电生理技术是通过检测生物组织 / 细胞的电活动（如膜电位、动作电位、离子电流）揭示生理功能与病理机制的核心技术，广泛应用于神经科学、心血管学、细胞生物学等生命科学领域，尤其在神经元功能解析、心律失常机制研究、药物筛选等科研场景中不可或缺。以下从核心原理、分类与技术细节、生物医学应用、实验流程及关键注意事项展开，聚焦科研实用性，提供可落地的技术指南：

一、核心原理

生物组织（如神经元、心肌细胞、肌肉细胞）的细胞膜上存在离子通道（Na⁺、K⁺、Ca²⁺等），离子的跨膜流动会产生膜电位变化（静息电位→动作电位），这是细胞信号传递、收缩 / 分泌等功能的基础。电生理技术的核心是通过电极捕获这些微弱电信号（通常为 mV 级电压或 pA 级电流），经放大器放大、滤波器降噪后，由数据采集系统记录并定量分析，从而揭示细胞 / 组织的电活动规律。

二、主要技术分类与核心细节（生物医学常用）

根据检测对象（细胞、组织、整体动物）和技术原理，电生理技术可分为以下几类，重点说明科研中高频使用的技术：

1. 膜片钳技术（Patch Clamp）—— 单细胞水平金标准

核心功能：

检测单个细胞的膜电位、离子通道电流（如钠通道、钾通道、钙通道），定量分析通道的开放 / 关闭特性、药物对通道的调控作用

三、生物医学领域典型应用场景

1. 神经科学研究

• 神经元功能解析：记录单个神经元的动作电位发放模式、突触传递效率（如 fEPSP 振幅），研究学习记忆（如海马拉米德模型）、神经退行性疾病（如阿尔茨海默病）的突触功能异常；

• 癫痫机制：体内记录癫痫模型小鼠的脑电活动，捕捉癫痫发作时的棘波放电，筛选抗癫痫药物；

• 光遗传联合应用：通过光遗传刺激特定神经元群体，同步记录电活动变化，揭示神经环路的连接功能。

2. 心血管研究

• 心肌细胞电生理：使用膜片钳记录心肌细胞的离子通道电流（如 I_Na、I_Kr），研究心律失常（如长 QT 综合征）的分子机制；

• 心脏电传导：通过 MEA 技术记录心肌组织的电传导速度，评估心肌梗死、心肌病后的电活动异常；

• 药物安全性评价：检测药物（如抗心律失常药、化疗药）对心肌离子通道的影响，预测药物诱发的心脏毒性。

3. 细胞生物学与药物筛选

• 离子通道药物筛选：使用高通量膜片钳（如 PatchXpress、QPatch），快速检测化合物对目标离子通道（如钠通道 Nav1.7）的激活 / 抑制作用，筛选镇痛、抗癫痫药物；

• 干细胞分化评估：记录干细胞分化为心肌细胞 / 神经元后的电活动，验证分化效率（如心肌细胞的动作电位形态、神经元的放电特性）。

4. 病理机制研究

• 糖尿病周围神经病变：记录背根神经节神经元的电活动，分析神经纤维的兴奋性异常；

• 肌肉疾病：通过肌电图记录骨骼肌的电活动，研究肌营养不良、重症肌无力的肌肉功能障碍。

四、典型实验流程（以膜片钳全细胞模式记录神经元离子电流为例）

1. 实验前准备

1. 样本制备：

• 动物麻醉（如小鼠戊巴比妥钠腹腔注射），快速取脑并置于冰浴的人工脑脊液（ACSF）中；

• 用振动切片机切制脑片（厚度 200-300 μm，如海马脑片），在 37℃ ACSF 中孵育 30 分钟复温；

• 细胞分离（可选）：若记录单个分散神经元，需用胰酶消化脑片，机械吹打获得单细胞悬液。

2. 设备与试剂准备：

• 拉制微电极：玻璃毛细管（外径 1.5 mm，内径 0.86 mm）经拉制仪拉制，尖端电阻 5-8 MΩ；

• 配置电极内液（如含 K⁺电极内液：140 mM KCl、10 mM HEPES、1 mM MgCl₂，pH 7.2）和外液（ACSF：124 mM NaCl、3 mM KCl、2 mM CaCl₂、1 mM MgSO₄，pH 7.4）；

• 校准设备：膜片钳放大器调零，显微操作器定位，屏蔽箱内除湿除静电。

2. 实验操作

1. 细胞贴附与封接：

• 将脑片 / 单细胞悬液置于记录槽中，显微镜下找到目标细胞（如海马 CA1 区锥体细胞）；

• 控制显微操作器，使微电极尖端靠近细胞表面，施加轻微负压，形成 GΩ 封接（电阻≥1 GΩ，确保信号无泄漏）。

2. 破膜与全细胞模式建立：

• 施加短暂负压或电脉冲，打破电极尖端的细胞膜，使电极内液与细胞质相通；

• 平衡 5 分钟，待膜电位稳定（静息电位通常为 - 60~-70 mV）。

3. 信号记录与干预：

• 选择记录模式（如电压钳），设置钳制电位（如从 - 80 mV 逐步去极化至 + 40 mV，步长 10 mV），记录离子电流（如钠电流 I_Na）；

• 药物干预：通过灌流系统向记录槽中加入目标药物（如钠通道阻滞剂河豚毒素 TTX），记录药物作用前后的电流变化。

4. 数据存储：

• 用软件（如 pClamp）实时存储原始数据（电流 - 时间曲线、I-V 曲线），保存参数设置（钳制电位、采样率、滤波频率）。

3. 数据分析（以 pClamp 为例）

1. 预处理：去除基线漂移、滤波降噪（低通滤波 1 kHz）；

2. 定量分析：测量电流峰值、半最大激活电位（V₁/₂）、失活时间常数（τ）；

3. 统计对比：药物组与对照组的电流 amplitude 差异（独立样本 t 检验），绘制剂量 - 效应曲线（如 IC₅₀拟合）。