使用电路板模拟生物膜并测量轴突中的电信号：学生实验课程

本实验的总体目标是展示如何利用电路模型来理解生物膜的电学特性，并演示从螯虾腹神经索记录动作电位的操作方法。该演示首先使用面包板上的电路元件来模拟生物膜的电学特性；实验的第二步是改变模型电路中的电阻和电容，以观察其对电压变化曲线的影响。

该实验的第三步是将从模型电路中学到的概念应用于活体神经标本。实验的最后一步是记录复合动作电位，并理解阈值、不应期以及突触传递的特性。最终结果表明，通过改变模型电路的组件以及调节对活体神经的刺激，研究生物膜的电路模型和活体神经的特性可成为有效的教学工具。

该方法有助于理解如何通过电学模型来阐释生物膜的特性，也可应用于其他组织，如肌肉组织。该方法的演示至关重要，因为腹神经索的解剖及记录装置的建立在初期可能较为困难，操作时必须小心谨慎，避免损伤神经，以确保能够成功建立用于刺激和记录神经索的良好实验装置。

在实验的第一部分，使用电阻器和电容器来模拟神经细胞膜的电活动。初始电路仅包含电阻器，电容器在后续步骤中加入。

神经膜的被动电阻特性由此处所示电路表示。该电路板并联了33千欧姆的电阻，代表横向膜电阻，串联了10千欧姆的电阻，代表细胞内电阻。该电路假设外部液体的电阻与细胞内电阻和横向膜电阻相比可忽略不计。

当您的模型细胞组装完成后，将电源实验室的输出导线连接到面包板模型上。电源实验室可产生刺激信号，并配有用于记录电压的测量探针。接下来，将电源实验室连接到计算机。

计算机用于显示从面包板记录的电信号。下一步是设置计算机软件，该软件将控制由PowerLab发送到模型神经细胞的刺激。从桌面打开LabChart程序。

选择新文件，选择设置，然后选择通道设置。选择一个要显示的通道，然后选择刺激器面板。需要使用1.5伏的长脉冲。

在实验的这一部分，将振幅调节至1伏。PowerLab将输出在正负0.5伏之间波动的电压，从而产生峰对峰刺激为1伏的信号。将频率设为0.75赫兹，脉冲持续时间设为1秒。

在通道设置中，选择通道一进行监测，点击输入放大器，在弹出的对话框中点击差分按钮，并将量程设置为五伏，然后选择“确定”。下一步是向神经细胞模型施加电信号，并观察信号沿模型长度的衰减情况。通过在计算机上点击“开始”，在电路 A 与 B 端之间的一端施加电压。

在模型轴突上测量第一个单位长度的电压，并在计算机上进行监测。将电压测量探头的红色导线固定在面包板上的 A 点，移动另一根导线至串联电阻之间的不同位置。注意观察较远位置处的电压下降情况。

现在通过按下计算机上的停止按钮来结束记录。使用光标将存储在计算机中的轨迹移动到每个记录的脉冲位置，测量保存的电压差。利用左下角的 M 标记光标标记轨迹的底部，并将自由光标置于轨迹的峰值处，以测量电压差。

从屏幕上读取电压差测量值，并将每个电路位置的测量结果记录在实验记录本中。下一步是计算模型细胞的长度常数，该常数用于描述信号随距离呈指数衰减的特性。将每个电压差值绘制在电位差对距离的图上，距离以膜电阻被视为一个单位的信号源位置为起点。

除了你的图表外，还需确定该电路的长度常数。神经纤维的长度常数定义为跨膜电位差从起始点的初始值下降至其37%时所经过的距离。为了更准确地模拟神经和肌肉纤维的被动电缆特性，模型神经细胞将被扩展，以包含电阻和电容成分。

神经细胞膜不仅具有横向膜电阻，还存在表面膜电容，后者会扭曲神经细胞信号。为模拟这一特性，需将10微法电容器并联到横向膜上。电阻器连接在计算机上的面包板上。

将刺激器设置为使用持续时间为一秒、电压为一伏（即0.5伏的幅度设置）以及0.75赫兹的脉冲。同时，在面板右上角将采样速率设置为每秒20千次。接下来，点击屏幕右侧的通道一。

单击框中的输入放大器。单击差分按钮，并将量程设置为五伏。单击确定。

为保存这些更改，请单击“开始”以开始采集数据。在面包板上的相同位置测量数据。数据采集完成后，使用缩放窗口放大其中一个方波脉冲的上升时间。

根据需要重复放大，以展开轨迹。测量信号从基线升高至电压轨迹顶端所需的时间，即信号达到平稳状态时的时间。

观察电位变化的时间过程以及方波脉冲的畸变情况。同时，使用 M 光标和之前的自由光标，判断所测电压是否超过 0.2 伏特，读取电压变化值，并在实验记录本中记录数据，假设阈值电压为 0.2 伏特。测量在每个膜电阻条件下，电位达到阈值所需的时间。

将结果绘制成时间与距离的关系图，髓鞘厚度的增加会导致膜电容降低。通过将面包板上的 10 微法电容器替换为更小的 0.1 微法电容器来模拟这一过程。重复之前的实验。

注意在选定电阻下达到阈值所需时间的变化。将使用较大电容器的数据叠加到之前的时间与距离关系图上。增加髓鞘的厚度可使神经细胞中的电信号上升和下降得更快，从而提高传导速度。

在实验的下一部分中，将检测小龙虾腹神经索中轴突的电学特性。模型电路中所呈现的被动电流扩布特性在活体标本中同样可以观察到。然而，当信号需要传递数毫米的距离时，必须产生动作电位，因为细胞的被动电学特性会使信号在此距离上发生衰减。

当信号以不同的传导速度沿螯虾腹神经索传播时，传导速度最快的信号将首先被观察到，而较慢的信号则稍后被观察到。根据具有相似传导速度的轴突群体情况，部分信号在记录中会发生叠加。这种来自多个轴突的叠加电信号被称为复合动作电位。

接下来的一系列实验旨在记录螯虾神经的复合动作电位，以获取螯虾的腹神经索。首先，准备好用于神经解剖的培养皿、解剖器械和生理盐水溶液。将螯虾置于冰上约五分钟，以进行麻醉。

麻醉后，用湿润的纸巾包裹小龙虾，并用一只手握住小龙虾，将其螯夹在拇指和食指之间。用另一只手用剪刀在眼窝之间的额剑处做一剪口，然后从切口处向下剪，直至完全切断头部。

去除螯足和步足。在头胸部腹部上方的基部做一切口，并分离头胸部。去除尾部和游泳足。

沿腹部腹面两侧进行切割，注意不要损伤深层组织。将游离的外骨骼部分向尾扇基部剥离，以暴露腹神经索。

使用镊子的边缘小心地从尖端处移除腹神经索。注意不要拉伸或压碎神经索。在神经索上观察到的任何结节均为小龙虾的神经节。

将神经索横跨放置在神经槽的金属横杆上。必须保持腹神经索湿润。为此，向神经槽中加入足量的螯虾生理盐水，使液面达到与金属横杆齐平的高度。

接下来，用移液器吸出足够的螯虾生理盐水溶液，使液面刚好接触到金属条的底部。神经索放置到位后，将刺激器电缆的两个微型钩状导线连接到神经室上。将红色正极导线连接到神经索末端附近的其中一个外部金属环上，将黑色负极导线连接到与神经索接触的相邻金属环上。

使用操纵器将吸吮电极移至神经末端附近，该末端与阴极和阳极导线相对。小心地将腹神经索末端吸入记录电极内。通过将吸吮电极的一根导线连接至探头的正极输入端，另一根导线连接至负极输入端，将电极固定到前置放大器探头上。

导线连接到哪个输入端并不重要。可以使用氯化银导线将探头接地至法拉第笼或盐水浴，或者将其连接至差分放大器的接地输入端，以减少60赫兹的潜在噪声。将探头连接至差分放大器，并将放大器连接至PowerLab系统。

检查随附文章表格中所示的放大器 RS 的设置。使用 USB 线缆将 Power Lab 连接到计算机。在屏幕右上角的计算机桌面上打开示波器软件。

选择第二通道并关闭。通过将屏幕中间的条形拖动到底部，调整屏幕以仅显示第一通道。根据随附论文中给出的设置检查输入放大器。

然后在屏幕顶部的设置中，选择刺激器并关闭隔离的茎，将延迟设为5毫秒，持续时间设为1毫isecond，脉冲数设为2次，间隔为15毫秒，范围设为5伏，振幅设为0.5伏。要开始刺激腹神经索，请点击屏幕左下角的“开始”按钮。示波器数据采集框中应出现清晰的动作电位。

在笔记本中勾画出动作电位的一般波形。通过屏幕左上角的选项卡缓慢降低电压，动作电位的幅度应逐渐减小，直至其特征性的波动波形消失。

降低电压会减少参与复合动作电位的神经元数量，从而逐步逆转该效应；通过逐步增加电压，可招募更多神经元。随着被招募的神经元增多，复合动作电位的波形也随之增大。本实验说明了一个事实：不同的神经元具有不同的兴奋阈值，只有达到各自阈值时才能引发动作电位。

当进一步增加刺激电压而复合动作电位不再增大时，表明所有神经元均已被募集，此时在计算机屏幕上应可观察到动作电位波形中的两个明显峰。实验的下一部分将检测轴突的不应期。通过屏幕左上角的选项卡调节脉冲之间的延迟时间。

持续缩短刺激间隔，直至无法引出第二个复合动作电位。绝对不应期定义为脉冲之间无法再引出第二个动作电位的时间间隔。相对不应期定义为从绝对不应期结束到给予第二次刺激能够产生完全幅度的第二个动作电位之间的时间段。

现在可以研究类似庚醇的缝隙连接抑制剂的特性。可通过比较相同刺激条件下复合动作电位的差异，来确定哪些信号是通过腹神经索中的缝隙连接进行传导的。您还可以使用冷盐溶液或温盐溶液，并测量构成复合动作电位的不同成分在传导速度上的差异。

此处展示的是从螯虾腹神经索记录到的两个复合动作电位。该图示说明了相对不应期，即在一次完整的复合动作电位发生后的一段时间内，施加第二次刺激所引发的复合动作电位幅度较小。该图还显示了按照本实验步骤使用庚醇后对复合动作电位的影响。

可以通过改变生物膜电路的组成来回答其他问题，例如膜中漏通道密度改变的影响，或电压门控通道在发育后的功能。这些技术和方法为生理学领域的研究人员探索细胞如何作为电路发挥作用，以及动物活体组织中间隙连接的功能奠定了基础。