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电生理技术

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  以多种形式的能量(电、声等)刺激生物体,测量、记录和分析生物体发生的电现象(生物电)和生物体的电特性的技术,是电生理学研究的主要技术。
  发展概况  1849年E.H.杜布瓦-雷蒙发表了《动物电的研究》,他所发展的刺激技术(感应圈)和记录技术是电生理技术的先导。电子管的发明使从不同组织引导出来的微弱的生物电讯号得以放大以便于观测,1922年J.厄兰格开始使用阴极射线示波器来记录生物电,标志着现代电生理技术的开始。
  早期的电生理技术只能记录大量细胞的同步的电活动,以后逐渐向微观和整体两个方面发展。在微观方面,1949年,G.凌宁等开始用微电极插入细胞内记录其电活动,使电生理技术达到细胞水平。1976年E.内尔等用微电极的尖端剥离极小的一片细胞膜,记录到细胞膜上单个离子通道的电流,接近了分子水平。在整体方面,20世纪60年代起,由于应用了计算机,人们能从人或动物的体表记录到非常微弱的体内深部小群细胞的电活动。这类测量对人体毫无损伤,对临床诊断有重要意义。
  电生理测量技术  包括生物电测量技术和生物体电特性测量技术等方面。
  生物电测量技术  用电极将微弱的生物电引出,经生物电放大器将它放大,再经示波器等显示其波形并记录下来,以便观察、分析和保存。①电极:引导生物电的电极分大电极和微电极两类。大电极通常可以是金属丝,也可以是面积为几平方厘米的金属片(银、不锈钢等)。把大电极放在待测部位即能记录到该处存在的生物电。它记录到的是许多细胞(例如一个器官)的电活动综合而成的生物电。例如把大电极放在胸前心脏附近,就能记录到心脏跳动时发生的电活动──心电,分析心电能帮助了解心脏的功能状况。用同样方法可记录到脑电、肌电等多种器官和组织的电活动,这些对于诊断疾病都有重要价值。现在已被广泛地应用于医学、兽医学和畜牧业等方面。微电极的尖端直径小于1微米,也可大至几微米(玻璃管、金属丝)。用微电极可在细胞水平上对生物电现象进行观测和研究。将微电极插到细胞的附近,甚至插入细胞体内,就能记录到少数几个以至单个细胞的电活动。还可把细胞染料通过微电极注入细胞内使之染色,便于用显微镜观察细胞的形态,研究形态和功能之间的关系。②生物电放大器:细胞发生的生物电的能量很低,必须用放大器放大才能观测。大电极用的生物电放大器应该噪声低、漂移小,具有很强的抑制外界和生物体内电干扰的能力。玻璃微电极的尖端由于电阻很高(在5~100兆欧之间),而引起讯号衰减,高频失真等。所以微电极放大器需具有极高的输入电阻和减小输入电容的补偿电路,使生物电能保真地放大。微电路插入细胞体内记录时,对放大器的栅流须有严格的限制(如应小于10-11安),以防止栅流对细胞兴奋性的影响。③显示和记录:常用的有磁带记录仪,笔写记录器,XY记录仪和示波器。磁带记录仪记录实验过程中的生物电、生理指标变化等全部信息,实验后再作进一步的分析处理。由于有些生物电具有甚低频甚至直流成分,需采用调制技术才能将它们记录在磁带上。通常把变化不太快的生物电(如心电、脑电等)直接用笔写记录器描记下来,使用方便,能当场获得记录。近年来由于采用新技术,笔写记录仪的频率响应已扩展到2000赫以上,一些较快的生物电也能被直接描记。XY记录仪的记录笔可沿X轴和Y轴两个方向运动,两轴分别表示不同的参数。对于变化很快的生物电(如神经细胞的峰形放电等)常用示波器来观察,它频率响应高,观察方便。但记录时,因需用示波器照相机拍摄荧光屏上的波形,使用不大方便。④遥测技术:记录自由活动、剧烈运动或在遥远的空间的人或实验动物的生物电的方法,通常是将讯号放大、调制后用无线电波发射。在记录处接收无线电波后,经放大、解调,恢复为原来的生物电再予显示和记录。遥测的距离从几米到千公里以上(如从宇宙飞船到地面)。生物电遥测系统是多种多样的,有的要求体积小、重量轻、便于携带,有的要求能越过很大的距离,有的要求能遥测多路讯号等。
  生物体电学特性的测量技术  此种技术常用于对生物体的电阻、电容和电感等参数的测量。例如使一定量的电流流过细胞膜,测量它在细胞膜上产生的电位差,根据欧姆定律,即可算出细胞膜的电阻。用类似的电子学方法可测出生物体的电感,电容等参数。细胞的跨膜电位的变化强烈地改变着膜的电学特性,对跨膜电位进行动态的精确的控制,测量流过细胞膜的电流变化,这就是电压钳技术。它对于生物电产生和传播过程的研究有重要意义。
  刺激技术  包括设计制造刺激器,使能产生所需形式和参数的刺激能量;将刺激能量施加在欲刺激的部位上;减少刺激带来的副作用。
  刺激器  有电、光、声和机械等多种刺激器,其中以电刺激器用得最多。一般要求电刺激器的参数(如强度、持续时间等)有适当的变化范围,可精细调节和稳定。方波是电刺激中最常用的波形,因为它简单、易于发生、控制精确、刺激量便于计算,而且方波对神经和肌肉刺激更有效。佩带在正常活动的人或实验动物身上,或埋藏在体内的长时间连续工作的电刺激器(如心脏起搏器)有很大的应用价值。微计算机控制的刺激器的刺激参数由程序控制。能产生参数迅速变化,型式复杂的刺激序列。并能根据外界情况的变化而改变刺激型式。
  刺激方法  待刺激的部位因处于周围组织中,刺激能量经过周围组织时不但大量损耗,波形失真,难以定量,同时也刺激了周围组织,造成分析的困难。故在刺激生物体时,尽量将待刺激的部位与周围组织分离(如用电极将要刺激的神经钩起来);减少刺激能量在周围组织中的损耗(如在要刺激的神经的周围充以绝缘的石蜡油,减少周围体液的分流作用)。此外,刺激器的输出部分应有抵抗外界条件变化、维持刺激恒定的能力(如用恒流电路)等。
  减少副作用  刺激时会引起一些副作用。如电刺激时刺激电流会使金属的刺激电极电解,金属离子扩散进入生物组织,有的离子有毒;又如刺激电流在生物体内扩播,记录生物电时也能记录到它的波形,叫刺激伪迹,干扰正常记录。因此,在刺激时必须设法减少副作用。例如选用合适的刺激电极的材料,刺激波形选用正负方波等来减少电极电解作用的危害;使用刺激隔离器,使刺激电流尽量局限于刺激电极的周围,以减少刺激伪迹对生物电记录的干扰。
  讯号的处理和分析技术  电子计算机逐渐被广泛应用于生理讯号的处理和分析,不仅可以提高效率和测量精度,而且可以建立新的测量方法、开辟新的研究领域。常用的有以下几种:
  自动测量  自动从生理讯号波形上测出要求的参数,代替了从记录纸上或示波器照相上手工测量的方法。测量的速度快、精度高。
  讯号分析  把生理讯号分解成组成它的各有关成分。用得较多的是富里哀分析,可把讯号分解成它的基波和各次谐波的组合;又如把记录到的多个运动单位的复合动作电位分解成各运动单位的动作电位。
  讯号的提取  把淹没在噪声中的微弱生理讯号,用计算机处理提取出来。“平均”是一种常用的方法,把N 次刺激引起的反应讯号进行平均,能提高信噪比电生理技术倍。
  讯号的识别  对于长时间中偶尔出现的现象的观测,用计算机长时间不断监视讯号,发现规定的偶发现象,把它的波形和发生的时间记录下来,供研究用。
  讯号的判别  从记录到的生理讯号来判断生物体属于什么状态。如从心电向量图的分析来诊断心脏疾患。
  讯号源的定位  通过对从体表许多电极记录到的波形的分析,推测出体内生物电讯号源的位置及其随时间变化的情况。如从人体表面的 100路心电记录来推算出心脏电偶极子、电多极子的位置及其运动的轨迹。
  参考书目
 范世藩、江振裕译:《电生理学方法》,上海科学技术出版社,上海,1963。(J.Bures et al.,Electro-physiological Methods in Biological Research,Publishing House of Czechoslovak,Prague,1960; B.D. Burns et al., Methods in MedicalResearch,1961.)

 

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