Electrophysiology (von Griechisch, ēlektron, sieht "Bernstein" [die Etymologie "des Elektrons"]; physis, "Natur, Ursprung"; und,-logia) ist die Studie der elektrischen Eigenschaften von biologischen Zellen und Geweben. Es schließt Maße der Stromspannungsänderung oder des elektrischen Stroms auf einem großen Angebot an Skalen von einzelnen Ion-Kanalproteinen bis ganze Organe wie das Herz ein. In neuroscience schließt es Maße der elektrischen Tätigkeit von Neuronen und besonders Handlungspotenzial-Tätigkeit ein. Aufnahmen von groß angelegten elektrischen Signalen vom Nervensystem wie electroencephalography, kann auch electrophysiological Aufnahmen genannt werden.

Definition und Spielraum

Klassische electrophysiological Techniken

Electrophysiology ist die Wissenschaft und der Zweig der Physiologie, die dem Fluss von Ionen in biologischen Geweben und, insbesondere zu den elektrischen Aufnahme-Techniken gehört, die das Maß dieses Flusses ermöglichen. Klassische electrophysiology Techniken sind mit Stellen-Elektroden in verschiedene Vorbereitungen des biologischen Gewebes verbunden. Die Haupttypen von Elektroden sind: 1) haben sich einfache feste Leiter, wie Scheiben und Nadeln (Singlen oder Reihe, die häufig abgesehen vom Tipp isoliert ist), 2) Nachforschungen auf gedruckten Leiterplatten auch die abgesehen vom Tipp, und 3) hohle Tuben isoliert sind, mit einem Elektrolyt wie Glaspipetten gefüllt, die mit der Kaliumchlorid-Lösung oder einer anderen Elektrolyt-Lösung gefüllt sind. Die Hauptvorbereitungen schließen 1) lebende Organismen, 2) herausgeschnittenes Gewebe (akut oder kultiviert), 3) abgesonderte Zellen vom herausgeschnittenen Gewebe (akut oder kultiviert), 4) künstlich angebaute Zellen oder Gewebe, oder 5) Hybriden des obengenannten ein.

Wenn eine Elektrode (Mikrometer) im Durchmesser klein genug ist, dann kann der Electro-Physiologe beschließen, den Tipp in eine einzelne Zelle einzufügen. Solch eine Konfiguration erlaubt direkte Beobachtung und Aufnahme der intrazellulären elektrischen Tätigkeit einer einzelnen Zelle. Jedoch zur gleichen Zeit reduziert solche angreifende Einstellung das Leben der Zelle und verursacht eine Leckstelle von Substanzen über die Zellmembran. Intrazelluläre Tätigkeit kann auch mit einer besonders gebildeten (hohlen) Glaspipette beobachtet werden, die einen Elektrolyt enthält. In dieser Technik wird der mikroskopische Pipette-Tipp gegen die Zellmembran gedrückt, an der es dicht durch eine Wechselwirkung zwischen Glas und lipids der Zellmembran klebt. Der Elektrolyt innerhalb der Pipette kann in die flüssige Kontinuität mit dem Zytoplasma durch das Liefern eines Pulses des Drucks zum Elektrolyt gebracht werden, um den kleinen Fleck der Membran zu brechen, die durch den Pipette-Rand (Aufnahme der ganzen Zelle) umgeben ist. Wechselweise kann ionische Kontinuität durch "das Durchlöchern" des Flecks gegründet werden, indem sie exogenous porenbildendem Reagenz innerhalb des Elektrolyts erlaubt wird, sich in den Membranenfleck (perforierte Fleck-Aufnahme) einzufügen. Schließlich kann der Fleck intakt (Fleck-Aufnahme) verlassen werden.

Der electrophysiologist kann beschließen, den Tipp in eine einzelne Zelle nicht einzufügen. Statt dessen kann der Elektrode-Tipp in der Kontinuität mit dem extracellular Raum verlassen werden. Wenn der Tipp klein genug ist, kann solch eine Konfiguration indirekte Beobachtung und Aufnahme von Handlungspotenzialen von einer einzelnen Zelle erlauben, und ist genannte Aufnahme der einzelnen Einheit. Abhängig von der Vorbereitung und dem genauen Stellen kann eine extracellular Konfiguration die Tätigkeit von mehreren nahe gelegenen Zellen gleichzeitig aufnehmen, und das ist genannte Mehreinheitsaufnahme.

Weil Elektrode-Größe, die Auflösungsmacht-Abnahmen zunimmt. Größere Elektroden sind nur zur Nettotätigkeit von vielen Zellen empfindlich, hat lokale Feldpotenziale genannt. Noch sind größere Elektroden, wie nicht isolierte Nadeln und durch klinischen und chirurgischen neurophysiologists verwendete Oberflächenelektroden, nur zu bestimmten Typen der gleichzeitigen Tätigkeit innerhalb von Bevölkerungen von in den Millionen numerierenden Zellen empfindlich.

Andere klassische electrophysiological Techniken schließen einzelne Kanalaufnahme und amperometry ein.

Optische electrophysiological Techniken

Optische electrophysiological Techniken wurden von Wissenschaftlern und Ingenieuren geschaffen, um eine der Hauptbeschränkungen von klassischen Techniken zu überwinden. Klassische Techniken erlauben Beobachtung der elektrischen Tätigkeit an ungefähr einem einzelnen Punkt innerhalb eines Volumens des Gewebes. Im Wesentlichen, klassische Techniken singularize ein verteiltes Phänomen. Das Interesse am Raumvertrieb der bioelectric Tätigkeit hat Entwicklung von Molekülen veranlasst, die dazu fähig sind, Licht als Antwort auf ihre elektrische oder chemische Umgebung auszustrahlen. Beispiele sind Stromspannung empfindliche Färbemittel und fluorescing Proteine.

Nach dem Einführen von demjenigen oder mehr solchen Zusammensetzungen ins Gewebe über perfusion können Einspritzung oder Genausdruck, 1 oder 2-dimensionaler Vertrieb der elektrischen Tätigkeit beobachtet und registriert werden.

Viele besondere electrophysiological Lesungen haben besondere Namen:

• Elektrokardiographie - für das Herz
• Electroencephalography - für das Gehirn
• Electrocorticography - vom Kortex
• Electromyography - für die Muskeln
• Electrooculography - für die Augen
• Electroretinography - für die Netzhaut
• Electroantennography - für die Geruchsempfänger in arthropods
• Audiology - für das Gehörsystem

Intrazelluläre Aufnahme

Intrazelluläre Aufnahme ist mit Messstromspannung und/oder Strom über die Membran einer Zelle verbunden. Um eine intrazelluläre Aufnahme zu machen, muss der Tipp einer feinen (scharfen) Mikroelektrode innerhalb der Zelle eingefügt werden, so dass das Membranenpotenzial gemessen werden kann. Gewöhnlich wird das sich ausruhende Membranenpotenzial einer gesunden Zelle-60 zu-80 mV sein, und während eines Handlungspotenzials könnte das Membranenpotenzial +40 mV erreichen.

1963 haben Alan Lloyd Hodgkin und Andrew Fielding Huxley den Nobelpreis in der Physiologie oder Medizin für ihren Beitrag zum Verstehen der Mechanismen gewonnen, die der Generation von Handlungspotenzialen in Neuronen unterliegen. Ihre Experimente sind mit intrazellulären Aufnahmen vom Riesen axon des Atlantischen Tintenfischs (Loligo pealei) verbunden gewesen, und waren unter den ersten Anwendungen der "Stromspannung Klammer" Technik.

Heute sind die meisten für die intrazelluläre Aufnahme verwendeten Mikroelektroden Glasmikropipetten, mit einem Tipp-Diameter der Herkömmlichen intrazellulären Aufnahme schließt das Aufspießen einer Zelle mit einer feinen Elektrode ein; Aufnahme der Fleck-Klammer nimmt eine verschiedene Annäherung. Eine Mikroelektrode der Fleck-Klammer ist eine Mikropipette mit einem relativ großen Tipp-Diameter. Die Mikroelektrode wird neben einer Zelle gelegt, und sanftes Ansaugen wird durch die Mikroelektrode angewandt, um ein Stück der Zellmembran (der 'Fleck') in den Mikroelektrode-Tipp zu ziehen; der Glastipp bildet einen hohen Widerstand 'Siegel' mit der Zellmembran. Diese Konfiguration ist die "zellbeigefügte" Weise, und es kann verwendet werden, für die Tätigkeit der Ion-Kanäle zu studieren, die im Fleck der Membran da sind.

Wenn mehr Ansaugen jetzt angewandt wird, kann der kleine Fleck der Membran im Elektrode-Tipp versetzt werden, die zum Rest der Zelle gesiegelte Elektrode verlassend. Diese Weise "der ganzen Zelle" erlaubt sehr stabile intrazelluläre Aufnahme. Ein Nachteil (im Vergleich zur herkömmlichen intrazellulären Aufnahme mit scharfen Elektroden) ist, dass die intrazelluläre Flüssigkeit der Zellmischungen mit der Lösung innerhalb der Aufnahme-Elektrode, und so einige wichtige Bestandteile der intrazellulären Flüssigkeit verdünnt werden kann. Eine Variante dieser Technik, der "perforierte Fleck" Technik, versucht, diese Probleme zu minimieren.

Anstatt Ansaugen anzuwenden, um den Membranenfleck vom Elektrode-Tipp zu versetzen, ist es auch möglich, kleine Löcher auf dem Fleck mit porenbildenden Agenten zu machen, so dass große Moleküle wie Proteine innerhalb der Zelle bleiben können und Ionen die Löcher frei durchführen können. Auch der Fleck der Membran kann vom Rest der Zelle weggezogen werden. Diese Annäherung ermöglicht den Membraneneigenschaften des Flecks, pharmakologisch analysiert zu werden.

Scharfe Elektrode-Technik

In Situationen, wo man das Potenzial innerhalb der Zellmembran mit der minimalen Wirkung auf die ionische Verfassung der intrazellulären Flüssigkeit registrieren will, kann eine scharfe Elektrode verwendet werden. Diese Mikropipetten (Elektroden) sind wieder denjenigen für die von Glashaargefäßen gezogene Fleck-Klammer ähnlich, aber die Pore ist viel kleiner, so dass es sehr wenig Ion-Austausch zwischen der intrazellulären Flüssigkeit und dem Elektrolyt in der Pipette gibt. Der Widerstand der Mikropipette-Elektrode ist Zehnen oder Hunderte von MΩ. Häufig wird der Tipp der Elektrode mit verschiedenen Arten von Färbemitteln wie Luzifer gefüllt, der gelb ist, um die Zellen zu füllen, die von für die spätere Bestätigung ihrer Morphologie unter einem Mikroskop registriert sind. Die Färbemittel werden durch die Verwendung eines positiven oder negativen, Gleichstromes eingespritzt oder haben Stromspannung zu den Elektroden abhängig von der Widersprüchlichkeit des Färbemittels pulsiert.

Aufnahme von Extracellular

Aufnahme der einzelnen Einheit

Eine ins Gehirn eines lebenden Tieres eingeführte Elektrode wird elektrische Tätigkeit entdecken, die durch die Neurone neben dem Elektrode-Tipp erzeugt wird. Wenn die Elektrode eine Mikroelektrode mit einer Tipp-Größe von ungefähr 1 Mikrometer ist, wird die Elektrode gewöhnlich die Tätigkeit von höchstens einem Neuron entdecken. Aufnahme wird im Allgemeinen auf diese Weise Aufnahme "der einzelnen Einheit" genannt. Die registrierten Handlungspotenziale sind sehr viel den Handlungspotenzialen ähnlich, die intrazellulär registriert werden, aber die Signale sind sehr viel (normalerweise ungefähr 1 mV) kleiner. Die meisten Aufnahmen der Tätigkeit von einzelnen Neuronen in betäubten und bewussten Tieren werden auf diese Weise gemacht. Aufnahmen von einzelnen Neuronen in lebenden Tieren haben wichtige Einblicke darin gewährt, wie das Gehirn Information bearbeitet. Zum Beispiel haben David Hubel und Torsten Wiesel die Tätigkeit von einzelnen Neuronen im primären Sehkortex der betäubten Katze registriert und haben gezeigt, wie einzelne Neurone in diesem Gebiet auf sehr spezifische Eigenschaften eines Sehstimulus antworten. Hubel und Wiesel wurden dem Nobelpreis in der Physiologie oder Medizin 1981 zuerkannt.

Wenn der Elektrode-Tipp ein bisschen größer ist, dann könnte die Elektrode die durch mehrere Neurone erzeugte Tätigkeit registrieren. Dieser Typ der Aufnahme wird häufig "Mehreinheitsaufnahme" genannt, und wird häufig in bewussten Tieren verwendet, um Änderungen in der Tätigkeit in einem getrennten Gehirngebiet während der normalen Tätigkeit zu registrieren. Aufnahmen von einer oder mehr solchen Elektroden, die nah unter Drogeneinfluss sind, können verwendet werden, um die Zahl von Zellen darum zu identifizieren, sowie welche von den Spitzen aus der Zelle kommt. Dieser Prozess wird das Spitze-Sortieren genannt und ist in Gebieten passend, wo es identifizierte Typen von Zellen mit gut definierten Spitze-Eigenschaften gibt.

Wenn der Elektrode-Tipp noch größer ist, im Allgemeinen kann die Tätigkeit von individuellen Neuronen nicht bemerkenswert sein, aber die Elektrode wird noch im Stande sein, ein durch die Tätigkeit von vielen Zellen erzeugtes Feldpotenzial zu registrieren.

Feldpotenziale

Feldpotenziale von Extracellular sind lokales aktuelles Becken oder Quellen, die durch die gesammelte Tätigkeit von vielen Zellen erzeugt werden. Gewöhnlich wird ein Feldpotenzial durch die gleichzeitige Aktivierung von vielen Neuronen durch die synaptic Übertragung erzeugt. Das Diagramm zum Recht zeigt hippocampal synaptic Feldpotenziale. Am Recht zeigt die niedrigere Spur eine negative Welle, die einem aktuellen Becken entspricht, das durch positive Anklagen verursacht ist, die in Zellen durch postsynaptic glutamate Empfänger eingehen, während die obere Spur eine positive Welle zeigt, die durch den Strom erzeugt wird, der die Zelle (am Zellkörper) verlässt, um den Stromkreis zu vollenden. Für mehr Information, sieh lokales Feldpotenzial.

Amperometry

Amperometry verwendet eine Kohlenstoff-Elektrode, um Änderungen in der chemischen Zusammensetzung der oxidierten Bestandteile einer biologischen Lösung zu registrieren. Oxydation und die Verminderung werden durch das Ändern der Stromspannung an der aktiven Oberfläche der Aufnahme-Elektrode in einem als "Abtastung" bekannten Prozess vollbracht. Weil bestimmte Gehirnchemikalien verlieren oder Elektronen an charakteristischen Stromspannungen gewinnen, können individuelle Arten identifiziert werden. Amperometry ist verwendet worden, um exocytosis in den endokrinen und Nervensystemen zu studieren. Viele Monoamin neurotransmitters; z.B sind norepinephrine (noradrenalin), dopamine, und (5-HT) serotonin oxidizable. Die Methode kann auch mit Zellen verwendet werden, die oxidizable neurotransmitters durch "das Laden" von ihnen mit dem 5-HT oder dopamine nicht verbergen.

Planare Fleck-Klammer

Planare Fleck-Klammer ist eine neuartige Methode, die für den hohen Durchfluss electrophysiology entwickelt ist.

Anstatt eine Pipette auf einer anklebenden Zelle einzustellen, ist Zellsuspendierung pipetted auf einem Span, der eine mikrostrukturierte Öffnung enthält.

Eine einzelne Zelle wird dann auf dem Loch durch das Ansaugen eingestellt, und eine dichte Verbindung (Gigaseal) wird gebildet.

Die planare Geometrie bietet eine Vielfalt von Vorteilen im Vergleich zum klassischen Experiment an:

- es berücksichtigt Integration der Mikroströmungslehre, die automatische zusammengesetzte Anwendung für die Ion-Kanalabschirmung ermöglicht.

- das System ist für optische oder scannende Untersuchungstechniken zugänglich

- perfusion der intrazellulären Seite kann durchgeführt werden.

Andere Methoden

Fest unterstützte Membran (SSM) gestützt

Mit dieser Electrophysiological-Annäherung werden proteoliposomes, Membran vesicles oder Membranenbruchstücke, die den Kanal oder die Transportvorrichtung von Interesse enthalten, zu einer lipid über eine functionalized Elektrode gemalten Monoschicht adsorbiert. Diese Elektrode besteht aus einer Glasunterstützung, einer Chrom-Schicht, einer Goldschicht und einem octadecyl mercaptane Monoschicht. Weil die gemalte Membran durch die Elektrode unterstützt wird, wird es eine fest unterstützte Membran genannt. Es ist wichtig zu bemerken, dass mechanische Unruhen, die gewöhnlich eine biologische lipid Membran zerstören, die Lebenszeit eines SSM nicht beeinflussen. Die kapazitive Elektrode (zusammengesetzt aus dem SSM und dem absorbierten vesicles) ist so mechanisch stabil, dass Lösungen an seiner Oberfläche schnell ausgetauscht werden können. Dieses Eigentum erlaubt der Anwendung schneller substrate/ligand Konzentrationssprünge, die electrogenic Tätigkeit des Proteins von Interesse, gemessen über die kapazitive Kopplung zwischen dem vesicles und der Elektrode zu untersuchen.

Anerkennungsfeinprobe von Bioelectric (BERA)

Die bioelectric Anerkennungsfeinprobe (BERA) ist eine neuartige Methode für den Entschluss von verschiedenen chemischen und biologischen Molekülen durch das Messen von Änderungen im Membranenpotenzial von in einer Gel-Matrix unbeweglich gemachten Zellen. Abgesondert von der vergrößerten Stabilität der Schnittstelle der Elektrode-Zelle bewahrt Immobilisierung die Lebensfähigkeit und physiologischen Funktionen der Zellen. BERA wird in erster Linie in biosensor Anwendungen verwendet, um analytes zu prüfen, der mit den unbeweglich gemachten Zellen durch das Ändern des Zellmembranenpotenzials aufeinander wirken kann. Auf diese Weise, wenn eine positive Probe zum Sensor hinzugefügt wird, kommt eine charakteristische, 'einer Unterschrift ähnliche' Änderung im elektrischen Potenzial vor. BERA ist für die Entdeckung für menschliche Viren (Leberentzündung B und C Viren, Herpes-Viren) und Tierkrankheitsagenten (Fuß und Mund-Krankheitsvirus, prions, blaues Zunge-Virus) und Werke (Tabak und Gurke-Viren) in einem hoch spezifischen, schnellem (1-2 Minuten), reproduzierbare und kostengünstige Mode verwendet worden. Die Methode ist auch für die Entdeckung von Umwelttoxinen, wie Herbizide und der Entschluss von sehr niedrigen Konzentrationen des Superoxydanions in klinischen Proben verwendet worden.

Ein neuer Fortschritt in der Evolution der BERA Technologie ist die Entwicklung der genannten molekularen Identifizierung einer Technik durch die Membranentechnik (PANTOMIME). Diese Technik berücksichtigt Gebäude von Zellen mit der absolut definierten Genauigkeit für eigentlich jedes Molekül von Interesse, durch das Einbetten des Tausends von künstlichen Empfängern in die Zellmembran.

Das Melden von Richtlinien für Electrophysiology-Experimente

Standards von Minimum Information (MI) oder das Melden von Richtlinien geben den minimalen Betrag von meta Daten (Information) und Daten an, die erforderlich sind, spezifische Ziele oder Ziele zu entsprechen. Gewöhnlich ist das Ziel, genug meta Daten und Daten zur Verfügung zu stellen, um die eindeutige Fortpflanzung und Interpretation eines Experimentes zu ermöglichen. MI Richtlinien sind normalerweise informelle menschliche lesbare Spezifizierungen, die die Entwicklung von formellen Datenmodellen informieren (z.B. XML oder UML), Datenaustausch-Formate (z.B. FuGE, MAGE-ML, MAGE-ETIKETT) oder Kenntnisse-Modelle wie eine Ontologie (z.B. OBI, MGED-Ontologie).

Die Minimale Information über eine Untersuchung von Neuroscience, die die (MINI)-Familie des Meldens von Richtlinie-Dokumenten, die durch die Gemeinschaftsberatung erzeugt sind und ständig für die öffentliche Anmerkung verfügbar sind, zum Ziel hat, einer konsistenten Menge von Richtlinien zur Verfügung zu stellen, um ein Electrophysiology-Experiment zu melden. Ein MINI-Modul vertritt die minimale Information, die, wie man berichten sollte, über einen dataset rechenbetonten Zugang und Analyse erleichtert, um einem Leser zu erlauben, die Prozesse durchgeführt und die Schlüsse gelangen zu interpretieren und kritisch zu bewerten, und ihre experimentelle Bestätigung zu unterstützen. In der Praxis umfasst ein MINI-Modul eine Checkliste der Information, die (zum Beispiel über die Protokolle verwendet) whena zur Verfügung gestellt werden sollte, wird Datei für die Veröffentlichung beschrieben. Die volle Spezifizierung des MINI-Moduls kann hier gefunden werden.

Siehe auch

• Herzelectrophysiology
• Klinischer Herzelectrophysiology
• Klinischer electrophysiology
• Nathaniel A. Buchwald (1924-2006)
• Duchenne de Boulogne (1806-1875)
• Transcutaneous elektrische Nervenanregung
• Electrophysiology studieren
• Mehrerklettern Sie Electrophysiology-Format
• Scheibe-Vorbereitung

Links

• Buchkapitel über die Planare Fleck-Klammer
• Gerät-Beschreibung
• EP Laboratorium-Auswahl - Handelsveröffentlichung für EP Fachleuten
• European Heart Rhythm Association (EHRA)