電生理學(xué)基本知識與技術(shù)

電生理學(xué)基本知識與技術(shù)第一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日生物膜的電學(xué)特性生物膜的等效電路膜時間常數(shù)跨膜離子電流與膜電位變化刺激電流與膜電位變化刺激強度與膜電位變化第二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日

生物膜的等效電路生物膜的電學(xué)特性—[生物膜的等效電路]生物膜的結(jié)構(gòu)與跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)可興奮細胞的跨膜電位差與離子的選擇性通透性跨膜電位差的物理學(xué)描述—電阻抗（R）或膜電阻（Rm)

膜可貯存電荷的物理學(xué)描述—電容器（C）或膜電容（Cm）

Rm與Cm的并聯(lián)關(guān)系即膜的等效電路第三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日生物膜的電學(xué)特性—[生物膜的等效電路]第四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日膜時間常數(shù)生物膜的電學(xué)特性—[膜時間常數(shù)]刺激與興奮矩形脈沖刺激電流引起的膜電位變化a：純電阻元件的膜電位變化與脈沖電流變化同步b：純電容元件的膜電位變化減慢，但保持其起始斜率c：含阻容元件的膜電位呈指數(shù)變化：

Vm=I/Cm第五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日生物膜的電學(xué)特性—[膜時間常數(shù)]

Vm=I/Cm的原理1.Cm可減慢電流引起的膜電位變化，是因此前Cm須經(jīng)歷充、放電的過程2.膜電位變化快慢最終由時間常數(shù)t決定，即t值越大，Cm充放電流越小、越慢或電容器兩端電壓（uc）達到某一定值所需時間越長3.不同的生物膜，t值大小也不同第六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日生物膜的電學(xué)特性—[膜時間常數(shù)]

進一步的物理學(xué)與生物物理學(xué)描述1.時間常數(shù)是標(biāo)志RC電路放電的基本參數(shù)2.RC電路中，電路的電壓（E）隨時間呈指數(shù)變化：

E=IR（1-et/t）3.由矩形脈沖電流引起的生物膜電位變化：Vm=ImRm(1-et/t)4.公式中e=2.72……為指數(shù)系數(shù)，t=RC為時間常數(shù)5.公式表明，膜電位下降到最初值的1/e所需時間為一個時間常數(shù)，即膜電位變化達最終值的63%所需時間為一個時間常數(shù)第七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日生物膜的電學(xué)特性—[膜時間常數(shù)]

理論意義與實際應(yīng)用

1.生物膜中t的變化很大（神經(jīng)元約1～20ms），但經(jīng)檢測，單位表面積的膜電容卻較恒定、約10-6F/cm22.不同時間常數(shù)反映了不同細胞的Rm的不同，乃至同一神經(jīng)元的各個膜區(qū)域之間的區(qū)別。而Rm的差異又代表膜離子通道類型、密度和調(diào)節(jié)方面的特性。總之，膜時間常數(shù)在決定神經(jīng)元高度復(fù)雜的內(nèi)在電活動，以及細胞對刺激的反應(yīng)方面都起著重要作用3.

生物機能實驗中，多種因素如標(biāo)本干燥、機械牽拉等不良刺激都可使Rm增加，影響其電活動及其對刺激的反應(yīng)。因而實驗中為保持標(biāo)本機能狀態(tài)的正常及實驗結(jié)果的真實可靠，應(yīng)盡量避免不良刺激對Rm的影響第八頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日跨膜離子電流與膜電位變化生物膜的電學(xué)特性—[跨膜離子電流與膜電位變化]歐姆定律及其表述1.通過某一導(dǎo)體的電流（I）與導(dǎo)體兩端的電壓（V或E）成正比，與導(dǎo)體的電阻（R）成反比：

I=V/R2.電導(dǎo)是電阻的倒數(shù)（G=I/R），引入電導(dǎo)概念：

I=gV或I=gE3.電導(dǎo)概念可更好地描述離子通道允許電流通過的能力第九頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日生物膜的電學(xué)特性—[跨膜離子電流與膜電位變化]應(yīng)用歐姆定律描述跨膜離子電流與膜電位的關(guān)系1.離子通道是一種特殊的導(dǎo)體，各種離子經(jīng)離子通道的跨膜轉(zhuǎn)運是順化學(xué)梯度的轉(zhuǎn)運，故其產(chǎn)生的電流的大?。↖）既取決于膜電位差（E）及通道的電導(dǎo)（g），也與該離子的平衡電位（Es）有關(guān)：

I=g(E-Es)2.公式表明，離子流過通道的驅(qū)動力是E-Es而非E3.若以膜電位為橫軸，離子通道電流為縱軸作圖，可了解跨膜離子電流(I)與電壓(V)的關(guān)系(Current-Voltagerelationship)，或稱為I-V曲線第十頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日生物膜的電學(xué)特性—[跨膜離子電流與膜電位變化]

1.圖中的斜率即為該通道的電導(dǎo)，若電導(dǎo)為一常數(shù)，I-V關(guān)系便呈線性2.曲線還表明，不僅離子流過通道的驅(qū)動力不是E，而且電流為0的電位是與離子的平衡電位相等的電位而不是0mV處。因電流在此電位改變方向，故又稱反轉(zhuǎn)電位3.根據(jù)反轉(zhuǎn)電位值可以判斷該通道電流是何種離子跨膜流動引起的

Current-Voltagerelationship(I-VCurve)第十一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日生物膜的電學(xué)特性—[跨膜離子電流與膜電位變化]研究I-V關(guān)系的理論意義Ik1電流-電壓曲線

1.研究離子通道的I-V關(guān)系，是了解通道生物物理學(xué)特性和藥物作用機制的基本方法

2.實際上許多通道具有非線性的I-V關(guān)系，尤其可通透離子在膜兩側(cè)的濃度不同或通道的結(jié)構(gòu)不對稱等情況下，該曲線往往會向某個電流方向（如內(nèi)向或外向電流）偏離歐姆定律，即所謂“整流”現(xiàn)象第十二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日生物膜的電學(xué)特性—[跨膜離子電流與膜電位變化]實際應(yīng)用1.在生物膜的等效電路中，因Rm和Rc以并聯(lián)方式存在，膜電流（Im）等于跨膜離子電流（Ii）與電容電流（Ic）之和：

Im=Ii+Ic

2.公式表明，膜的Ii或Ic變化均可改變Im，而Ii反映了跨膜離子通道電阻（Rm）的大小、Ic反映了跨膜電容（Cm)的大小3.由歐姆定律可知，Im的變化必然改變膜電位（Vm），從而Rm和Cm的不同也將影響到Vm4.因此在測量Vm的電生理研究中，必須注意保持生物膜Rm和Cm處于穩(wěn)定狀態(tài)第十三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日刺激電流與膜電位變化生物膜的電學(xué)特性—[刺激電流與膜電位變化]刺激引起興奮的條件1.細胞所處功能狀態(tài)2.有效刺激的三個參數(shù)，即強度、時間和強度-時間變化率3.刺激電流的方向，如外向刺激電流使膜去極化，興奮性升高；內(nèi)向刺激電流使膜超極化，興奮性降低，不能引發(fā)動作電位。因此，在用微電極技術(shù)進行實驗時，應(yīng)將正電極置于細胞內(nèi)，或?qū)⒇撾姌O置于細胞外

第十四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日生物膜的電學(xué)特性—[刺激電流與膜電位變化]外向和內(nèi)向刺激電流引起的膜電位變化外向刺激電流與膜電位變化內(nèi)向刺激電流與膜電位變化第十五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日+

-

r1

r2-+

r1r2生物膜的電學(xué)特性—[刺激電流與膜電位變化]關(guān)于細胞外刺激1.兩個電極與神經(jīng)接觸并通電，正和負電極處會分別發(fā)生超極化和去極化2.應(yīng)用細胞外雙電極刺激法，應(yīng)將正電極置于遠離引導(dǎo)電極一側(cè)、負電極置于靠近引導(dǎo)電極一側(cè)，以避免正電極處超極化引起的阻滯作用（陽極阻滯）第十六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日刺激強度與膜電位變化生物膜的電學(xué)特性—[刺激強度與膜電位變化]刺激引起興奮的原理

1.膜的去極化是電壓門控Na+通道被激活及Na+內(nèi)流的過程，期間常伴隨膜電位與K+平衡電位（EK）的差值增大，以及非門控K+通道的K+外流增加，且去極化越明顯、K+外流越多2.閾下刺激時，被激活的Na+通道數(shù)目少、Na+內(nèi)流引起的膜被動反應(yīng)（部分去極化）可被K+外流對抗，使膜的進一步去極化難以實現(xiàn)。而閾刺激可使被激活的Na+通道數(shù)目及Na+內(nèi)流量皆增加，不被K+外流對抗3.閾刺激所致Na+內(nèi)流及進一步去極化可在二者間形成正反饋，這被稱為再生性去極化或再生性Na+內(nèi)流

第十七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日生物膜的電學(xué)特性—[刺激強度與膜電位變化]動作電位的全或無特性對很強的去極化刺激發(fā)生的主動反應(yīng)（圖示還表明，刺激強度越大，刺激和AP間的延遲越短）

第十八頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日生物膜的電學(xué)特性—[刺激強度與膜電位變化]神經(jīng)干或組織受刺激的表現(xiàn)

1.因不同的細胞興奮性也不同，且手術(shù)操作或離體條件等都將影響到生物膜的特性，從而引起興奮所需的閾強度存在某種差別2.對蟾蜍坐骨神經(jīng)干實施刺激，在最大刺激強度范圍內(nèi)，神經(jīng)纖維興奮的數(shù)目會隨刺激強度的增加而增加；同時，動作電位的疊加還將表現(xiàn)為所記錄動作電位幅度的相應(yīng)增大，這正是不同的細胞分別具有不同的興奮性的表現(xiàn)3.最大刺激強度在于使神經(jīng)干中所有纖維都興奮，此時動作電位的幅度也達最大

第十九頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日生物電信號的特性信號微弱：電壓為mV～μV，電流為nA～pA頻率特性：生物機能信號頻率范圍很大大，故在使用生物電極放大器時應(yīng)選擇適宜的頻帶信號源內(nèi)阻高：包括組織皮膚內(nèi)阻及細胞膜電阻等，可達幾千乃至數(shù)萬歐姆易受其他電信號干擾：①生物電之間的相互干擾②50Hz交流電源對記錄電信號的干擾③電極極化電位的干擾④感應(yīng)電場及空間電磁波的干擾等第二十頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日生物電記錄方法及原理生物信號記錄的框架圖生物電信號拾取生物電信號的放大與記錄誘發(fā)生物電現(xiàn)象產(chǎn)生干擾問題第二十一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日(自發(fā)、誘發(fā))放大器示波器記錄儀生物電記錄方法及原理—[生物信號記錄的框架圖]生物信號記錄的框架圖第二十二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日生物電信號拾取生物電記錄方法及原理—[生物電信號拾取]信號拾取的定義與記錄電極的等效電路第二十三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日生物電記錄方法及原理—[生物電信號拾取]信號拾取的兩個原則1.生物電源是欲記錄的生物電信號，視其為電源是因它的電位降落在三個電阻上2.儀器記錄的信號是極間電阻兩端的電位差(電壓)3.串聯(lián)電路中，電阻兩端電壓的大小與電阻大小成正比。因此，拾取信號的方法與過程應(yīng)遵循兩個原則：

一是力求電極與組織接觸良好即盡量減少接觸電阻，以使信號電壓主要降落在極間電阻兩端，同理兩個電極不能短路、否則極間電阻為0而拾取不到信號；二是制作電極的材料導(dǎo)電性能要好或極間電阻要低，以使信號電壓主要降落在儀器的輸入電阻上，如極間電極由電極電阻與儀器的輸入電阻串聯(lián)而成第二十四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日(自發(fā)、誘發(fā))放大器示波器記錄儀生物電記錄方法及原理—[生物電信號的放大與記錄]生物電信號的放大與記錄生物電信號放大和記錄的有關(guān)方法第二十五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日生物電記錄方法及原理—[生物電信號的放大與記錄]關(guān)于刺激偽跡1.生物電信號的紀(jì)錄常面臨辨認信號真?zhèn)蔚膯栴}2.可記錄到的干擾信號有許多種，其中之一是刺激偽跡3.在電生理學(xué)實驗中，當(dāng)刺激器發(fā)出一個刺激脈沖時，記錄電極將同時拾取到一個雙向、呈尖脈沖的電信號，此即刺激偽跡。刺激偽跡可被用來作為一個時間點。如從刺激偽跡到刺激坐骨神經(jīng)干而記錄到AP，其時間間隔就是刺激電極處所產(chǎn)生AP傳導(dǎo)到記錄電極處所需要的時間4.刺激偽跡一般不會干擾有用信號的紀(jì)錄第二十六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日誘發(fā)生物電現(xiàn)象產(chǎn)生生物電記錄方法及原理—[誘發(fā)生物電現(xiàn)象產(chǎn)生]人工誘發(fā)生物電的常用方法電刺激器的電脈沖及其矩形波特征1.電刺激器既可發(fā)出一個、兩個或多個單獨的脈沖，也可連續(xù)性地或不停地發(fā)出脈沖2.電脈沖多為矩形波，其可提供三個參數(shù)，即電壓大?。ň匦尾ǖ姆龋?、電壓作用時間（矩形波的波寬）、電壓對時間的變化率（矩形波上升的斜率）第二十七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日干擾問題生物電記錄方法及原理—[干擾問題]干擾問題的廣泛性

50赫茲的交流電干擾及其預(yù)防：儀器的噪聲和放大器的信噪比參數(shù)：一般信號電平與噪聲電平比值﹥10才能滿足實驗記錄需要其它第二十八頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日生物信號放大器的性能指標(biāo)及作用通頻道高增益高輸入阻抗高共模抑制比信噪比低漂移第二十九頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日通頻道的定義生物信號放大器的性能指標(biāo)及作用—

[通頻道]通頻道（帶寬）1.

通頻道又稱帶寬，是放大器選擇與直流或交流生物信號相適應(yīng)頻率范圍的技術(shù)指標(biāo)2.生物放大器的通頻帶下限為0、上限最大頻率通常在6kHz以內(nèi)，這基本能滿足機能實驗需要3.根據(jù)所觀察生物信號的頻率特性,選擇相應(yīng)帶寬可通過調(diào)節(jié)放大器的“時間常數(shù)”和“高頻濾波”實現(xiàn)。如在放大器前、后極之間常設(shè)置有低和高頻電路4.時間常數(shù)（又稱高通濾波）和高頻濾波（又稱低通濾波）都是表征RC電路頻率響應(yīng)的參數(shù)，其實質(zhì)都是濾波第三十頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日放大器的時間常數(shù)（高通濾波）生物信號放大器的性能指標(biāo)及作用—

[通頻道]1.時間常數(shù)決定放大器帶寬的下限頻率(f1)即衰減信號中的低頻成份，而讓高頻成份全部通過，意義在于消除信號基線的漂移和低頻噪聲。計算下限的頻率：

f1=1/2RC（=3.14,t=RC）2.公式中每一個時間常數(shù)t對應(yīng)一個f1，低于f1的信號常被衰減70%以上，且頻率越低衰減越厲害3.因濾波器對信號中不同頻率成份的傳遞函數(shù)不同，其應(yīng)用常面臨信號失真的問題。就特定信號而言，濾波器的通頻帶越寬、失真就越小，但噪聲和干擾卻越大第三十一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日放大器的高頻濾波（低通濾波）生物信號放大器的性能指標(biāo)及作用—

[通頻道]ADPMf1f2f(Hz)

1.高頻濾波決定放大器帶寬的上限頻率（f2）即衰減信號中的高頻成份，讓低頻成份全部通過，意義在于消除信號中夾雜的高頻噪聲2.所謂放大器的帶寬即指f1至f2的頻率范圍

第三十二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日具體圖例生物信號放大器的性能指標(biāo)及作用—

[通頻道]沒有進行高通濾波的心電圖調(diào)整了高通濾波的心電圖沒有進行低通濾波的心電圖夾雜較多噪聲（高頻濾波300Hz）進行低通濾波的心電圖夾消除高頻噪聲（高頻濾波100Hz）過度的低通濾波會造成信號發(fā)生畸變（高頻濾波30Hz）第三十三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日具體參數(shù)的設(shè)置生物信號放大器的性能指標(biāo)及作用—

[通頻道]第三十四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日增益和高增益有關(guān)計算公式單純應(yīng)用高增益放大器的局限性（見下節(jié)）生物信號放大器的性能指標(biāo)及作用—

[高增益]高增益

放大器的電壓增益=20Log10Vo/Vi(dcibel,db)Vi為放大器的輸入電壓，Vo為放大器的輸出電壓放大器的電壓增益一般要求達到60～120db，相應(yīng)的電壓放大倍數(shù)=Vo/Vi=103～106倍第三十五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日生物電信號源的高內(nèi)阻性輸入電阻及信號源內(nèi)阻與放大器輸出電壓信號的關(guān)系生物信號放大器的性能指標(biāo)及作用—

[高輸入阻抗]高輸入阻抗1.令放大器的電壓放大倍數(shù)為A：Vo=Vi×AVi=I·Ri=Vs·Ri/(Ri+Rs)2.公式表明，放大器輸出電壓信號的大小與信號源電壓高低和放大器放大倍數(shù)有關(guān)，同時與放大器輸入電阻及信號源內(nèi)阻構(gòu)成的分壓器成正比記錄電壓信號的等效電路第三十六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日理論意義與實際應(yīng)用生物信號放大器的性能指標(biāo)及作用—

[高輸入阻抗]1.根據(jù)Vo=Vi×A及Vi=I·Ri=Vs·Ri/(Ri+Rs),若Rs一定，Ri越大、分壓比則越大或Vo則越高；反之反之，即同樣的放大倍數(shù)和Vs條件下，Vo將降低。因此，單純的高增益放大器不能滿足引導(dǎo)內(nèi)阻高、信號弱的生物電信號的需要，還必須具有較高的輸入阻抗2.一般要求前置放大器的輸入阻抗﹥106（Ω）（1MΩ），微電極放大器輸入阻抗≧10×1013Ω，這樣才便于記錄高內(nèi)阻的生物信號3.正常細胞膜阻抗均為103Ω，只有當(dāng)微電極阻抗足夠大、信號源內(nèi)阻相對足夠小，即輸入阻抗/輸出阻抗比值極大時才能順利檢出微弱的生物信號第三十七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日共模信號與差模信號生物信號放大器的性能指標(biāo)及作用—

[高共模抑制比]高共模抑制比（CMRR）

1.共模信號指差分放大器輸入兩端方向和大小都相同的電壓信號，其特征為差分放大器對信號無放大作用、且多見于外界干擾信號。反之為差模信號如生物電信號，差分放大器對其有很強的放大作用2.差分放大器能同時放大差模信號、抑制共模信號。后者的強弱取決于同級放大器的靜態(tài)和動態(tài)對稱性好壞，且又與接觸電阻、局部組織電阻、放大器輸入電阻和構(gòu)成放大器的元器件的對稱性有關(guān)第三十八頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期日共模抑制比（差分比）生物信號放大器的性能指標(biāo)及作用—

[高共膜抑制比]1.共模抑制比指同一差分放大器的差模信號電壓增益與共模信號電壓增益的比值：

CMRR=Kd/Kc2.生物電放大器一般要求CMRR>104，最好為106；當(dāng)CMRR>105時，該差分放大器可在