2023年4月1日早9点，由瀚枢生物主办的线上系列直播——《电生理技术在CNS药物研发中的应用及转化意义》如期举行。本次直播由瀚枢生物药理部总监、高级科学家田茂志主讲，一百余名CNS科研人士参与。
首先我们先来回答一下直播中提出的几个有意思的问题。
一、请问无线遥测和有线（头戴式）检测睡眠波和癫痫波的优缺点？
无线遥测可以长时间记录freely moving动物的生理信号，相较头戴式有线记录，动物自由活动，状态良好，不易受精神紧张，线绕，感染炎症等因素影响，数据更为客观准确；记录开始后，实验者便离开实验屏蔽房间，这样实验者对动物的干预可以降低到最少程度；由于动物可以长时间持续记录，所以可以监测动物夜间状态，监测动物慢性疾病过程中的状态等；同时可以搭建多通道平台，如32通道，64通道，同时记录，通量高，效率高。但是无线遥测成本较高。
头戴式有线记录，相比无线遥测更为经济，但是手术导线引出的位置容易感染和炎症，会影响记录信号，记录过程中也存在脱落风险；同时动物活动，绕线等对信号干扰较大；记录过程中需要实验人员实时关注绕线等问题，必要时需要对动物进行干预，这对信号有干扰，也没法长时间观察记录；通量较低。
二、贵公司可以做渐冻症模型吗？渐冻症可以用哪些生理指标来检测？
我们可以做渐冻症模型，主要检测神经电生理指标，如复合肌肉电位；同时检测运动功能，如抓力检测等。
我们公司引进美国DSI公司植入四无线遥测系统，共32通道，可以检测笼内freely moving动物生理信号，如脑电、肌电、心电、血压、心率、体温、活动度等，可以做以下模型：
睡眠障碍、癫痫、肠应激模型、胃肠电检测、β节律分析、心电评估、心脏安全性评估、高血压模型、低血压模型、化合物对动物血压影响、糖尿病模型、潮热模型等。
用电生理仪器、电极、电压钳(voltage clamp)及膜片钳 (patch clamp) 技术等记录或测定整体动物或离体器官组织、神经和细胞离子通道等的电位改变、传导速度和离子通道的活动的技术即电生理技术。常用的电生理记录方法有细胞外记录、细胞内记录和膜片钳技术。
细胞外记录（Extracellular Recording)
细胞外记录法是将引导电极安放在神经组织的表面获取附近神经组织的电活动。生物体可兴奋细胞周围的细胞间液是具有长、宽、厚三维空间的容积导体，当细胞兴奋时，由于兴奋部位的神经元去极化而不活动的部位处于正常极化状态，因而在容积导体中两部位间电位不同，电流从一点流向另一点。此时置于表面的电极即可记录出两者之间所产生的电位差。
细胞外记录所得到的电位幅度大小和波形因细胞以及电极位置不同而异，因此，对胞外记录电位的分析着重于放电数目，一般不去比较放电幅度的大小。根据所用电极的不同，细胞外可记录到峰电位Spike（微电极）和场电位（大电极）。
脑电图 (Electroencephalography, EEG)
人类或脊椎动物在安静情况下，即使没有任何特定刺激，在脑表面也能记录到持续节律性的电位变化，这种电位变化称为脑的自发电活动或脑电图。头皮脑电图（EEG）由单个电极记录头皮表面的电活动，记录到的是电极下细胞群的局部场电位 (LFP)，一定面积上集成信号。在EEG记录电极下的细胞群，每个神经元都有放电反应，如果放电间隔不规律，神经元的反应不同步，电极检测到的总活动幅度则较小；如果每个神经元的放电在一个狭窄的时间窗口内激发，使得神经元的反应同步，得到的EEG总和会大得多。
根据脑电波的特性，大致分5种，Delta, Theta, Alpha, Beta 和 Gamma，不同种类的脑电波都有其独特的运作模式，跟我们的行为、思考、感知都是密切相关的，虽然脑电波是自发的，但正是我们自己与脑电波同步振荡才共同决定了我们应对压力、理性与非理性思维、管理等方面的能力。当我们周身的生理、饮食或环境导致某种脑波的过度或者不足，就会改变我们身体的平衡，诱发许多负面影响，例如失眠、愤怒、压力、认知困难或焦虑。越来越多的研究表明脑电波或许是一种“移动波”，就像大海中滔滔不绝的波浪一样。所以我们不能以增加或减少某个特定波浪为目标，而是要通过优化大脑以此达到相对的平衡。
1.alpha波：一般会在人处于放松、平静但清醒的状态时，容易观察得到：
2.Beta波：在人处于思考状态、活动状态或者是集中精神的时候，容易观察到，一般被认为是大脑兴奋时出现的波形：
3.Theta波：在人处于困倦的状态时出现，频率较低：
4.Delta波：在人处于深度睡眠时会出现，频率最低：
5.Gamma波：在大脑进行某个认知任务时，将以前不曾连接在一起的神经元联系在一起而创造一个全新工作环路时---通俗理解，就是在创造性思考时，突然出现创意和想法的“啊哈！”的时刻，就可以观察到gamma波：
除了这些规律的波形之外，一些无规律地突然升高，可能会代表一些大脑的异常放电状态，比如说在有癫痫或者抽搐这类疾病人群的脑电图会看到。如尖波、棘波、尖慢波、棘慢波等。
肌电图（Electromyogram, EMG）
是记录肌肉活动时的动作电位，是测定整个运动系统功能的一种方法。临床及科研中可用来判定神经、肌肉所处的功能状态，即骨骼肌纤维受神经支配的状况，以及神经肌纤维本身的状态，有助于对运动神经、肌肉疾患的诊断，和相关药物的疗效评估。
心电图（Electrocardiograph, ECG）
心电图（ECG）是利用心电图机从体表记录心脏每一心动周期所产生的电活动变化图形。对心电图进行分析便可以判断受检人的心跳是否规则、有否心脏肥大、有否心肌梗塞、房颤、窦性心律过缓或者过速等疾病。
眼电图（Electro-oculogram, EOG)
眼电图是测量在视网膜色素上皮和光感受器细胞之间存在的视网膜静电位。EOG可诊断视网膜色素上皮营养不良，视网膜毒性，与睡眠障碍有关的疾病，如发作性睡病、阻塞性睡眠呼吸暂停综合症或 REM 阶段的睡眠行为障碍等。
细胞内记录（Intracellular Recording）
细胞内记录是在膜两侧各置一个电极形成一个回路，记录膜电位（membrane potential）：EPSP, IPSP, AP。还可以同时向记录电极中充灌染料、携带荧光蛋白的病毒等，在记录结束后注入到所记录的细胞内，以观察此细胞的形态特征、投射部位或所处的神经环路。
相对于细胞内记录技术，细胞外信号记录具有三大优势：
2.能够同时得到局部场电位LFP，它主要来自电极附近局部区域的神经元突触活动的总和，表征了区域内多个神经元协同工作的信息；3. 可以由单电极拓展到多通道的电极阵列 ( Multi-electrode array , MEA )，因此可以同时记录到大脑同一功能区块中的不同区域、不同深度的多个神经元峰电位的发放。通过研究多个神经元在某一时刻的活动，能够更好地了解神经网络的结构、连接；同时，也可以通过刺激特定的神经元，来观察神经网络中其他神经元的响应。
在体多通道电生理技术
在体多通道电生理记录技术，是动物在更接近自然的状态下利用细胞外记录方法观察不同中枢的电活动，来监测神经元群的同步电活动。这一方法可以同步记录多个脑区的大量神经元的电活动，便于研究个体在接受某一感觉刺激或执行特定行为任务时，不同脑区的神经元放电在时间和空间上的联系，进而通过分析神经元的放电模式来研究大脑对外部事物的编码机制。在体多通道电生理记录分麻醉在体记录和清醒动物在体记录。
图6. 在体多通道记录
植入式遥测记录技术
美国DSI公司生产的植入式生理信号无线遥测系统用于长时间测量清醒无束缚的大小鼠等动物的心电、脑电、体温和血压等生理参数。使用此系统可以保证动物在笼内自由活动，不需要麻醉或束缚，这样测量到的生理信号更能反映自然状态下的动物生理状况。
图7. 植入式遥测EEG
膜片钳
细胞的跨膜电流是通过膜上的离子通道流动的。离子通道是细胞内部与外部环境联系的通道，是神经、肌肉和其他组织兴奋性和生物电的基础。单个通道开放时所流过的离子流的速度可增加14个数量级，离子转运的速率可达109个/s，此时所能转移的离子电流量只相当于几个PA。而通常细胞内微电极测量电流时所伴有的背景噪声却至少为100皮安。这种显然极负的信噪比几乎构成了以单个通道为目标的电生理学测量的不可逾越的屏障。1976年德国物理学家Neher内尔和Sakmann萨克曼建立了膜片钳技术，巧妙解决了这一难题。该技术通过将玻璃微电极和只含1-3个离子通道，面积为几平方微米范围的细胞膜通过负压进行吸引封接。由于电极尖端与细胞膜的高阻抗封接，使电极尖端所吸引的小片细胞膜与其周围在电学上分隔，因此膜片上通道开放所产生的电流可流进玻璃微电极，在此基础上固定电压再对此膜片上离子通道的离子电流进行监测记录。在膜片钳技术的发展过程中，主要形成了四种记录模式：
细胞贴附模式 ( cell-attached mode )
全细胞膜模式 (whole-cell mode)
膜内面向外模式 ( inside-out mode )
膜外面向内模式 ( outside-out mode )
图8. 膜片钳记录模式
当玻璃电极与细胞简单接触，造成低电阻密封时，给吸管内以负压吸引，吸管与细胞膜形成高阻抗封接，这时直接对膜片进行钳制，高分辨测量膜电流，这种方式称为细胞贴附式。其优点在于不需要灌流，细胞质及调控系统完整，可在正常离子环境中研究递质和电压激活的单通道活动，但是它不能人为直接地控制细胞内环境条件，不能确切测定膜片上的实效电位。
在形成高阻封接后，如进一步在吸管内施加脉冲式的负压或加一定的电脉冲，使吸管中的膜片破裂，吸管内的溶液与细胞内液导通。由于吸管本身的电阻很低，这时可形成常规全细胞模式或孔细胞模式（conventional whole-cell mode或hole cell mode）。其优点在于容易控制细胞内液成分，适合于小细胞的电压钳位，但全细胞记录的是许多通道的平均电流，须通过各种通道阻断剂来改变内部介质以分离电流，是当前细胞电生理研究中应用最广泛的一种模式。
在高阻抗封接后如向上提起电极，在微电极尖端可逐渐形成一封闭的囊泡，并与细胞脱离，将其短时间地暴露于空气，可使囊泡的外面破裂，与电极相连的膜片与整个细胞相分离，而形成膜内面向外的模式（inside-out mode）。此种构型下，能较容易改变细胞内的离子或物质浓度，也能把酶等直接加于膜的内侧面，因此适用于研究胞内激素对离子通道受体功能的调节。
如果从上述的全细胞模式将膜片微电极向上提起可得到切割分离的膜片，由于它的细胞膜外侧面面对膜片微电极腔内液，膜外面自然封闭而对外，所以这个模式被称为膜外面向外模式（outside-out mode）。此构型多用于研究细胞膜外侧受体控制的离子通道，研究腺苷酸环化酶、多磷酸磷脂酰肌醇激酶、蛋白激酶C等活动性变化，以及细胞膜上信使物质二酰甘油、花生四烯酸等对离子通道型受体功能的调节。
此外，在实验条件下，分离小块细胞膜片接触模拟状态下的膜内或膜外离子环境，从而可用来研究药物对电压和化学门控性通道的影响，从分子水平上解释药物的作用机制，也有助于研制开发特定的药物来作用于与某些疾病相关的离子通道，而产生最佳的治疗效果。
1.应用学科：神经（脑）科学、心血管科学、药理学、细胞生物学、病理生理学、中医药学、植物细胞生理学、运动生理等，药物研发、药物筛选:全自动膜片钳技术(自动化、高通量特性)
2.应用标本：从最早的肌细胞（心肌、平滑肌、骨骼肌)、神经元和内分泌细胞等发展到血细胞、肝细胞、耳窝毛细胞、胃壁细胞、上皮细胞、内皮细胞、免疫细胞、精母细胞等多种细胞；从急性分散细胞和培养细胞（包括细胞株）发展到组织片（如脑片、脊髓片）乃至整体动物；从蜗牛、青蛙、蝾螈、爪蟾卵母细胞发展到鸡细胞、大鼠细胞、人细胞等等；从动物细胞发展到细菌、真菌以及植物细胞；膜片钳技术还广泛地应用到平面双分子层（Planar bilayer）、脂质体（Liposome）等人工标本上。
离子通道（配体门控性、电压门控性、第二信使介导的离子通道、机械敏感性离子通道以及缝隙连接等）的研究
离子通道的特性研究：离子通道是细胞膜上的一种特殊整合蛋白，对某些离子（K+、Na+、Ca2+等）能选择通透，是细胞生物电活动的基础
离子特性：通透性（permeation）、选择性（selectivity）、门控性（gating）
离子通道的鉴别：利用膜片钳技术可对表达的离子通道进行定性和定量分析，为明确其电生理特性提供了基础。正在分化神经元的形态学发育与功能成熟并不完全同步。如果仅通过定性分析就假定神经干细胞来源的神经元和神经胶质细胞是充分分化和有功能的，而无电生理或其他功能性方面的研究证据，是很难令人信服的，因此，功能性的成熟尤为重要。
细胞膜特性研究：被动膜特性：膜静息电位、膜电阻、膜电容、膜时间常数
美国FDA规定，有关抗心率失常药物的申报必须有膜片钳的相关实验数据，膜片钳已成为抗心率失常药物筛选的金标准。Ⅲ类抗心率失常药物的寻找是当前心血管药物研究的重要方向，其作用特点是抑制瞬时外向钾电流、内相整流钾电流等多种钾离子通道，使动作电位时程（APD）延长，减慢兴奋的传导，降低心肌细胞兴奋性，从而发挥短期抗心律失常作用。各种K通道被抑制均可使APD延长，要单独观察药物对某一种钾电流的作用，并与其他K电流的影响相区别，普通的电生理实验是难以实现的，在这方面膜片钳有其独特的优越性。
突触后电流是神经元之间是否形成突触联系的特异性电生理指标。
神经干细胞移植已成为修复损伤或退行性病变的中枢神经系统的新的治疗手段，移植的干细胞要发挥治疗作用最根本的是要能和其他的正常的神经元发生功能性的联系。通过突触素及电镜的观察表明，神经干细胞和原代培养神经元体外共培养，二者能发生形态上的突触连接，通过记录突触后电流，证实二者也能发生功能性的联系，至于干细胞体内移植，他和其他神经元能否发生功能性的突触连接有待进一步研究。
长时程增强（LTP）是评价学习记忆及其突触可塑的常用的电生理指标。
海马脑片实验已经广泛用于学习记忆方面的研究，利用膜片钳技术记录脑片LTP，可在细胞水平研究学习记忆的机制。
研究结果大致可概括为，一些影响LTP的因素确实对学习研究过程产生明显的影响，一些影响学习过程的因素也影响LTP形成。诱导海马脑区的LTP形成可提高学习记忆活动，学习过程中伴有海马脑区LTP的形成。
离子通道结构和功能的异常可导致离子通道病，人类许多疾病都是由于各种离子通道的功能障碍所造成的，常常累及人体多个系统，目前已经发现至少有几十种离子通道参与离子通道疾病的发生。
药物发现是一个漫长而复杂的过程，需要经过多个阶段的筛选和评估才能推向市场。其中，电生理学技术成为了一个日益重要的工具，用于评估药物对于离子通道、受体和其他靶点的作用。在本文中，我们将介绍电生理学技术在药物转化中的应用，并探讨其在药物发现和临床治疗中的重要性。
高通量筛选是电生理学应用于药物转化的重要途径之一。自动化的电生理学平台可以快速地筛选大量的化合物库，以评估它们对离子通道和受体的作用。这种方法可以帮助研究人员快速地发现有潜力的药物候选物，从而推进后续的研究工作。
电生理学可以用于分析药物对于各种离子通道的影响。这可以为药物的安全性评估提供有价值的信息，并帮助研究人员设计具有更好选择性和较小副作用的药物。
电生理学技术可以帮助研究人员验证药物靶点，确认其功能并表征其性质。这可以促进研究人员开发专门针对某个受体或离子通道的药物。
电生理学在临床前评估中广泛应用，用于评估药物对神经元活动、突触传递和其他生理过程的影响。这些信息对于理解药物的潜在治疗效果和优化剂量方案至关重要。
电生理学技术在临床试验中越来越被广泛使用，用于评估药物对于人体的作用。例如，脑电图（EEG）可以用于监测脑电活动并评估抗抑郁药物的疗效。
总之，电生理学技术在药物发现和转化中起着至关重要的作用，为药物靶点、安全性和疗效提供了有价值的信息。随着技术的不断发展，我们可以期待更多的电生理学技术在药物转化中的应用，从而推动更多有效的药物
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希望与更多为CNS领域工作的伙伴们相识，瀚枢生物创立了多个中国CNS圈内的沟通体系，期待您的加入。
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