Кіріспе

Биологиялық жасушалар мен тіндердің электрлік қасиеттерін зерттеу. Электрофизиология (грекше ἥλεκτ, ēlektron, "күміс" [«электрон» сөзінің этимологиясын қараңыз]; φύσις, physis, "табиғат, шығу тегі"; және λογία, logia) – биологиялық жасушалар мен тіндердің электрлік қасиеттерін зерттейтін физиологияның саласы. Ол кернеудің өзгеруін немесе электр тогын өлшеуді, сондай-ақ жеке иондық канал ақуыздарынан бастап жүрек сияқты бүкіл органдарға дейінгі әртүрлі масштабтағы манипуляцияларды қамтиды. Нейроғылымда нейрондардың электрлік белсенділігін, әсіресе, әрекет потенциалының белсенділігін өлшеу кіреді. Электроэнцефалография сияқты жүйке жүйесінен алынатын ірі масштабты электр сигналдарын жазу электрофизиологиялық жазу деп те аталады. Олар электродиагностика және мониторинг үшін пайдалы.

Оптикалық электрофизиологиялық әдістер

Оптикалық электрофизиологиялық әдістерді ғалымдар мен инженерлер классикалық әдістердің негізгі шектеулерінің бірін жою үшін жасады. Классикалық әдістер тіндік көлемдегі шамамен бір ғана нүктеде электрлік белсенділікті бақылауға мүмкіндік береді. Классикалық әдістер тараған құбылысты жекелейтін сипатқа ие. Биоэлектрлік белсенділіктің кеңістікте таралуына деген қызығушылық, электрлік немесе химиялық ортаға жауап ретінде жарық шығаратын молекулаларды дамытуға себеп болды. Мысалдарға кернеуге сезімтал бояулар және флуоресцентті ақуыздар жатады. Перфузия, инъекция немесе гендік экспрессия арқылы тіндікке бір немесе бірнеше осындай қосылыстар енгізілгеннен кейін, электрлік белсенділіктің 1 немесе 2 өлшемді таралуын бақылауға және тіркеуге болады.

Ұяшық ішіндегі жазу

Жасушаішілік жазу – жасуша мембранасы арқылы кернеу және/немесе ток өлшеуді қамтиды. Жасушаішілік жазу жасау үшін, мембраналық потенциалды өлшеуге мүмкіндік беру үшін, ұсақ (жіңішке) микроэлектродтың ұшы жасушаның ішіне енгізілуі керек. Әдетте, сау жасушаның тыныш күйдегі мембраналық потенциалы 60-80 мВ құрайды, ал әрекеттік потенциал кезінде мембраналық потенциал +40 мВ-қа дейін жете алады. 1963 жылы Алан Ллойд Ходжкин мен Эндрю Филдинг Хаксли нейрондардағы әрекеттік потенциалдардың пайда болу механизмдерін түсінуге қосқан үлесі үшін физиология және медицина саласындағы Нобель сыйлығын жеңіп алды. Олардың тәжірибелері Атлантикалық кальмардың (Loligo pealei) алып аксонынан жасушаішілік жазуларды қамтыды және «кернеуді тұрақтандыру» (voltage clamp) техникасының алғашқы қолданылуларының бірі болды. Бүгінде жасушаішілік жазу үшін қолданылатын көптеген микроэлектродтар – < 1 микрометр ұш диаметрі және бірнеше мегольмдық кедергісі бар шыны микропипеттер. Микропипеттер жасушаның ішкі сұйықтығына ұқсас иондық құрамы бар ерітіндімен толтырылады. Пипетке енгізілген хлорланған күміс сым электролитті күшейткіш және сигналды өңдеу тізбегіне электрлік жағынан қосады. Электродпен өлшенген кернеу, әдетте күміс хлоридімен жабылған күміс сым арқылы жасушаның сыртындағы сұйықтықпен байланысқан эталондық электродтың кернеуімен салыстырылады. Жалпы, электрод ұшының мөлшері неғұрлым кіші болса, оның электрлік кедергісі соғұрлым жоғары болады, сондықтан электродтың мөлшері (бір жасушаға минималды зақым келтіре отырып ену үшін жеткілікті кішкентай) және кедергісі (электрод ұшындағы жылу шуынан кіші нейрондық сигналдарды ажыратуға мүмкіндік беретіндей төмен) арасындағы шартты тепе-теңдік сақталады. Мидың сау тілімдерін сақтау сәтті электрофизиологиялық жазулар үшін маңызды. Осы тілімдерді дайындау әдетте Compresstome vibratome сияқты құралдармен жүзеге асырылады, бұл дәл және сенімді жазулар үшін оңтайлы жағдайларды қамтамасыз етеді.

Кернеу тұтқасы

Кернеуді тұйықтау әдісі эксперименттеушіге жасуша потенциалын қалаған мәнде "тұрақтандыруға" мүмкіндік береді. Бұл, кез келген кернеуде жасуша мембранасы арқылы қанша иондық ток өтетінін өлшеуге мүмкіндік туғызады. Бұл маңызды себебі, нейрон мембранасындағы көптеген иондық каналдар кернеуге сезімтал иондық каналдар болып табылады, олар мембрана кернеуі белгілі бір шекте болғанда ғана ашылады. Кернеуді тұйықтау арқылы ток өлшеулер, тіркеу электроды мен жасуша мембранасы жасушаның потенциалын өзгерту үшін зарядталған кезде пайда болатын өтпелі сыйымдылық тоқтарын дерлік бір уақытта цифрлық түрде алып тастау арқылы жүзеге асырылады.

Ағымдағы тұтқа

Ағымдағы тығыздау әдісі мембраналық потенциалды жазу электроды арқылы жасушаға ток жіберу арқылы тіркейді. Кернеуді тұрақтандыру режимінен айырмашылығы, онда мембраналық потенциал тәжіккебиші анықтаған деңгейде ұсталады, "ағымдағы тығыздау" режимінде мембраналық потенциал еркін өзгеріп, күшейткіш жасушаның өзі немесе стимуляция нәтижесінде тудыратын кернеуді тіркейді. Бұл әдіс электр тогы жасушаға енгенде жасушаның қалай жауап беретінін зерттеу үшін қолданылады; мысалы, бұл мембраналық иондық каналдарды ашатын нейротрансмиттерлерге нейрондардың қалай жауап беретінін түсіну үшін маңызды. Көптеген ағымдағы тығыздау күшейткіштері жасушадан тіркелген кернеу өзгерістерін аз немесе мүлдем күшейте алмайды. "Күшейткіш" іс жүзінде электрометр болып табылады, кейде "бірлік күшейткіш" деп те аталады; оның басты мақсаты – жасушалар тудыратын шағын сигналдарға (мВ диапазонында) электрлік жүктемені азайту, осылайша оларды төмен кедергілі электроникамен дәл тіркеуге болады. Күшейткіш сигналдың артындағы токты арттырып, сол ток өтетін кедергіні азайтады. Ом заңына сүйенетін мына мысалды қарастырайық: 10 мВ кернеу 10 наноампер ток 1 МΩ кедергі арқылы өткенде пайда болады. Электрометр кернеуді жалғау тізбегін пайдалану арқылы осы "жоғары кедергілі сигналды" "төмен кедергілі сигналға" түрлендіреді. Кернеуді бақылаушы кірістегі кернеуді оқиды (үлкен резистор арқылы шағын токтан туындайды). Содан кейін ол үлкен ток көзі бар (электр желісі) параллель тізбекке нұсқау береді және сол параллель тізбектің кедергісін төменгі кедергі арқылы бірдей шығыс кернеуін беру үшін реттейді.

Жапсырманы тіркеу

Бұл әдісті 1991 жылы Нобель сыйлығын алған Эрвин Неер мен Берт Сакман әзірледі. Дәстүрлі клеткаішілік жазуда жасушаны жұқа электродпен тесіп қою қажет; ал патч-кламп жазуда басқа тәсіл қолданылады. Патч-кламп микроэлектроды – салыстырмалы түрде үлкен ұшы бар микропипетка. Микроэлектрод жасушаның жанына орналастырылады, және микроэлектрод арқылы жасуша мембранасының бір бөлігін («патчты») микроэлектродтың ұшына тартып алу үшін жұмсақ сору қолданылады; шыны ұшы жасуша мембранасымен жоғары кедергілі «мөр» құрайды. Бұл конфигурация «жасушаға қосылған» режимі деп аталады, және ол патчтағы иондық каналдардың белсенділігін зерттеу үшін пайдаланылуы мүмкін. Егер сору күші артырылса, электрод ұшындағы мембрананың кішкентай бөлігі ығысып, электродтың қалған жасушаға жабысып қалуы мүмкін. Бұл «толық жасушалық» режимі өте тұрақты клеткаішілік жазуды қамтамасыз етеді. Бір кемшілігі (дәстүрлі клеткаішілік жазудың өткір электродтарымен салыстырғанда) – жасушаның клеткаішілік сұйықтығы жазу электроды ішіндегі ерітіндімен араласады, сондықтан клеткаішілік сұйықтықтың маңызды компоненттері сұйынып кетуі мүмкін. Бұл әдістің бір түрі – «перфорацияланған патч» әдісі – осы проблемаларды азайтуға бағытталған. Мембраналық патчты электрод ұшынан ығыстыру үшін соруды қолданудың орнына, патчта тесіктер жасайтын заттармен кішкентай тесіктер жасауға болады, сонда ақуыздар сияқты ірі молекулалар жасушаның ішінде қалып, иондар тесіктер арқылы еркін өте алады. Сондай-ақ, мембраналық патчты жасушаның қалған бөлігінен алыстатуға болады. Бұл тәсіл патчтың мембраналық қасиеттерін фармакологиялық тұрғыдан талдауға мүмкіндік береді. Патч-клампты жазуды РНК тізбектемесімен біріктіріп, «патч-seq» деп аталатын әдіс жасауға болады, жазудан кейін жасуша мазмұнын алып, электрофизиологиялық қасиеттердің гендік экспрессиямен және жасуша типімен байланысын анықтауға болады.

Таза электродының жазылуы

Жасушалық мембрана ішіндегі потенциалды жасушаішілік сұйықтықтың иондық құрамына ең аз әсер ететіндей етіп тіркеу қажет болғанда өткір электрод қолданылуы мүмкін. Бұл микропипеткалар (электродтар) пластырь қыстырғышқа арналғандар сияқты, шыны капиллярлардан тартылып жасалады, бірақ олардың тесігі әлдеқайда кішкентай болғандықтан, жасушаішілік сұйықтық пен пипеткадағы электролит арасында ион алмасу өте төмен болады. Микропипетка электродының электрлік кедергісі пластырь қыстырғышта қолданылатын жасушаішілік иондық концентрацияны имитациялайтын тұз концентрациясына қарағанда, 2-4М KCl-мен толтыру арқылы төмендетіледі. Көбінесе электродтың ұшы Люцифер сарысы сияқты түрлі бояулармен толтырылады, бұл жазылған жасушаларды микроскоп астында олардың морфологиясын кейіннен растау үшін толтыруға мүмкіндік береді. Бояудың полярлығына қарай электродтарға оң немесе теріс, тұрақты немесе импульстік кернеу қолданылып, бояулар инъекцияланады.

Бір бірлік бойынша жазу

Тірі жануардың миына енгізілген электрод, электрод ұшына жақын орналасқан нейрондар тудыратын электрлік белсенділікті анықтайды. Егер электрод микроэлектрод болса, ұшы шамамен 1 микрометр болса, электрод көбінесе бір нейронның белсенділігін ғана анықтайды. Осылай жазуды әдетте "бірлік бойынша жазу" деп атайды. Тіркелген әрекет потенциалдары жасуша ішінде тіркелген әрекет потенциалдарына өте ұқсас, бірақ сигналдар әлдеқайда әлсіз болады (әдетте шамамен 1 мВ). Анестезияланған және есі кірген жануарлардағы жеке нейрондардың белсенділігін жазудың көп бөлігі осылай жүзеге асырылады. Тірі жануарлардағы жеке нейрондарды жазу арқылы ми ақпаратты қалай өңдейтіні туралы маңызды жаңалықтар алынды. Мысалы, Дэвид Хьюбел мен Торстен Визель анестезияланған мысықтың бастапқы көру қабығындағы жеке нейрондардың белсенділігін тіркеп, осы аймақтағы жеке нейрондардың көру стимулының нақты ерекшеліктеріне қалай жауап беретінін көрсетті. 1981 жылы Хьюбел мен Визель физиология және медицина саласындағы Нобель сыйлығымен марапатталды. Миды мұндай электрод енгізуге дайындау үшін көбінесе компресстома вибратомы, лейка вибратомы, микротом сияқты нәзік кесу құралдары қолданылады. Бұл құралдар электродты орналастыру үшін қажетті мидың дәл, жұқа бөліктерін алуға көмектеседі, соның арқасында нейробиологтар жазу үшін мидың нақты аймақтарын анықтай алады.

Көп бірлікті жазу

Егер электродтың ұшы сәл үлкен болса, онда электрод бірнеше нейронның белсенділігін тіркей алады. Мұндай жазу "көп бірлікті жазу" деп аталады және көбінесе саналы жануарларда қалыпты қызмет кезінде мидың нақты бір аймағындағы белсенділіктің өзгеруін жазу үшін қолданылады. Бір-біріне жақын орналасқан бір немесе бірнеше электродтан алынған жазбалар оның айналасындағы жасушалардың санын анықтауға, сондай-ақ қай тікенек қай жасушадан шыққандығын анықтауға мүмкіндік береді. Бұл процеске "тікенектерді сұрыптау" (spike sorting) дейді және жақсы анықталған тікенек сипаттамалары бар жасушалардың белгілі түрлері бар аймақтарда қолдануға болады. Егер электродтың ұшы одан да үлкен болса, әдетте жеке нейрондардың белсенділігін ажырату мүмкін емес, бірақ электрод көптеген жасушалардың белсенділігінен туындаған өріс потенциалын тіркей алады.

Далалық потенциалдар

Ұяшық сыртындағы өріс потенциалдары – көптеген жасушалардың бірлескен қызметінің нәтижесінде пайда болатын жергілікті ток ағындары немесе көздері. Әдетте, өріс потенциалы көптеген нейрондардың бір уақытта синапстық берілім арқылы белсендірілуімен туындайды. Оң жақтағы диаграммада гиппокамптың синапстық өріс потенциалдары көрсетілген. Оң жақтағы төменгі сызық жасушаларға оң зарядтардың постсинапстық глутамат рецепторлары арқылы енуінен туындаған ток ағынына сәйкес келетін теріс толқынды көрсетеді, ал жоғарғы сызық жасушадан (жасуша денесінен) ток шығуынан туындаған оң толқынды көрсетеді, бұл тізбекті аяқтау үшін қажет. Толық ақпарат алу үшін жергілікті өріс потенциалына қараңыз.

Амперметрлік

Амперметрия биологиялық ерітіндідегі тотыққан компоненттердің химиялық құрамының өзгеруін тіркеу үшін көміртек электродын пайдаланады. Окистену және тотығу процесі "сканерлеу" деп аталатын әдіс арқылы жазу электродының белсенді бетіндегі кернеуті өзгерту арқылы іске асырылады. Мидың кейбір химиялық заттары ерекше кернеуде электрондарды жоғалтады немесе алады, сондықтан оларды жеке-жеке анықтау мүмкін. Амперметрия жүйке және эндокриндік жүйелердегі экзоцитозды зерттеу үшін қолданылған. Көптеген моноаминді нейротрансмиттерлер, мысалы, норадреналин, допамин және серотонин (5 HT) тотығуға қабілетті. Бұл әдіс 5 HT немесе допаминмен "толтырылған" тотығуға қабілетті емес нейротрансмиттерлерді бөліп шығармайтын жасушаларда да қолданылуы мүмкін.

қатты тірекпен мембраналық (SSM)

Бұл электрофизиологиялық тәсілмен протеолипосомалар, мембраналық көпіршіктер немесе қызығушылық тудыратын каналды немесе тасымалдаушыны қамтитын мембраналық фрагменттер функционалдық электродқа боялған липидтік моноқабатқа адсорбцияланады. Бұл электрод шыны тірек, хром қабаты, алтын қабаты және октадецил меркаптан моноқабатынан тұрады. Боялған мембрана электродпен қолдауға алынғандықтан, оны қатты тіректегі мембрана деп атайды. Әдетте биологиялық липид мембранасын бұзатын механикалық әсерлер қатты тіректегі мембрананың (SSM) өмір сүру мерзіміне әсер етпейді. Капацитивті электрод (қатты тіректегі мембрана және сіңген көпіршіктерден тұрады) механикалық тұрғыдан өте тұрақты, сондықтан оның бетінде ерітінділерді жылдам алмастыруға болады. Бұл қасиет субстрат/лиганд концентрациясының жылдам өзгерістерін қолдану арқылы зертенетін қызығушылық тудыратын ақуыздың электрогендік белсенділігін зерттеуге мүмкіндік береді, ол көпіршіктер мен электрод арасындағы сыйымдылық байланысы арқылы өлшенеді.

Есептеулік электрофизиология

Қатаң түрде тәжірибелік өлшеу болып табылмаса да, ақуыздар мен биомембраналардың өткізгіш қасиеттерін зерттеу үшін компьютерлік әдістер әзірленді. Бұл негізінен молекулалық динамикалық модельдеу, онда липидтік екі қабат сияқты модельдік жүйе сыртқы кернеуге түсіріледі. Осылайша құрылған зерттеулер мембраналардың электропорациясы және каналдар арқылы иондардың транслокациясы сияқты динамикалық процестерді зерттеуге мүмкіндік берді. Мұндай әдістердің артықшылығы – активті өткізу механизмінің жоғары дәлдігі, себебі атомдық модельдеудің өзіндік жоғары ажыратымдылығы мен деректердің тығыздығы бар. Бірақ, модельдің дұрыстығына қатысты белгісіздіктер және жүйелердің макроскопиялық қасиеттерін қайта жаңғыртуға жеткілікті көлемде және уақыт аралығында модельдеудің жоғары есептеулік қиындығы сияқты маңызды кемшіліктері де бар. Атомдық модельдеу микросекундтық уақытқа жақын немесе оған дейін жете алады, бірақ бұл көрсеткіш әлі де жамауды бекіту сияқты тәжірибелік әдістердің ажыратымдылығынан бірнеше есе төмен.

Клиникалық электрофизиология

Клиникалық электрофизиология – электрофизиологиялық принциптер мен технологияларды адам денсаулығына қалай қолдануға болатынын зерттейтін ғылым. Мысалы, клиникалық жүрек электрофизиологиясы жүрек ырғағы мен қызметін анықтайтын электрлік қасиеттерді зерттейді. Жүрек электрофизиологиясы аритмия (жүрек соғудың бұзылуы) сияқты ауруларды бақылау және емдеу үшін қолданылуы мүмкін. Мысалы, дәрігер жүрек бұлшық етінің электрлік қызметін тіркеу үшін электродтары бар катетерді жүрекке енгізе алады. Клиникалық электрофизиологияның тағы бір мысалы – клиникалық нейрофизиология. Бұл медициналық мамандық бойынша дәрігерлер мидың, жұлынның және жүйкелердің электрлік қасиеттерін өлшейді. Дюшен де Булонь (1806–1875) және Натаниэль А. Бухвальд (1924–2006) сияқты ғалымдар нейрофизиология саласын үлкенінен дамытқан, оның клиникалық қолданысын мүмкін еткен деп есептеледі.

Клиникалық есеп беру бойынша нұсқаулар

Клиникалық зерттеудің нақты бір мақсатына немесе мақсаттарына жету үшін қажетті ең төменгі көлемдегі метадеректер (ақпарат) және деректерді минималды ақпарат (МА) стандарттары немесе есеп беру нұсқаулары анықтайды. "Нейроғылымдық зерттеу туралы минималды ақпарат" (MINI) есеп беру нұсқаулықтарының отбасы электрофизиологиялық экспериментті есептеу үшін біркелкі нұсқаулар жиынтығын ұсынуға бағытталған. Іс жүзінде MINI модулі деректер жиынтығы жариялану үшін сипатталғанда (мысалы, қолданылған протоколдар туралы) берілуі тиіс ақпараттың тізімін қамтиды.