Elektrofiziologija: definicija in merjenje električne aktivnosti celic

Elektrofiziologija je študija električnih lastnosti bioloških celic in tkiv. Vključuje meritve spremembe napetosti ali pretoka električnega toka na najrazličnejših ravneh, od posameznih proteinov ionskih kanalov do celotnih tkiv, kot je srce. V nevroznanosti vključuje meritve električne aktivnosti nevronov, zlasti aktivnosti akcijskih potencialov.

Kaj meri elektrofiziologija

Elektrofiziologija kvantificira fizikalne in elektro-fiziološke parametre, med drugim:

Membranski potencial (počivajoči potencial, spremembe med dražljajem)
Akcijski potencial — amplituda, časovni potek, prag in frekvenca
Ionski tokovi skozi posamezne kanale ali skupine kanalov (Na+, K+, Ca2+, Cl−)
Polja in lokalne poljske potenciale (LFP) ter sinhronizacija več celic
Elektrokardiogram (ECG), elektroencefalogram (EEG), elektromiogram (EMG) — površinske ali implantirane meritve organskega delovanja

Glavne metode

Patch-clamp (whole-cell, cell-attached, inside-out, outside-out): omogoča merjenje tokov posameznih ali skupinskih ionskih kanalov in natančno kontrolo napetosti ali toka (voltage clamp in current clamp).
Intracelularne elektrode (špičaste elektrode): merjenje membranskega potenciala znotraj celice.
Ekstracelularne posnetke: enojedrne (single-unit) ali večjedrne (multi-unit) meritve nevronov v živo ali in vitro; primerne za spremljanje streljanja več nevronov in poljskih potencialov.
Multielektrodne mreže (MEA): omogočajo hkratno snemanje več točk na tkanini ali kulturi celic.
EEG, ECoG in druge površinske ali površinsko-invazivne metode: merjenje možganske aktivnosti na večjem prostorskem obsegu.
Klinične metode kot so ECG in intracardialne elektrode za diagnostiko srčnih aritmij in vedenje prevodnega sistema srca.

Uporabe in pomen

Raziskave nevronalne funkcije: razumevanje signalizacije, sinaptične integracije, mrežnih ritmov in osnov vedenja.
Kardiologija: preučevanje sprememb v prevodnosti srca, mehanizmov aritmij in testiranje zdravil za srce.
Farmakologija in toksikologija: ocena delovanja zdravil na ionske kanale in električne lastnosti celic (npr. TTX, blokatorji kalcijevih kanalov).
Biomedicinski pripomočki: razvoj stimulacijskih in snemanih sistemov (pacemakerji, DBS — globoka možganska stimulacija).
Klinična diagnostika: EEG pri epilepsiji, EMG pri nevromuskularnih obolenjih, ECG pri srčnih boleznih.

Praktični vidiki meritve in analiza

Uspešne elektrofiziološke meritve zahtevajo ustrezno eksperimentalno opremo in postopke:

Elektrode in kontakt: vrsta (steklena mikroelektroda, kovinski elektrodni nabori), impedanca in stabilnost stika močno vplivajo na kakovost signala.
Vzorčenje in filtriranje: višje frekvence (kHz do desetkHz) so potrebne za sklepanje o posameznih kanalih/akcijskih potencialih; LFP in EEG uporabljajo nižje frekvence. Filtri pomagajo zmanjšati šum, a lahko popačijo signal, zato je treba parametre izbrati premišljeno.
Šum in motnje: elektromagnetne motnje, gibanje elektrod in temperaturne spremembe so pogosti viri artefaktov.
Analiza podatkov: obdelava vključuje odstranjevanje artefaktov, detekcijo in razvrščanje streljanja (spike sorting), frekvenčno analizo in modeliranje ionskih mehanizmov.
In vitro vs in vivo: meritve v izoliranih celicah ali kulturah omogočajo nadzorovane pogoje, medtem ko in vivo meritve ohranjajo fiziološko okolje in interakcije v organizmu.

Etika, varnost in kakovost

Ker elektrofiziološke meritve pogosto vključujejo živa bitja ali ljudi, morajo raziskave slediti etičnim smernicam, zagotoviti primerno anestezijo/analgezijo, ter paziti na sterilnost in varnost. Pomembno je tudi izvajanje kalibracij, kontrolnih poskusov in dokumentiranje pogojev meritve za ponovljivost rezultatov.

Elektrofiziologija tako povezuje fiziko, biologijo in inženiring ter je ključen pristop za razumevanje električnih osnov življenja in za razvoj zdravstvenih tehnologij.

Opredelitev in področje uporabe

Klasične elektrofiziološke tehnike

Klasična elektrofiziologija vključuje namestitev elektrod v različne preparate biološkega tkiva. Glavne vrste elektrod so: Elektrodni sistemi so: 1) preprosti trdni prevodniki, kot so diski in igle (posamično ali v nizu), 2) sledi na tiskanem vezju in 3) votle cevi, napolnjene z elektrolitom, kot so steklene pipete. Glavni pripravki vključujejo 1) žive organizme, 2) izrezano tkivo (akutno ali kultivirano), 3) disociirane celice iz izrezanega tkiva (akutno ali kultivirano), 4) umetno vzgojene celice ali tkiva ali 5) hibride zgoraj navedenih.

Če je premer elektrode dovolj majhen (na ravni mikronov), se lahko elektrofiziolog odloči, da konico vstavi v posamezno celico.

Številne posebne elektrofiziološke obravnave imajo posebna imena:

Elektrokardiografija - za srce
Elektroencefalografija - za možgane
Elektrokortikografija - iz možganske skorje
Elektromiografija - za mišice
Elektrookulografija - za oči
Elektroretinografija - za mrežnico
Elektroantenografija - za vohalne receptorje pri členonožcih

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je elektrofiziologija?

O: Elektrofiziologija je preučevanje električnih lastnosti bioloških celic in tkiv, vključno z meritvami spremembe napetosti ali pretoka električnega toka na različnih ravneh.

V: Kaj vključuje elektrofiziologija?

O: Elektrofiziologija vključuje meritve spremembe napetosti ali pretoka električnega toka na različnih ravneh, od posameznih proteinov ionskih kanalov do celotnih tkiv, kot je srce, da bi preučili električne lastnosti bioloških celic in tkiv.

V: Katere vrste meritev vključuje elektrofiziologija v nevroznanosti?

O: V nevroznanosti elektrofiziologija vključuje meritve električne aktivnosti nevronov, zlasti aktivnosti akcijskih potencialov.

V: Kaj je sprememba napetosti v elektrofiziologiji?

O: Sprememba napetosti v elektrofiziologiji je razlika v električni potencialni energiji med dvema točkama na enoto električnega naboja.

V: Kaj je pretok električnega toka v elektrofiziologiji?

O: Tok električnega toka v elektrofiziologiji je tok nabitih delcev, kot so ioni ali elektroni, skozi prevodno snov.

V: Kakšen je pomen elektrofiziologije v biologiji in medicini?

O: Elektrofiziologija je pomembna v biologiji in medicini, ker omogoča preučevanje električnih lastnosti bioloških celic in tkiv, kar lahko omogoči vpogled v delovanje fizioloških sistemov, kot sta srce ali živčni sistem.

V: Ali je elektrofiziologija omejena samo na človeško telo?

O: Ne, elektrofiziologija ni omejena na človeško telo, saj vključuje meritve električnih lastnosti bioloških celic in tkiv v vseh živih organizmih, vključno z živalmi, rastlinami in mikroorganizmi.