Введение

Изучение электрических свойств биологических клеток и тканей. Электрофизиология (от греческого ἥλεκτ, ēlektron, "янтарь" [см. этимологию слова "электрон"]; φύσις, physis, "природа, происхождение"; и λογία, logia) – это раздел физиологии, изучающий электрические свойства биологических клеток и тканей. Она включает в себя измерения изменений напряжения или электрического тока, а также манипуляции на самых разных уровнях – от отдельных ионных каналов до целых органов, таких как сердце. В нейробиологии она охватывает измерения электрической активности нейронов, в частности, потенциалов действия. Крупномасштабные записи электрических сигналов от нервной системы, такие как электроэнцефалография, также могут относиться к электрофизиологическим записям. Они полезны для электродиагностики и мониторинга.

Оптические электрофизиологические методы

Оптические электрофизиологические методы были разработаны учеными и инженерами для преодоления одного из главных ограничений классических методов. Классические методы позволяют наблюдать электрическую активность приблизительно в одной точке в объеме ткани. Классические методы локализуют распределенное явление. Интерес к пространственному распределению биоэлектрической активности стимулировал разработку молекул, способных излучать свет в ответ на изменения их электрической или химической среды. Примерами служат красители, чувствительные к напряжению, и флуоресцентные белки. После введения одного или нескольких таких соединений в ткань посредством перфузии, инъекции или генной экспрессии, можно наблюдать и регистрировать распределение электрической активности в одном или двух измерениях.

Внутриклеточная запись

Внутриклеточная запись включает измерение напряжения и/или тока через мембрану клетки. Для проведения внутриклеточной записи необходимо ввести в клетку кончик тонкого (острого) микроэлектрода, чтобы измерить мембранный потенциал. Обычно потенциал мембраны здоровой клетки в состоянии покоя составляет от 60 до 80 мВ, а во время потенциала действия может достигать +40 мВ. В 1963 году Алан Ллойд Ходжкин и Эндрю Филдинг Хаксли были удостоены Нобелевской премии по физиологии или медицине за вклад в понимание механизмов, лежащих в основе генерации потенциалов действия в нейронах. Их эксперименты включали внутриклеточные записи с гигантского аксона атлантического кальмара (Loligo pealei) и были одними из первых применений техники "зажима напряжения". Сегодня большинство микроэлектродов, используемых для внутриклеточной записи, представляют собой стеклянные микропипеты с диаметром кончика менее 1 микрометра и сопротивлением в несколько мегомов. Микропипеты заполняются раствором, имеющим схожий ионный состав с внутриклеточной жидкостью клетки. Хлорированный серебряный провод, вставленный в пипету, электрически соединяет электролит с усилителем и схемой обработки сигнала. Напряжение, измеряемое электродом, сравнивается с напряжением эталонного электрода, обычно серебряного провода с хлоридным покрытием, контактирующего с внеклеточной жидкостью вокруг клетки. В целом, чем меньше кончик электрода, тем выше его электрическое сопротивление, поэтому при выборе электрода необходимо учитывать компромисс между размером (достаточно малым для проникновения в одну клетку с минимальным повреждением) и сопротивлением (достаточно низким, чтобы малые нейронные сигналы можно было различить от теплового шума в кончике электрода). Поддержание жизнеспособности срезов мозга имеет решающее значение для успешных электрофизиологических записей. Подготовка этих срезов обычно осуществляется с использованием таких инструментов, как вибратом Compresstome, обеспечивающих оптимальные условия для точных и надежных измерений.

Клемма напряжения

Техника фиксации напряжения позволяет экспериментатору "зажимать" потенциал клетки на выбранном значении. Это позволяет измерить величину ионного тока, проходящего через мембрану клетки при заданном напряжении. Это важно, поскольку многие ионные каналы в мембране нейрона являются воротными по напряжению, то есть открываются только при достижении мембраной определенного потенциала. Измерения тока при фиксации напряжения становятся возможными благодаря почти одновременному цифровому вычитанию преходящих емкостных токов, возникающих при зарядке записывающего электрода и клеточной мембраны для изменения потенциала клетки.

Токовой зажим

Техника фиксации тока регистрирует потенциал мембраны путем введения тока в клетку через записывающий электрод. В отличие от режима удержания напряжения, где потенциал мембраны поддерживается на уровне, заданном экспериментатором, в режиме "фиксации тока" потенциал мембраны может свободно изменяться, и усилитель регистрирует любое напряжение, которое клетка генерирует самостоятельно или в результате стимуляции. Этот метод используется для изучения того, как клетка реагирует на введение электрического тока; это важно, например, для понимания того, как нейроны реагируют на нейротрансмиттеры, действующие путем открытия мембранных ионных каналов. Большинство усилителей для фиксации тока обеспечивают незначительное или вообще не обеспечивают усиление изменений напряжения, зарегистрированных из клетки. "Усилитель" фактически является электромером, иногда называемым "усилителем с коэффициентом усиления, равным единице"; его основная цель – уменьшить электрическую нагрузку на слабые сигналы (в диапазоне мВ), генерируемые клетками, чтобы их можно было точно зарегистрировать электроникой с низким импедансом. Усилитель увеличивает ток, лежащий в основе сигнала, одновременно уменьшая сопротивление, через которое этот ток проходит. Рассмотрим следующий пример, основанный на законе Ома: напряжение 10 мВ генерируется при прохождении тока 10 наноампер через сопротивление 1 МОм. Электрометр преобразует этот "сигнал с высоким импедансом" в "сигнал с низким импедансом", используя схему повторителя напряжения. Повторитель напряжения считывает напряжение на входе (возникающее из-за небольшого тока, протекающего через большое сопротивление). Затем он управляет параллельной цепью, за которой стоит мощный источник тока (электросеть), и регулирует сопротивление этой параллельной цепи, чтобы получить то же выходное напряжение, но при меньшем сопротивлении.

Запись с помощью зажима

Эта техника была разработана Эрвином Неером и Бертом Сакманом, удостоенными Нобелевской премии в 1991 году. Традиционная внутриклеточная регистрация предполагает прокалывание клетки тонким электродом; патч-кламп запись использует иной подход. Микроэлектрод для патч-клампа – это микропипетка с относительно большим диаметром наконечника. Микроэлектрод помещают вблизи клетки, и с помощью аккуратного всасывания через микроэлектрод оттягивают участок клеточной мембраны («пластырь») в наконечник микроэлектрода; стеклянный наконечник формирует высокоомное «уплотнение» с клеточной мембраной. Эта конфигурация называется режимом «клетка прикреплена», и ее можно использовать для изучения активности ионных каналов, присутствующих в участке мембраны. При увеличении всасывания небольшой участок мембраны в наконечнике электрода может быть оторван, оставляя электрод герметично прикрепленным к остальной части клетки. Этот режим «целой клетки» обеспечивает очень стабильную внутриклеточную регистрацию. Недостатком (по сравнению с традиционной внутриклеточной регистрацией острыми электродами) является то, что внутриклеточная жидкость клетки смешивается с раствором внутри записывающего электрода, что может приводить к разбавлению важных компонентов внутриклеточной жидкости. Вариант этой техники, метод «перфорированного пластыря», направлен на минимизацию этих проблем. Вместо того чтобы использовать всасывание для отрыва мембранного пластыря от наконечника электрода, можно также создавать небольшие отверстия в пластыре с помощью агентов, формирующих поры, чтобы крупные молекулы, такие как белки, оставались внутри клетки, а ионы могли свободно проходить через эти отверстия. Также пластырь мембраны можно отделить от остальной части клетки. Такой подход позволяет проводить фармакологический анализ мембранных свойств пластыря. Патч-кламп также можно комбинировать с секвенированием РНК в технике, известной как patch-seq, путем извлечения клеточного содержимого после регистрации для характеристики взаимосвязи электрофизиологических свойств с экспрессией генов и типом клетки.

Запись резких электродов

В ситуациях, когда необходимо зарегистрировать потенциал внутри клеточной мембраны с минимальным влиянием на ионный состав внутриклеточной жидкости, можно использовать острый электрод. Эти микропипетки (электроды) аналогичны используемым для патч-клэмпа, вытянутым из стеклянных капилляров, но имеют значительно меньшее отверстие, что обеспечивает минимальный ионный обмен между внутриклеточной жидкостью и электролитом в пипетке. Электрическое сопротивление микропипетки снижается за счет заполнения её 2-4M KCl, а не солевым раствором, имитирующим внутриклеточные ионные концентрации, как это делается при патч-клэмп. Часто кончик электрода заполняют различными красителями, например, Люциферовым жёлтым, для последующего заполнения исследуемых клеток и подтверждения их морфологии под микроскопом. Красители вводят, подавая на электроды постоянное или импульсное положительное или отрицательное напряжение, в зависимости от полярности красителя.

Запись на одну единицу

Электрод, введенный в мозг живого животного, будет регистрировать электрическую активность, генерируемую нейронами, расположенными вблизи кончика электрода. Если электрод является микроэлектродом с размером кончика около 1 микрометра, он обычно регистрирует активность не более одного нейрона. Запись, выполненная таким образом, обычно называется записью с "одной единицы". Зарегистрированные потенциалы действия очень похожи на потенциалы действия, регистрируемые внутриклеточно, но сигналы значительно слабее (обычно около 1 мВ). Большинство записей активности отдельных нейронов у анестезированных и находящихся в сознании животных проводятся именно таким образом. Записи с отдельных нейронов у живых животных дали важные сведения о том, как мозг обрабатывает информацию. Например, Дэвид Хьюбел и Торстен Визель зарегистрировали активность отдельных нейронов в первичной зрительной коре анестезированной кошки и показали, как отдельные нейроны в этой области реагируют на очень специфические характеристики зрительного стимула. В 1981 году Хьюбел и Визель были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине. Для подготовки мозга к введению электродов часто используются прецизионные режущие устройства, такие как компресстомовый вибратом, вибратом Leica и микротом. Эти инструменты помогают получить точные, тонкие срезы мозга, необходимые для размещения электродов, позволяя нейробиологам нацеливаться на конкретные области мозга для проведения записи.

Многоунитарная запись

Если кончик электрода немного больше, то электрод может регистрировать активность, генерируемую несколькими нейронами. Этот тип регистрации часто называют "многозвёздчатой регистрацией", и его часто используют у сознательных животных для регистрации изменений активности в определенной области мозга во время обычной деятельности. Записи с одного или нескольких близко расположенных электродов могут быть использованы для определения количества клеток вокруг электрода, а также для установления, от какой клетки происходит каждый спайк. Этот процесс называется сортировкой спайков и подходит для областей, где существуют идентифицируемые типы клеток с чётко выраженными характеристиками спайков. Если кончик электрода ещё больше, то, как правило, активность отдельных нейронов нельзя различить, но электрод всё равно сможет регистрировать полевой потенциал, генерируемый активностью множества клеток.

Полевые потенциалы

Экстраклеточные полевые потенциалы – это локальные стоки или источники тока, генерируемые коллективной активностью множества клеток. Как правило, полевой потенциал возникает при одновременной активации множества нейронов посредством синаптической передачи. На диаграмме справа представлены синаптические полевые потенциалы гиппокампа. В правой части нижняя трасса показывает отрицательную волну, соответствующую стоку тока, вызванному поступлением положительных зарядов в клетки через постсинаптические глутаматные рецепторы, а верхняя трасса – положительную волну, генерируемую током, выходящим из клетки (в теле клетки) для замыкания цепи. Дополнительную информацию можно найти в статье о локальных полевых потенциалах.

Амперметрия

Амперометрия использует углеродный электрод для регистрации изменений в химическом составе окисленных компонентов биологического раствора. Окисление и восстановление достигается путем изменения напряжения на активной поверхности измерительного электрода в процессе, известном как "сканирование". Поскольку определенные химические вещества мозга теряют или приобретают электроны при характерных напряжениях, можно идентифицировать отдельные соединения. Амперометрия применяется для изучения экзоцитоза в нервной и эндокринной системах. Многие моноаминовые нейротрансмиттеры, например, норэпинефрин (норадреналин), дофамин и серотонин (5-HT), подвергаются окислению. Метод также может быть использован с клетками, не секретирующими окисляемые нейротрансмиттеры, путем их "загрузки" 5-HT или дофамином.

на основе твердо-поддерживаемой мембраны (SSM)

При этом электрофизиологическом подходе протеолипосомы, мембранные везикулы или фрагменты мембраны, содержащие интересующий канал или транспортер, адсорбируются на липидный монослой, нанесенный на функционализированный электрод. Этот электрод состоит из стеклянной подложки, хромового слоя, золотого слоя и монослоя октадецилмеркаптана. Поскольку нанесенная мембрана поддерживается электродом, она называется мембраной с твердой поддержкой. Механические воздействия, которые обычно разрушают биологическую липидную мембрану, не влияют на стабильность мембраны с твердой поддержкой. Емкостный электрод (состоящий из мембраны с твердой поддержкой и адсорбированных везикул) настолько механически стабилен, что позволяет быстро заменять растворы на его поверхности. Это свойство позволяет использовать быстрые изменения концентрации субстрата/лиганда для изучения электрогенной активности интересующего белка, измеряемой посредством емкостной связи между везикулами и электродом.

Вычислительная электрофизиология

Хотя это и не является строго экспериментальным измерением, были разработаны методы изучения проводящих свойств белков и биомембран с помощью компьютерного моделирования. Это в основном моделирование молекулярной динамики, в котором модельная система, например липидный бислой, подвергается внешнему приложенному напряжению. Исследования с использованием таких установок позволили изучить динамические явления, такие как электропорация мембран и транслокация ионов через каналы. Преимущество этих методов заключается в высокой степени детализации механизма проводимости, обеспечиваемой присущим атомистическому моделированию высоким разрешением и плотностью данных. Однако существуют и значительные недостатки, связанные с неопределенностью адекватности модели и высокой вычислительной стоимостью моделирования систем, достаточно больших по размеру и продолжительности, чтобы можно было говорить о воспроизведении макроскопических свойств самих систем. Хотя атомистическое моделирование может охватывать временные масштабы, приближающиеся к микросекундному диапазону, это все равно на несколько порядков величины меньше, чем разрешение даже экспериментальных методов, таких как патч-клэмп.

Клиническая электрофизиология

Клиническая электрофизиология – это изучение возможностей применения электрофизиологических принципов и технологий для поддержания здоровья человека. Например, клиническая электрофизиология сердца изучает электрические свойства, определяющие сердечный ритм и активность. Электрофизиология сердца может использоваться для диагностики и лечения таких заболеваний, как аритмия (нарушение сердечного ритма). Например, врач может ввести в сердце катетер с электродом для регистрации электрической активности сердечной мышцы. Другим примером клинической электрофизиологии является клиническая нейрофизиология. В этой медицинской специальности врачи измеряют электрические свойства мозга, спинного мозга и нервов. Ученые, такие как Дюшен де Булонь (1806–1875) и Натаниэль А. Бухвальд (1924–2006), внесли значительный вклад в развитие нейрофизиологии, что позволило расширить ее клиническое применение.

Руководство по клинической отчетности

Стандарты минимальной информации (МИ) или руководства по отчетности определяют минимальный объем метаданных (информации) и данных, необходимых для достижения конкретной или нескольких целей в клиническом исследовании. Семейство документов с рекомендациями по отчетности "Минимальная информация о нейронаучном исследовании" (MINI) призвано обеспечить согласованный набор руководств для описания электрофизиологического эксперимента. На практике модуль MINI представляет собой контрольный список информации, которую следует предоставить (например, об используемых протоколах) при описании набора данных для публикации.