数，I-V关系便呈线性关系便呈线性 2. 曲线还表明，

36、不仅曲线还表明，不仅 离子流过通道的驱动力不离子流过通道的驱动力不 是是E，而且电流为，而且电流为0的电位的电位 是与离子的平衡电位相等是与离子的平衡电位相等 的电位而不是的电位而不是0mV 处。因处。因 电流在此电位改变方向，电流在此电位改变方向， 故又称反转电位故又称反转电位 3. 根据反转电位值可根据反转电位值可 以得出该通道的平衡电位以得出该通道的平衡电位 4 .根据根据I=g(Em-Es)，可得出可得出g (n = 6 )-1 2 0-1 0 0-8 0-6 0-4 0-2 002 04 06 0-1012H o ld P o te n tia l(m V )R e la tiv e

37、 IO u tw a rd c u rre n t o f A T P(n = 6 )(n = 1 )(n = 6 )(n = 7 )(n = 6 )(n = 4 )(n = 1 0 )(n = 5 )*Current-Voltage relationship (I-V Curve) 生物膜的电学特性生物膜的电学特性 跨膜离子电流与膜电位变化跨膜离子电流与膜电位变化o 研究研究I-VI-V关系的意义关系的意义 Ik1电流电流-电压曲线电压曲线 1.研究离子通道的研究离子通道的I-V关系关系 ，是了解通道生物物理学特性，是了解通道生物物理学特性 和药物作用机制的基本方法和药物作用机制的基本方法

38、2. 实际上许多通道具有非实际上许多通道具有非 线性的线性的I-V关系，尤其可通透关系，尤其可通透 离子在膜两侧的浓度不同或通离子在膜两侧的浓度不同或通 道的结构不对称等情况下，该道的结构不对称等情况下，该 曲线往往会向某个电流方向（曲线往往会向某个电流方向（ 如内向或外向电流）偏离欧姆如内向或外向电流）偏离欧姆 定律，即所谓定律，即所谓“整流整流”现象现象 生物膜的电学特性生物膜的电学特性 跨膜离子电流与膜电位变化跨膜离子电流与膜电位变化o 实际应用实际应用 1. 在生物膜的等效电路中，因在生物膜的等效电路中，因Rm和和Rc以并联方以并联方 式存在，膜电流（式存在，膜电流（Im）等于跨膜离子

39、电流（）等于跨膜离子电流（Ii）与）与 电容电流（电容电流（Ic）之和：）之和： Im=Ii+Ic 2. 公式表明，膜的公式表明，膜的Ii或或Ic变化均可改变变化均可改变Im，而，而 Ii反映了跨膜离子通道电阻（反映了跨膜离子通道电阻（Rm）的大小、）的大小、Ic反映反映 了跨膜电容（了跨膜电容（Cm)的大小的大小 3. 由欧姆定律可知，由欧姆定律可知，Im的变化必然改变膜电位的变化必然改变膜电位 （Vm），因而），因而Rm和和Cm的不同也将影响到的不同也将影响到Vm 4. 因此在测量因此在测量Vm的电生理研究中，必须注意保持的电生理研究中，必须注意保持 生物膜生物膜Rm和和Cm处于稳定状态处

40、于稳定状态 生物膜的电学特性生物膜的电学特性 刺激电流与膜电位变化刺激电流与膜电位变化o 刺激引起兴奋的条件刺激引起兴奋的条件 1. 细胞所处功能状态细胞所处功能状态 2. 有效刺激的三个参数，即强度、时间和强度有效刺激的三个参数，即强度、时间和强度-时时 间变化率间变化率 3.细胞内刺激时细胞内刺激时: 刺激电流的方向，如外向刺激电流刺激电流的方向，如外向刺激电流使膜去极化，使膜去极化， 兴奋性升高；内向刺激电流使膜超极兴奋性升高；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，微电极技术

41、进行实验时，应将正电极置于细胞内，将负电极置于细胞外将负电极置于细胞外 单细胞的单细胞的动作电位动作电位 生物膜的电学特性生物膜的电学特性 刺激电流与膜电位变化刺激电流与膜电位变化o 外向和内向刺激电流引起的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外向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和内向刺激电流引起的膜电位变化内向刺激电流与膜电位变化内向刺激电流与膜电位变化 生物膜的电学特性生物膜的电学特性 刺激电流与膜电位变化刺激电流与膜电位变化o 刺激引起兴奋的条件刺激引起兴奋的条件4.细胞外刺激时细胞外刺激时: 在正电极处发生超极化，而负电极在正

42、电极处发生超极化，而负电极处发生去极化，细胞外双刺激时，应将正极置于远处发生去极化，细胞外双刺激时，应将正极置于远离引导电极一侧，负极置于靠近引导电极的一侧，离引导电极一侧，负极置于靠近引导电极的一侧，以避免阳极阻滞。以避免阳极阻滞。举例：研究生复试考题举例：研究生复试考题 细胞外刺激（神经干复合动作电位）细胞外刺激（神经干复合动作电位）刺激电极刺激电极记录电极记录电极0动作电位的传导动作电位的传导 生物膜的电学特性生物膜的电学特性 刺激强度与膜电位变化刺激强度与膜电位变化o 刺激引起兴奋的原理刺激引起兴奋的原理 1. 膜的去极化是电压门控膜的去极化是电压门控Na+通道被激活及通道被激活及Na

43、+内流内流 的过程，期间常伴随膜电位与的过程，期间常伴随膜电位与K+平衡电位（平衡电位（EK）的差值）的差值 增大，以及非门控增大，以及非门控K+通道的通道的K+外流增加，且去极化越明外流增加，且去极化越明 显、显、K+外流越多外流越多 2. 阈下刺激时，被激活的阈下刺激时，被激活的Na+通道数目少、通道数目少、Na+内流内流 引起的膜被动反应（部分去极化）可被引起的膜被动反应（部分去极化）可被K+外流对抗，使外流对抗，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+通道数目及通道数目及Na+内流量皆增加，不被内流量皆增加，不被K+外流对

44、抗外流对抗 3. 阈刺激所致阈刺激所致Na+内流及进一步去极化可在二者间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形成正反馈，这被称为再生性去极化或再生性Na+内流内流 生物膜的电学特性生物膜的电学特性 刺激强度与膜电位变化刺激强度与膜电位变化o 动作电位的全或无特性（单个细胞）动作电位的全或无特性（单个细胞） 对很强的去极化刺激发生的主动反应（图示还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，刺激和表明，刺激强度越大，刺激和AP间的延迟越短）间的延迟越短） 生物膜的电学特性生物膜的电学特性 刺激强度与膜电位变化刺激强度与膜电位变化o 神经干或组织

45、受刺激的表现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；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

46、奋度的相应增大，这正是不同的细胞分别具有不同的兴奋 性的表现性的表现 3. 最适刺激强度在于使神经干中所有纤维都兴奋，最适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此时动作电位的幅度也达最大 取一只蟾蜍，双毁髓、去前肢及内脏、剥皮并分离两腿，将一侧后肢固定，取一只蟾蜍，双毁髓、去前肢及内脏、剥皮并分离两腿，将一侧后肢固定，分离一侧后肢的坐骨神经。分离一侧后肢的坐骨神经。向上分离坐骨神经向上分离坐骨神经 至脊柱根部，向下分离至脊柱根部，向下分离内侧的胫神经内侧的胫神经外侧的腓神经外侧的腓神经至踝关节至踝关节 结扎坐骨神经干的脊柱端结扎坐骨神经干的脊柱端将神经干标本放入任氏

47、液中备用将神经干标本放入任氏液中备用 神经干复合动作电位神经干复合动作电位刺激电极刺激电极记录电极记录电极0动作电位的传导动作电位的传导动作电动作电位振幅位振幅（mV)图图1 刺激强度与动作电位振幅的关系刺激强度与动作电位振幅的关系刺激电压刺激电压(V)0.51.01.52468o神经干动作电位的幅度在一定范围内随刺激神经干动作电位的幅度在一定范围内随刺激强度变化而变化，阈刺激，阈上刺激，最大强度变化而变化，阈刺激，阈上刺激，最大刺激。刺激。实验原理实验原理2 2刺激刺激神经干动作神经干动作电位幅度电位幅度双相动作电位双相动作电位 Biphasic Action Potential兴奋区兴奋区

48、细胞外引导电极细胞外引导电极检流计检流计记录结果1Ap1Ap2Dp1Dp1 t图图1 蟾蜍坐骨神经干双相动作电位蟾蜍坐骨神经干双相动作电位图图2 蟾蜍坐骨神经干单相动作电位蟾蜍坐骨神经干单相动作电位AmDm单相动作电位单相动作电位Monophasic Action Potential损伤区损伤区兴奋区兴奋区细胞外引导电极细胞外引导电极检流计检流计实验原理实验原理4 4o在两记录电极间夹伤神经干，双相动作电位变在两记录电极间夹伤神经干，双相动作电位变单相动作电位；在两记录电极前夹伤神经干，单相动作电位；在两记录电极前夹伤神经干，动作电位消失；动作电位消失；o用普鲁卡因作用于神经干，有相似的结果。

49、用普鲁卡因作用于神经干，有相似的结果。0第二节 生物电信号的特性o信号微弱：电压为信号微弱：电压为mV-VmV-V，电流为，电流为nA-pAnA-pAo频率范围很大：频率范围很大：0-6KHz0-6KHz；故在使用生物电放；故在使用生物电放大器时应选择适宜的频带大器时应选择适宜的频带o信号源内阻高：包括组织、皮肤内阻及细胞信号源内阻高：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膜电阻等，可达几千乃至数万欧姆o易受其他电信号干扰：易受其他电信号干扰： 生物电之间生物电之间 的相互干扰的相互干扰 50Hz 50Hz交流电源对记录电交流电源对记录电 信号的干扰信号的干扰 电极极化电位的干

50、扰电极极化电位的干扰 感应电场及空间电磁波的干扰等感应电场及空间电磁波的干扰等第三节 生物电记录方法及原理o 生物信号记录的框架图生物信号记录的框架图o 生物电信号拾取生物电信号拾取o 生物电信号的放大与记录生物电信号的放大与记录o 诱发生物电现象产生诱发生物电现象产生o 干扰问题干扰问题(自发、诱发自发、诱发)放大器示波器记录仪 生物电记录方法及原理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 生物电记录方法及原理生物电记录方法及原理 生物电信号拾取生物电信号拾取o 信号拾取的定义与记录电极的等效电路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记录方法及原

51、理 生物电信号拾取生物电信号拾取o 信号拾取的两个原则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仪器记录的信号是极间电阻两端的电位差(电压电压) 3. 串联电路中，电阻两端电压的大小与电阻大小成串联电路中，电阻两端电压的大小与电阻大小成 正比。因此，正比。因此，拾取信号的方法与过程应遵循两个原则拾取信号的方法与过程应遵循两个原则： 一是一是力求电极与组织接触良好即力求电极与组织接触良好即尽量减少接触电阻尽量减少接触电阻，以，以 使

52、信号电压主要降落在极间电阻两端，同理两个电极不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、否则极间电阻为能短路、否则极间电阻为0而拾取不到信号；而拾取不到信号；二是二是制作制作 电极的材料导电性能要好电极的材料导电性能要好或极间电阻要低，以使信号电或极间电阻要低，以使信号电 压主要降落在仪器的输入电阻上。极间电极由电极电压主要降落在仪器的输入电阻上。极间电极由电极电 阻与仪器的输入电阻串联而成阻与仪器的输入电阻串联而成(自发、诱发自发、诱发)放放大大器器示波器示波器记录仪记录仪 生物电记录方法及原理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

53、和记录的有关方法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记录方法及原理 生物电信号放大生物电信号放大o 信号的信号的放大放大 1. 足够的放大倍数足够的放大倍数 2. 放大后波形不失真放大后波形不失真 必须选择合适参数必须选择合适参数 生物电信号根据频率分为：直流生物电信号根据频率分为：直流 交流信号交流信号 o 信号的信号的记录记录 干扰信号：实验不需要的信号干扰信号：实验不需要的信号 如刺激伪迹如刺激伪迹 生物电记录方法及原理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o 关于刺激伪迹关于刺激伪迹 1. 生物电信号的记录常面临辨认信号真伪的问题生物电

54、信号的记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，其中之一是刺可记录到的干扰信号有许多种，其中之一是刺 激伪迹激伪迹 3. 在电生理学实验中，当刺激器发出一个刺激脉在电生理学实验中，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。刺激微迹可被用来作为一个电信号，此即刺激伪迹。刺激微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，其时间间隔就是刺激电极处所产生AP传导到记录电传导到记录电

55、 极处所需要的时间极处所需要的时间刺激伪迹刺激伪迹(Stimulus artifact)刺激伪迹刺激伪迹AP刺激器刺激器放大器放大器+地地刺激电流刺激电流i-i+R+R-地地刺激伪迹是刺激电流通过导电介质扩散至刺激伪迹是刺激电流通过导电介质扩散至两引导电极而形成的电位差信号。两引导电极而形成的电位差信号。 生物电记录方法及原理生物电记录方法及原理 诱发生物电现象产生诱发生物电现象产生o 人工诱发生物电的常用方法人工诱发生物电的常用方法o 电刺激器的电脉冲及其矩形波特征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电刺激器既可发出一个、两个或多个单独的脉 冲，也可

56、连续性地或不停地发出脉冲冲，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）波宽）、电压对时间的变化率（矩形波上升的斜率） 生物电记录方法及原理生物电记录方法及原理 干扰问题干扰问题o 干扰问题的广泛性干扰问题的广泛性o 5050赫兹的交流电干扰及其预防赫兹的交流电干扰及其预防o 仪器的噪声和放大器的信噪比参数仪器的噪声和放大器的信噪比参数o一般信号电平与噪声电平比值一般信号电平与噪声电

57、平比值1010才能满足才能满足实验记录需要实验记录需要o 其它其它第四节第四节 生物信号放大器的性能指标及作用生物信号放大器的性能指标及作用o 通频带通频带o 高增益高增益o 高输入阻抗高输入阻抗o 高共模抑制比高共模抑制比o 信噪比信噪比o 低漂移低漂移o 通频带的定义通频带的定义 生物信号放大器的性能指标及作用生物信号放大器的性能指标及作用 通频道通频道 1. 通频带又称带宽，是放大器选择与直流或交流生通频带又称带宽，是放大器选择与直流或交流生 物电信号相适应频率范围的技术指标物电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生物放大器的通频带下限为0、上限最大频率通、上限最

58、大频率通 常在常在6kHz以内，这基本能满足机能实验需要以内，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根据所观察生物信号的频率特性,选择相应带宽选择相应带宽 可通过调节放大器的可通过调节放大器的“时间常数时间常数”和和“高频滤波高频滤波”实现实现 。如在放大器前、后极之间常设置有低和高频电路。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）都是表征低通滤波）都是表征RC电路频率响应的参数，其实质电路频率响应的参数，其实质 都是滤波。都是滤波。o 放大器的时间常数（高通滤波）放大器的

59、时间常数（高通滤波） 生物信号放大器的性能指标及作用生物信号放大器的性能指标及作用 通频道通频道 1. 时间常数决定放大器带宽的下限频率时间常数决定放大器带宽的下限频率(f1)即衰减即衰减 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：消除信号基线的漂移和低频噪声。计算下限的频率： f1 1=1/2=1/2 RC （ =3.14=3.14, , t t = RC = RC） 2. 公式中每一个时间常数公式中每一个时间常数t t 对应一个对应一个f1，低于，低于f1的信的信 号常被衰减号常被衰减70

60、%以上，且频率越低衰减越厉害以上，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，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波器的通频带越宽、失真就越小，但噪声和干扰却越大 o 放大器的高频滤波（低通滤波）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生物信号放大器的性能指标及作用 通频道通频道A DP M f1 f2 f(Hz) 1. 高频滤波决定高频滤波决定 放大器带宽的上限频放大器带宽的上限频 率（率（f2