电生理学

研究生物电特性的生理学分支细胞和组织。它涉及电压变化或电流的测量，或从单个离子通道蛋白到心脏等整个器官的各种规模的操作。在神经科学，它包括测量神经元的电活动，特别是动作电位活动。来自神经系统的大规模电信号的记录，例如脑电图，也可以称为电生理记录。它们可用于电诊断和监测。

电生理学是生理学的一个分支，广泛涉及生物组织中的离子流动（离子电流），特别是能够测量这种流动的电记录技术。经典的电生理学技术涉及将电极放入各种生物组织制剂中。电极的主要类型有：

1. 简单的实心导体，例如圆盘和针（单个或阵列，除了尖端外通常是绝缘的），
2. 印刷电路板或柔性聚合物上的迹线，除尖端外也绝缘，和
3. 装有电解质的空心管，例如装有氯化钾溶液或其他电解质溶液的玻璃移液管。

主要准备工作包括：

1. 活的有机体（例如昆虫），
2. 切除组织（急性或培养），
3. 从切除组织（急性或培养）中分离的细胞，
4. 人工生长的细胞或组织，或
5. 以上的杂种。

神经元电生理学是研究神经系统内生物细胞和组织的电特性。借助神经元电生理学，医生和专家可以通过观察个体的大脑活动来确定神经元疾病是如何发生的。活动，例如在遇到任何情况下大脑的哪些部分会亮起。如果电极的直径足够小（微米），那么电生理学家可能会选择将尖端插入单个细胞中。这种配置允许直接观察和细胞内记录细胞内单个细胞的电活动。然而，这种侵入性设置会缩短细胞的寿命并导致物质通过细胞膜泄漏。也可以使用含有电解质的特殊成型（中空）玻璃移液管观察细胞内活动。在这种技术中，显微移液器尖端被压在细胞膜上，通过玻璃和细胞膜脂质之间的相互作用，它紧紧地附着在细胞膜上。移液管内的电解质可以通过向移液管传递负压脉冲来与细胞质保持流体连续性，以破坏移液管边缘环绕的小膜片（全细胞记录）。或者，离子连续性可以通过允许电解质内的外源性成孔剂将自身插入膜贴片中来“穿孔”贴片来建立（穿孔贴片记录）。最后，补丁可能会保持原样（补丁录制）。

电生理学家可能选择不将尖端插入单个细胞。相反，电极尖端可以与细胞外空间保持连续。如果尖端足够小，这种配置可能允许间接观察和记录单个细胞的动作电位，称为单单元记录。根据准备和精确放置，细胞外配置可能会同时接收几个附近细胞的活动，称为多单元记录。

随着电极尺寸的增加，分辨率降低。较大的电极只对许多细胞的净活动敏感，称为局部场电位。更大的电极，例如临床和外科神经生理学家使用的非绝缘针和表面电极，仅对数以百万计的细胞群内的某些类型的同步活动敏感。

其他经典的电生理技术包括单通道记录和电流测定法。

通过这种电生理学方法，蛋白质脂质体、膜囊泡或含有感兴趣的通道或转运蛋白的膜片段被吸附到涂在功能化电极上的脂质单层上。该电极由玻璃载体、铬层、金层和十八烷基硫醇单层组成。由于涂漆膜是由电极支撑的，所以称为固体支撑膜。重要的是要注意，通常会破坏生物脂质膜的机械扰动不会影响SSM的寿命。电容式电极（由SSM和吸收的囊泡组成）机械稳定，溶液可以在其表面快速交换。这种特性允许应用快速的底物/配体浓度跳跃来研究感兴趣的蛋白质的电活性，通过囊泡和电极之间的电容耦合测量。

生物电识别分析(BERA)是一种通过测量固定在凝胶基质中的细胞的膜电位变化来确定各种化学和生物分子的新方法。除了增加电极-细胞界面的稳定性外，固定化还保留了细胞的活力和生理功能。BERA主要用于生物传感器应用，以分析可以通过改变细胞膜电位与固定细胞相互作用的分析物。以这种方式，当将阳性样品添加到传感器中时，会发生特征性的“信号样”电势变化。BERA是最近启动的泛欧FOODSCAN项目背后的核心技术，该项目涉及欧洲的农药和食品风险评估。BERA已用于检测人类病毒（乙型和丙型肝炎病毒和疱疹病毒）、兽医疾病病原体（口蹄疫病毒、朊病毒和蓝舌病毒）和植物病毒（烟草和黄瓜病毒）以特定、快速（1-2分钟）、可重复且具有成本效益的方式。该方法还用于检测食品中的农药和霉菌毒素以及2,4,6-三氯苯甲醚等环境毒素在软木和葡萄酒中，以及临床样品中极低浓度的超氧阴离子的测定。

BERA传感器有两个部分：

• 消耗性生物识别元件
• 具有嵌入式人工智能的电子读数装置。

最近的一项进展是开发了一种称为膜工程分子鉴定(MIME)的技术。该技术允许通过将数千个人工受体嵌入细胞膜中来构建对几乎任何感兴趣的分子具有特定特异性的细胞。

虽然不严格构成实验测量，但已经开发了一些方法来检查蛋白质和生物膜在计算机上的导电特性。这些主要是分子动力学模拟，其中像脂质双层这样的模型系统受到外部施加的电压。使用这些装置的研究已经能够研究动态现象，如膜的电穿孔和通道的离子易位。

这种方法的好处是主动传导机制的高细节水平，由原子模拟提供的固有高分辨率和数据密度给出。由于模型合法性的不确定性和建模系统的计算成本足够大并且在足够的时间尺度上被考虑再现系统本身的宏观特性，因此存在显着的缺点。虽然原子模拟可以访问接近或进入微秒域的时间尺度，但这仍然比膜片钳等实验方法的分辨率低几个数量级。

临床电生理学是研究电生理学原理和技术如何应用​​于人类健康的研究。例如，临床心脏电生理学是对控制心律和活动的电特性的研究。心脏电生理学可用于观察和治疗心律失常（心律不齐）等疾病。例如，医生可能会将含有电极的导管插入心脏，以记录心肌的电活动。

临床电生理学的另一个例子是临床神经生理学。在这个医学专业中，医生测量大脑、脊髓和神经的电特性。DuchennedeBoulogne(1806-1875)和NathanielA.Buchwald(1924-2006)等科学家被认为极大地推进了神经生理学领域，使其能够应用于临床。

最低信息(MI)标准或报告指南规定了满足临床研究中特定目标所需的元数据（信息）和数据的最低数量。“关于神经科学研究的最少信息”（MINI）系列报告指南文件旨在提供一套一致的指南，以便报告电生理学实验。在实践中，MINI模块包含一个信息清单，当描述一个数据集以供发布时，应该提供这些信息（例如关于所采用的协议）。