电生理学基本知识与技术-139学习资料.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电生理学基本知识与技术-139,生物膜的电学特性,生物膜的等效电路,膜时间常数,生物膜的电学特性,膜时间常数,刺激与兴奋,矩形脉冲刺激电流引起的膜电位变化,a：纯电阻元件的膜电位,变化与脉冲电流变化同步,b：纯电容元件的膜电位,变化减慢，但保持其起始,斜率,c：含阻容元件的膜电位,呈指数变化：,Vm=I/Cm,生物膜的电学特性,膜时间常数,Vm=I/Cm,的原理,1.Cm可减慢电流引起的,膜电位变化，是因此前Cm须,经历充、放电的过程,2.膜电位变化快慢最终,由时间常数t决定，即t值越,大，Cm充放电流越小、越慢,或电容器两端电压（uc）达,到某一定值所需时间越长,3.不同的生物膜，t值,大小也不同,生物膜的电学特性,膜时间常数,进一步的物理学与生物物理学描述,1.时间常数是标志RC电路放电的基本参数,2.RC电路中，电路的电压（E）随时间呈指数变化：,E=IR（1-e,t/t,）,3.由矩形脉冲电流引起的生物膜电位变化：,Vm=ImRm(1-e,t/t,),4.公式中e=2.72为指数系数，t=RC为时间常数,5.公式表明，膜电位下降到最初值的,1/e,所需时间,为一个时间常数，即膜电位变化达最终值的,63所需时,间为一个时间常数,生物膜的电学特性,膜时间常数,理论意义与实际应用,1.生物膜中t的变化很大（神经元约120ms），但,经检测，单位表面积的膜电容却较恒定、约10,-6,F/cm,2,2.不同时间常数反映了不同细胞的Rm的不同，乃至,同一神经元的各个膜区域之间的区别。而Rm的差异又代,表膜离子通道类型、密度和调节方面的特性。总之，膜,时间常数在决定神经元高度复杂的内在电活动，以及细,胞对刺激的反应方面都起着重要作用,3.,生物机能实验中，多种因素如标本干燥、机械牵,拉等不良刺激都可使Rm增加，影响其电活动及其对刺激,的反应。因而实验中为保持标本机能状态的正常及实验,结果的真实可靠，应尽量避免不良刺激对Rm的影响,跨膜离子电流与膜电位变化,生物膜的电学特性,跨膜离子电流与膜电位变化,欧姆定律及其表述,1.通过某一导体的电流（I）与导体两端的电压,（V或E）成正比，与导体的电阻（R）成反比：,I=V/R,2.电导是电阻的倒数（G=I/R），引入电导概念：,I=gV,或,I=gE,3.电导概念可更好地描述离子通道允许电流通过,的能力,生物膜的电学特性,跨膜离子电流与膜电位变化,应用欧姆定律描述跨膜离子电流与膜电位的关系,1.离子通道是一种特殊的导体，各种离子经离子,通道的跨膜转运是顺化学梯度的转运，故其产生的电,流的大小（I）既取决于膜电位差（E）及通道的电导,（g），也与该离子的平衡电位（Es）有关：,I=g(E-Es),2.公式表明，离子流过通道的驱动力是E-Es而非E,3.若以膜电位为横轴，离子通道电流为纵轴作图，,可了解跨膜离子电流(I)与电压(V)的关系(Current-,Voltage relationship)，或称为I-V曲线,生物膜的电学特性,跨膜离子电流与膜电位变化,1.图中的斜率即为该,通道的电导，若电导为一,常数，I-V关系便呈线性,2.曲线还表明，不仅,离子流过通道的驱动力不,是E，而且电流为0的电位,是与离子的平衡电位相等,的电位而不是0mV 处。因,电流在此电位改变方向，,故又称反转电位,3.根据反转电位值可,以判断该通道电流是何种,离子跨膜流动引起的,Current-Voltage relationship (I-V Curve),生物膜的电学特性,跨膜离子电流与膜电位变化,研究,I-V,关系的理论意义,Ik,1,电流-电压曲线,1.研究离子通道的I-V关系,，是了解通道生物物理学特性,和药物作用机制的基本方法,2.实际上许多通道具有非,线性的I-V关系，尤其可通透,离子在膜两侧的浓度不同或通,道的结构不对称等情况下，该,曲线往往会向某个电流方向（,如内向或外向电流）偏离欧姆,定律，即所谓“整流”现象,生物膜的电学特性,跨膜离子电流与膜电位变化,实际应用,1.在生物膜的等效电路中，因Rm和Rc以并联方,式存在，膜电流（Im）等于跨膜离子电流（Ii）与,电容电流（Ic）之和：,Im=Ii+Ic,2.公式表明，膜的Ii或Ic变化均可改变Im，而,Ii反映了跨膜离子通道电阻（Rm）的大小、Ic反映,了跨膜电容（Cm)的大小,3.由欧姆定律可知，Im的变化必然改变膜电位,（Vm），从而Rm和Cm的不同也将影响到Vm,4.,因此在测量Vm的电生理研究中，必须注意保持,生物膜Rm和Cm处于稳定状态,刺激电流与膜电位变化,生物膜的电学特性,刺激电流与膜电位变化,刺激引起兴奋的条件,1.细胞所处功能状态,2.有效刺激的三个参数，即强度、时间和强度-时,间变化率,3.刺激电流的方向，如外向刺激电流使膜去极化，,兴奋性升高；内向刺激电流使膜超极化，兴奋性降低,，不能引发动作电位。,因此，在用微电极技术进行实,验时，应将正电极置于细胞内，或将负电极置于细胞,外,生物膜的电学特性,刺激电流与膜电位变化,外向和内向刺激电流引起的膜电位变化,外向刺激电流与膜电位变化,内向刺激电流与膜电位变化,+,-,r,1,r,2,-+,r,1,r,2,生物膜的电学特性,刺激电流与膜电位变化,关于细胞外刺激,1.两个电极与神经,接触并通电，正和负,电极处会分别发生超,极化和去极化,2.,应用细胞外双,电极刺激法，应将正,电极置于远离引导电,极一侧、负电极置于,靠近引导电极一侧，,以避免正电极处超极,化引起的阻滞作用（,阳极阻滞）,刺激强度与膜电位变化,生物膜的电学特性,刺激强度与膜电位变化,刺激引起兴奋的原理,1.膜的去极化是电压门控Na,+,通道被激活及Na,+,内流,的过程，期间常伴随膜电位与K,+,平衡电位（E,K,）的差值,增大，以及非门控K,+,通道的K,+,外流增加，且去极化越明,显、K,+,外流越多,2.阈下刺激时，被激活的Na,+,通道数目少、Na,+,内流,引起的膜被动反应（部分去极化）可被K,+,外流对抗，使,膜的进一步去极化难以实现。而阈刺激可使被激活的,Na,+,通道数目及Na,+,内流量皆增加，不被K,+,外流对抗,3.阈刺激所致Na,+,内流及进一步去极化可在二者间,形成正反馈，这被称为再生性去极化或再生性Na,+,内流,生物膜的电学特性,刺激强度与膜电位变化,动作电位的全或无特性,对很强的去极化刺激发生的主动反应（图示还,表明，刺激强度越大，刺激和AP间的延迟越短）,生物膜的电学特性,刺激强度与膜电位变化,神经干或组织受刺激的表现,1.因不同的细胞兴奋性也不同，且手术操作或离体,条件等都将影响到生物膜的特性，从而引起兴奋所需的,阈强度存在某种差别,2.,对蟾蜍坐骨神经干实施刺激，在最大刺激强度范,围内，神经纤维兴奋的数目会随刺激强度的增加而增加,；同时，动作电位的叠加还将表现为所记录动作电位幅,度的相应增大，这正是不同的细胞分别具有不同的兴奋,性的表现,3.,最大刺激强度在于使神经干中所有纤维都兴奋，,此时动作电位的幅度也达最大,生物电信号的特性,信号微弱：电压为mV,V，电流为nA,pA,频率特性：生物机能信号频率范围很大,大，故在使用生物电极放大器时应选择,适宜的频带,信号源内阻高：包括组织皮肤内阻及细,胞膜电阻等，可达几千乃至数万欧姆,易受其他电信号干扰：生物电之间,的相互干扰 50Hz交流电源对记录电,信号的干扰 电极极化电位的干扰,感应电场及空间电磁波的干扰等,生物电记录方法及原理,生物信号记录的框架图,生物电信号拾取,生物电信号的放大与记录,诱发生物电现象产生,干扰问题,(自发、诱发),放,大,器,示波器,记录仪,生物电记录方法及原理,生物信号记录的框架图,生物信号记录的框架图,生物电信号拾取,生物电记录方法及原理,生物电信号拾取,信号拾取的定义与记录电极的等效,电路,生物电记录方法及原理,生物电信号拾取,信号拾取的两个原则,1.生物电源是欲记录的生物电信号，视其为电源是,因它的电位降落在三个电阻上,2.仪器记录的信号是极间电阻两端的电位差(电压),3.串联电路中，电阻两端电压的大小与电阻大小成,正比。因此，,拾取信号的方法与过程应遵循两个原则,：,一是,力求电极与组织接触良好即尽量减少接触电阻，以,使信号电压主要降落在极间电阻两端，同理两个电极不,能短路、否则极间电阻为0而拾取不到信号；,二是,制作,电极的材料导电性能要好或极间电阻要低，以使信号电,压主要降落在仪器的输入电阻上，如极间电极由电极电,阻与仪器的输入电阻串联而成,(自发、诱发),放,大,器,示波器,记录仪,生物电记录方法及原理,生物电信号的放大与记录,生物电信号的放大与记录,生物电信号放大和记录的有关方法,生物电记录方法及原理,生物电信号的放大与记录,关于刺激伪迹,1.生物电信号的纪录常面临辨认信号真伪的问题,2.可记录到的干扰信号有许多种，其中之一是刺,激伪迹,3.在电生理学实验中，当刺激器发出一个刺激脉,冲时，记录电极将同时拾取到一个双向、呈尖脉冲的,电信号，此即刺激伪迹。刺激伪迹可被用来作为一个,时间点。如从刺激伪迹到刺激坐骨神经干而记录到AP,，其时间间隔就是刺激电极处所产生AP传导到记录电,极处所需要的时间,4.刺激伪迹一般不会干扰有用信号的纪录,诱发生物电现象产生,生物电记录方法及原理,诱发生物电现象产生,人工诱发生物电的常用方法,电刺激器的电脉冲及其矩形波特征,1.电刺激器既可发出一个、两个或多个单独的脉,冲，也可连续性地或不停地发出脉冲,2.电脉冲多为矩形波，其可提供三个参数，即电,压大小（矩形波的幅度）、电压作用时间（矩形波的,波宽）、电压对时间的变化率（矩形波上升的斜率）,干扰问题,生物电记录方法及原理,干扰问题,干扰问题的广泛性,50,赫兹的交流电干扰及其预防：,仪器的噪声和放大器的信噪比参数：,一般信号电平与噪声电平比值,10,才能,满足实验记录需要,其它,生物信号放大器的性能指标及作用,通频道,高增益,高输入阻抗,高共模抑制比,信噪比,低漂移,通频道的定义,生物信号放大器的性能指标及作用,通频道,通频道（带宽）,1.,通频道又称带宽，是放大器选择与直流或交流生,物信号相适应频率范围的技术指标,2.生物放大器的通频带下限为0、上限最大频率通,常在6kHz以内，这基本能满足机能实验需要,3.根据所观察生物信号的频率特性,选择相应带宽,可通过调节放大器的“时间常数”和“高频滤波”实现,。如在放大器前、后极之间常设置有低和高频电路,4.时间常数（又称高通滤波）和高频滤波（又称,低通滤波）都是表征RC电路频率响应的参数，其实质,都是滤波放大器的时间常数（高通滤波）,生物信号放大器的性能指标及作用,通频道,1.时间常数决定放大器带宽的下限频率(f,1,)即衰减,信号中的低频成份，而让高频成份全部通过，意义在于,消除信号基线的漂移和低频噪声。计算下限的频率：,f,1,=1/2,RC （,=3.14,t=RC）,2.公式中每一个时间常数t对应一个f,1,，低于f,1,的信,号常被衰减70%以上，且频率越低衰减越厉害,3.因滤波器对信号中不同频率成份的传递函数不同,，其应用常面临信号失真的问题。就特定信号而言，滤,波器的通频带越宽、失真就越小，但噪声和干扰却越大,放大器的高频滤波（低通滤波）,生物信号放大器的性能指标及作用,通频道A D,P M,f,1,f,2,f(Hz),1.高频滤波决定,放大器带宽的上限频,率（f,2,）即衰减信号,中的高频成份，让低,频成份全部通过，意,义在于消除信号中夹,杂的高频噪声,2.所谓放大器的,带宽即指f,1,至f,2,的频率,范围,具体图例,生物信号放大器的性能指标及作用,通频道,没有进行高通滤波的心电图,调整了高通滤波的心电图,没有进行低通滤波的心电图夹杂较多噪声,（高频滤波300Hz）,进行低通滤波的心电图夹消除高频噪声,（高频滤波100Hz）,过度的低通滤波会造成信号发生畸变,（高频滤波30Hz）,具体参数的设置,生物信号放大器的性能指标及作用,通频道,增益和高增益,有关计算公式,单纯应用高增益放大器的局限性（见,下节）,生物信号放大器的性能指标及作用,高增益,高增益,放大器的电压增益=20Log10Vo/Vi(dcibel,db),Vi为放大器的输入电压，Vo为放大器的输出电压,放大器的电压增益一般要求达到,60120db,，相,应的,电压放大倍数=Vo/Vi=10,3,10,6,倍,生物电信号源的高内阻性,输入电阻及信号源内阻与放大器输出电压信号的关系,生物信号放大器的性能指标及作用,高输入阻抗,高输入阻抗,1.令放大器的电压放大倍数,为A：,Vo=ViA,Vi=IRi=VsRi/(Ri+Rs),2.公式表明，放大器输出电压,信号的大小与信号源电压高低和,放大器放大倍数有关，同时与放,大器输入电阻及信号源内阻构成,的分压器成正比,记录电压信号的等效电路,理论意义与实际应用,生物信号放大器的性能指标及作用,高输入阻抗,1.根据 Vo=ViA 及 Vi=IRi=VsRi/(Ri+Rs),若Rs一定，Ri越大、分压比则越大或Vo则越高；反之,反之，即同样的放大倍数和Vs条件下，Vo将降低。,因,此，单纯的高增益放大器不能满足引导内阻高、信号,弱的生物电信号的需要，还必须具有较高的输入阻抗,2.一般要求前置放大器的输入阻抗10,6,（,）,（,1M,），,微电极放大器输入阻抗1010,13,，这样,才便于记录高内阻的生物信号,3.正常细胞膜阻抗均为10,3,只有当微电极阻抗,足够大、信号源内阻相对足够小，即输入阻抗/输出阻,抗比值极大时才能顺利检出微弱的生物信号,共模信号与差模信号,生物信号放大器的性能指标及作用,高共模抑制比,高共模抑制比（CMRR）,1.共模信号指差分放大器输入两端方,向和大小都相同的电压信号，其特征为差,分放大器对信号无放大作用、且多见于外,界干扰信号。反之为差模信号如生物电信,号，差分放大器对其有很强的放大作用,2.差分放大器能同时放大差模信号、,抑制共模信号。后者的强弱取决于同级放,大器的静态和动态对称性好坏，且又与接,触电阻、局部组织电阻、放大器输入电阻,和构成放大器的元器件的对称性有关,共模抑制比（差分比）,生物信号放大器的性能指标及作用,高共膜抑制比,1.共模抑制比指同一差分放大器的差模信号电压增,益与共模信号电压增益的比值：,CMRR=Kd/Kc,2.生物电放大器一般要求 CMRR10,4,，最好为10,6,；,当CMRR10,5,时，该差分放大器可在标本良好接地而无屏,蔽的情况下工作。即有效抑制进入放大器的共模信号、,放大差模信号。共模抑制比的大小便代表放大器对共模,信号的抑制程度,3.共模抑制比也可用分贝表示，即,CMRR=20Log10Kd,/Kc,(分贝)，一般要求 CMRR80分贝,信噪比的定义及其理论与实际意义,生物信号放大器的性能指标及作用,信噪比,信噪比,1.信噪比指有用信号和噪声信号的功率比值，但由,于实际应用较容易得到信号的电压值、而功率又与电压,的平方成正比，故信噪比有两种表示方式：,10,lg(Ps/Pn)或20,lg(Vs/Vn),3.假设信噪比为60dB（分贝），那么意味着lg(Vs,/Vn)=3，即Vs/Vn=1000，或者说有用信号的幅度是噪声,信号幅度的1000倍。对于观察者，此时即使有用信号占,据整个屏幕的高度（800,600分辨率），我们也一点观,察不到噪声信号。这表明60dB的信噪比已能完全满足生,物机能实验的要求,漂移的定义及其理论与实际意义,生物信号放大器的性能指标及作用,低漂移,低漂移,1.在输入信号恒定或无信号输入时，放大器的输出,电压信号出现缓慢变化，这种变化被称为漂移,2.漂移可分为时间零点漂移、温度零点漂移和增益,漂移等，致零漂的原因有交流电源的变化、温度的变化,和元件质量差。如生物电前置放大器一般是交直流两用,、极间耦合全部改为直接耦合可形成直流放大器，但同,时带来零点漂移即放大电路中无信号输入、而输出电压,偏离初始值的问题。原因在于第一级受外界温度或超低,频的干扰，使工作点的缓慢变化被逐级放大或使输出电,压偏离其初始值，且放大倍数越大、偏离越严重,关于电刺激器的应用,再见,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,