电生理学是针对生物系统，特别是神经元和肌肉细胞等可兴奋细胞内部电气性质和活动的研究。其包括测量、记录和分析这些细胞产生的电信号，最终深入了解其功能和通信。
在此，我们将深入探讨电生理学，包括其历史、未来以及如何在各个领域的实验技术中使用。
电生理学的历史
电生理学领域的悠久历史可追溯到18和19世纪，最早的标志是在了解生物体电气性质方面的重大发现。
可以说，最具突破性的实验之一是由意大利医生Luigi Galvani在18世纪末完成的。在这个实验中，Galvani观察到青蛙的肌肉在与另一个金属物体接触时会收缩。2
他将这一证据解释为“动物电”，从而促进了对生物电现象的全面认识。Galvani实验等早期电生理学实例为该领域的现代研究奠定了基础，使人们对生物体的电气性质以及如何研究生物体的电气性质有了更深入的了解。
进入21世纪后，科学家在很大程度上依赖于实地记录，因为单个细胞的定位极其困难。有了显微镜后，科学家就可以确定细胞的位置，而随着光学设计的进步，例如红外微分干涉对比（IR-DIC），研究人员可以更深入地观察活体组织。
这种显微镜装置与高速相机相结合，可通过钙成像等方法实时观察细胞内部动态。现在，从固定台式电生理学正置显微镜到更先进的成像解决方案，例如激光扫描共焦显微镜和多光子显微镜，这些解决方案正在彻底改变电生理学领域的研究进展。
H line小鼠大脑的冠状切片，青色；DAPI（细胞核），绿色；YFP（神经元），黄色；Cy3星形胶质细胞，洋红色；AlexaFluor 750（微管）。使用1K共振扫描在16分钟内共采集了77个四通道XYZ位置（11 × 7），以创建拼接图像，而过去使用普通检流计振镜扫描需花费两小时。样品承蒙理化学研究所（RIKEN）CBS细胞功能动力学部实验室的Takako Kogure和Atsushi Miyawaki提供。
电生理学有什么用途？
在当今的研究领域，电生理学可用于心脏病学、神经科学等常见领域。在心脏病学中，电生理学最常见的用途是心电图（ECG）。
心电图是一种测量和记录心脏电活动的电生理诊断设备。放置在皮肤上的电极可检测心脏细胞产生的电信号。心电图可提供有关心律、心率和整体电功能的宝贵信息，是诊断和治疗心血管疾病的重要工具。
在神经科学中，电生理学通常用于研究神经元的电气性质，包括神经元如何产生和传输电信号。
膜片钳电生理学有两种主要方法：细胞内和细胞外。细胞内电生理学涉及测量单个细胞膜上的电位。这可提供有关细胞膜电位以及细胞活动（如动作电位）过程中发生的任何变化的详细信息。
膜电位是所有细胞的固有特性，由细胞膜两侧过多的负电荷或正电荷产生。1动作电位是由带正电荷的离子交换引起的神经元质膜短暂而巨大的去极化和复极化。1
膜片钳记录广泛用于研究单个细胞（尤其是神经元）的电活动。 它是将玻璃微量移液管电极置于细胞膜上，形成紧密的密封，从而实现对膜电位变化的准确测量。膜片钳技术可通过全细胞、贴附细胞、内面向外和外面向外等几种不同的配置方式进行，每种配置都适用于不同的实验目的。
膜片钳记录配置。（A）贴附细胞：可测量单通道电流。（B）全细胞：可测量整个细胞的电流。（C）内面向外：可测量细胞溶质一侧朝外的小膜片上的电流。（D）外面向外：可测量细胞外侧朝外的小膜片上的电流。图片来源：Ahmadi, Shirin et al.2023 (Frontiers).3
电压钳记录是一种用于测量和控制细胞膜电位，同时测量流过细胞膜的离子电流的方法。2通过这种技术，研究人员可以研究离子通道和受体的特性，最终进一步了解导致动作电位的机制。
电流钳记录是指在测量细胞膜电位变化的同时向细胞注入电流。这种技术用于研究神经元的内在电气性质，如静息膜电位和动作电位发射模式。
另一方面，细胞外电生理学涉及测量多个细胞或更大面积的电活动。这种方法通常用于研究神经网络的整体活动和相互作用。多电极阵列（MEA）可同时从多个部位进行记录，从而深入了解网络层面的活动。
总之，细胞内电生理学和细胞外电生理学的区别在于记录电极相对于细胞膜的位置。细胞内记录提供有关单个细胞电气性质的信息，而细胞外记录则捕捉一组细胞集体活动的信息。这两种方法对于了解生物系统的功能都非常有价值。
电生理学的未来
在技术和方法不断进步的推动下，电生理学的未来充满了令人兴奋的可能性。随着电生理学数据集复杂性的增加，我们已经看到了数据分析和计算建模方面的进步需求。机器学习工具将很有可能在从大型数据集中提取有意义的见解方面发挥关键作用。微型化和无线设备的开发已经开始，并将继续实现对人体电活动的微创监测。
光遗传学是一种尖端技术，其依靠显微镜和光学技术，使用光来控制特定细胞（通常是神经元）的活动。这种方法涉及对神经元进行基因改造，以引入光敏蛋白通道。成功表达后，使用光照射细胞的特定区域，就能局部改变离子浓度，并在显微镜下实时观察其效果。1
这种对细胞活动的洞察力和可见度为研究神经回路、大脑功能和神经系统疾病以及开发治疗干预措施提供了机会。4 总体而言，电生理学的未来为增进我们对生物系统的了解、诊断和治疗疾病带来了巨大希望。
测量电生理学响应的3D刺激反应图示例。为了实现针对性较强的激光刺激，将观察区域划分为网格，激光以伪随机顺序照射每个区域，从而避免相邻区域受到连续刺激。根据膜片钳记录或成像强度绘制刺激反应图。集成可选的压电物镜转盘可将反应图扩展到3D，在不同于成像平面的深度提供刺激。图像数据承蒙东京大学医学部Haruo Kasai疾病生物学和综合医学中心提供。由FLUOVIEW激光扫描显微镜拍摄。
电生理学的关键要点
归根结底，电生理学是我们了解生物体复杂性的重心，尤其是在神经科学和心脏领域。通过揭开细胞电活动的神秘面纱，研究人员可以深入了解神经交流、肌肉收缩和许多生理过程背后的基本机制。
从早期科学家（如Galvani）领导的开创性实验到今天的现代尖端技术，电生理学领域在合作与求知的推动下经历了非凡的创新。通过不断探索，我们可以更深入地了解为人体提供动力的电活动。
参考文献
- Hardin, Jeff et al. Becker’s World of the Cell, 9th Global Edition. Pearson, 2016.
- Molleman, Areles. Patch Clamping: An Introductory Guide to Patch Clamp Electrophysiology. John Wiley Sons, 2008.
- Ahmadi, Shirin et al. “From Squid Giant Axon to Automated Patch-Clamp: Electrophysiology in Venom and Antivenom Research.” Frontiers, 2023.
- Häusser, Michael. “Optogenetics - The Might of Light.” New England Journal of Medicine, 2021.
