視覺神經(jīng)細(xì)胞電生理技術(shù)研究進(jìn)展

邢家銘 嚴(yán)興科 馬重兵 盛雪燕 朱田田 韓雅迪

神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)機(jī)體內(nèi)外環(huán)境的輸入和輸出信息是由神經(jīng)元的動(dòng)作電位（action potential，AP）所攜帶的〔1〕。 神經(jīng)電生理活動(dòng)是神經(jīng)細(xì)胞傳遞信息的主要方式，其波形、幅度、頻率不僅表達(dá)了單個(gè)神經(jīng)細(xì)胞本身的生理狀態(tài)，還攜帶了細(xì)胞群體之間溝通交互的相關(guān)信息〔2〕。神經(jīng)細(xì)胞電生理技術(shù)是對(duì)群體神經(jīng)細(xì)胞的電生理活動(dòng)進(jìn)行高精度、高通量、實(shí)時(shí)性檢測(cè)的技術(shù)，通過該技術(shù)可獲得神經(jīng)細(xì)胞狀態(tài)、功能及相互作用的機(jī)制，還可探索神經(jīng)元的反應(yīng)性和神經(jīng)元對(duì)信息的調(diào)節(jié)機(jī)制。神經(jīng)細(xì)胞電生理技術(shù)主要包括：膜片鉗技術(shù)（patch clamp recording technique，PCRT）和在體多通道微電極陣列神經(jīng)信號(hào)技術(shù)（In vivo multi-channel microelectrode array for neural signal recording technique，M-NEMEA）。這兩種技術(shù)都可以對(duì)神經(jīng)元群體開展全面、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、同步的電生理信號(hào)檢測(cè)，從而為進(jìn)一步揭示神經(jīng)信號(hào)的傳遞、編碼與解碼的本質(zhì)提供了技術(shù)上的支持〔3〕。但兩種技術(shù)各有自身的技術(shù)特點(diǎn)和使用范圍。膜片鉗技術(shù)對(duì)測(cè)試電極要求高，不利于長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)記錄；而在體多通道微電極陣列神經(jīng)信號(hào)技術(shù)是采用細(xì)胞外記錄的方法來檢測(cè)神經(jīng)元群的同步電活動(dòng)，可長(zhǎng)期無損檢測(cè)細(xì)胞電生理活動(dòng)，并通過高通量通道，把具有電活性細(xì)胞構(gòu)成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中獲得的數(shù)據(jù)傳輸出來〔4〕。目前，神經(jīng)細(xì)胞電生理技術(shù)已經(jīng)用于視覺機(jī)制的研究，取得了一些成果，現(xiàn)綜述如下。

1 細(xì)胞膜片鉗技術(shù)

1.1 PCRT起源及發(fā)展

膜片鉗技術(shù)是一種記錄通過離子通道的電流來反映細(xì)胞膜單一的或多個(gè)的離子通道分子活動(dòng)的技術(shù)。應(yīng)用膜片鉗技術(shù)可以直接觀察和分辨單離子通道電流及其開閉時(shí)程、區(qū)分離子通道的離子選擇性，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)新的離子通道及亞型，并能在記錄單細(xì)胞電流和全細(xì)胞電流的基礎(chǔ)上進(jìn)一步計(jì)算出細(xì)胞膜的通道數(shù)和開放概率，還可以研究某些胞內(nèi)或胞外物質(zhì)對(duì)離子通道開閉及離子通道電流的影響。該技術(shù)通過微電極與細(xì)胞膜之間形成緊密接觸的方法，采用電壓鉗或電流鉗對(duì)生物膜上離子通道的電活動(dòng)進(jìn)行微電技術(shù)的記錄。該技術(shù)經(jīng)過不斷的創(chuàng)新和發(fā)展，已成為研究神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)問題的最為主要的方法。

上世紀(jì)30年代美國(guó)生理學(xué)家Hyde發(fā)明了微電極，通過微電極來記錄細(xì)胞在電或化學(xué)的刺激下的電活動(dòng)。到40年代，以Hodgkin為代表的學(xué)術(shù)研究小組以槍烏賊的軸突為標(biāo)本進(jìn)行研究，在動(dòng)作電位領(lǐng)域，奠定了神經(jīng)信息的傳導(dǎo)理論的基礎(chǔ)。1957年以Cole和Hodgkin為代表的研究小組發(fā)展了微電極技術(shù)，創(chuàng)立了電壓鉗技術(shù)。此技術(shù)可以對(duì)神經(jīng)活動(dòng)中的相關(guān)離子活動(dòng)進(jìn)行精確地測(cè)量。膜片鉗技術(shù)于1976年被德國(guó)科學(xué)家 Neher和 SaKmann建立〔5〕，并且在 1981年得到了完善，從此對(duì)生命科學(xué)中電生理的研究起了巨大的推動(dòng)作用。這是人類首次記錄到的單通道的離子電流。1980年Sigworth 等在電極內(nèi)施加 5～50 cmH2O（1 cmH2O=0.098 kPa）的負(fù)壓吸引，實(shí)現(xiàn)了單根電極既鉗制膜片電位又記錄單通道電流的突破。 1981 年 Hamill、Marthy、Neher、Sakmann 和 Sigworth等五人在總結(jié)膜片鉗的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了重大改進(jìn)，并完善了游離膜片技術(shù)和全細(xì)胞記錄技術(shù)，從而使膜片鉗技術(shù)走向成熟。1983年10月，SaKmann和Neher主編的《Single-Channel Recording》一書問世，對(duì)當(dāng)時(shí)的膜片鉗技術(shù)進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的總結(jié)。從此奠定了膜片鉗技術(shù)的里程碑。1995年《Single-Channel Recording》一書再版，增添了大量膜片鉗技術(shù)的新內(nèi)容，成為目前膜片鉗技術(shù)研究領(lǐng)域的最經(jīng)典著作。

1.2 PCRT的技術(shù)特點(diǎn)

經(jīng)典PCRT作為目前研究細(xì)胞電生理的金標(biāo)準(zhǔn)，具有信息含量大，對(duì)細(xì)胞膜通道電流記錄的分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，研究人員將其應(yīng)用于離子通道離子的選擇性、動(dòng)力學(xué)行為、通道類型選擇性、記錄離子通道的數(shù)量和開放概率等方面的研究，在神經(jīng)科學(xué)的研究中發(fā)揮了重要的作用。但膜片鉗技術(shù)自身存在一些無法避免的缺點(diǎn)，例如每次操作只能針對(duì)單個(gè)細(xì)胞，通量低，不能對(duì)細(xì)胞之間以及整個(gè)細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)之間的通信進(jìn)行記錄，不能方便地對(duì)細(xì)胞內(nèi)液進(jìn)行換取。在測(cè)量時(shí)，因?yàn)橥ǖ辣磉_(dá)的不足而引起測(cè)量數(shù)據(jù)的不同，需反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對(duì)操作者操作技術(shù)要求高，要求技術(shù)人員操作時(shí)十分謹(jǐn)慎，在顯微鏡下手動(dòng)完成吸附、加液、換藥、測(cè)量等一系列工作〔6〕。

1.3 PCRT在視神經(jīng)細(xì)胞的研究及應(yīng)用

隨著腦膜片鉗技術(shù)的發(fā)展成熟，80年代后，研究人員將該技術(shù)應(yīng)用于視皮層發(fā)育可塑性方面的研究。利用該技術(shù)，人們發(fā)現(xiàn)了突觸傳遞的長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)（long-term potentiation，LTP）現(xiàn)象，即對(duì)突觸的傳入纖維予某種特殊形式的電刺激后，突觸傳遞的效能即在數(shù)秒內(nèi)增強(qiáng)，并且這種增強(qiáng)效果可以維持?jǐn)?shù)小時(shí)到數(shù)周。裘晟等〔7〕由此解釋視皮層功能柱的增寬和眼柱優(yōu)勢(shì)的漂移現(xiàn)象，并通過LTP的誘發(fā)率衡量視皮層的可塑性，誘發(fā)率高則說明視皮層可塑性強(qiáng)，誘發(fā)率低則說明其可塑性低。王宗華等〔8〕采用視網(wǎng)膜切片膜片鉗全細(xì)胞記錄技術(shù)，獲得了7～30 d Wistar大鼠視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的膜片鉗全細(xì)胞記錄。發(fā)現(xiàn)Wistar大鼠隨著發(fā)育，視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（RGCs）發(fā)生了明顯的變化，表現(xiàn)為興奮性提高，睜眼前組和睜眼后組差異顯著。去極化脈沖誘發(fā)其產(chǎn)生的動(dòng)作電位有3種形式：?jiǎn)畏逍汀⑺沧冃?、持續(xù)型。伴隨著視覺的發(fā)育，單峰型逐漸減少，持續(xù)型逐漸增加，在細(xì)胞成熟時(shí)只可見到瞬變型和持續(xù)型。表明，隨著發(fā)育，Wistar大鼠睜眼后的形覺刺激可促進(jìn)RGCs膜學(xué)特性的成熟，并且膜學(xué)特性和年齡變化有密切的關(guān)系。曾玉曉等〔9〕采用出生后0 d Long Evans大鼠，取 RGCs細(xì)胞，分別于培養(yǎng)后第1天、第4天、第7天3個(gè)時(shí)間點(diǎn)觀察細(xì)胞形態(tài)，并行膜片鉗全細(xì)胞記錄研究其靜息膜電位（resting membrane potential,RMP）和動(dòng)作電位（AP）的閾值、幅度及波寬。結(jié)果顯示，培養(yǎng)1 d的RGCs不易誘發(fā)AP，多數(shù)細(xì)胞需要增加刺激強(qiáng)度后方可誘發(fā)AP，培養(yǎng)4 d時(shí)絕大多數(shù)RGCs給予20 pA的刺激即可誘發(fā)AP；培養(yǎng)7 d時(shí)，雖然容易誘發(fā)AP，但由于此時(shí)細(xì)胞存活狀態(tài)較差，部分細(xì)胞給予不同強(qiáng)度的刺激，均不能誘發(fā)出AP。從而表明RGCs形態(tài)和功能的最佳培養(yǎng)時(shí)期為出生后第4天。涂婭莉等〔10〕采用腦片膜片鉗全細(xì)胞記錄技術(shù)和細(xì)胞內(nèi)生物素標(biāo)記相結(jié)合的方法，對(duì)大鼠不同發(fā)育階段視皮層神經(jīng)元電生理與形態(tài)學(xué)的特性進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)主要觀察神經(jīng)元電生理和形態(tài)學(xué)特性的變化與年齡的同步化程度，結(jié)果表明，在大鼠的視覺發(fā)育過程中，視皮層神經(jīng)元功能的成熟表現(xiàn)為形覺刺激以及局部神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的整合作用下的視覺依賴性突觸的形成和重新分布。在視覺發(fā)育可塑性的關(guān)鍵期內(nèi)，視皮層神經(jīng)元形態(tài)和電生理特性的變化與年齡的同步化程度大于皮層下結(jié)構(gòu)。高朋芬等〔11〕用膜片鉗全細(xì)胞記錄法研究大鼠視覺發(fā)育可塑性關(guān)鍵期內(nèi)視皮層LTP與大鼠年齡及視覺經(jīng)驗(yàn)的關(guān)系，研究視覺經(jīng)驗(yàn)依賴性可塑性的突觸機(jī)制和細(xì)胞機(jī)制，結(jié)果表明：①視皮層LTP反映了生理狀態(tài)下視皮層經(jīng)驗(yàn)依賴性可塑性。睜眼前視皮層大多數(shù)突觸的可塑性處于潛伏狀態(tài)，而睜眼后形覺刺激激發(fā)了視皮層突觸的可塑性。②大鼠視覺發(fā)育可塑性關(guān)鍵期內(nèi)低頻刺激視皮層Ⅳ層伴隨突觸后去極化所誘發(fā)的LTP是NMDA受體依賴性的，但視皮層Ⅳ層水平聯(lián)系突觸中存在不被100 μmol/LAPV阻斷的LTP。王昌鵬等〔12〕采用膜片鉗全細(xì)胞記錄技術(shù)對(duì)視覺發(fā)育可塑性關(guān)鍵期終止前后，正常大鼠視皮層α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸（AMPA）受體介導(dǎo)的興奮性突觸后電流進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)視覺發(fā)育可塑性關(guān)鍵期從高峰到成年階段，大鼠視皮層神經(jīng)元被動(dòng)膜學(xué)特性無明顯變化，AMPA受體電流幅值隨發(fā)育逐漸增加，關(guān)鍵期終止時(shí)達(dá)頂峰；突觸后AMPA受體的功能變化可能參與了視覺發(fā)育可塑性關(guān)鍵期的終止過程。金洲等〔13〕采用膜片鉗全細(xì)胞記錄的方法研究Sprague-Dawley（SD）大鼠初級(jí)視皮層第Ⅱ/Ⅲ層內(nèi)部側(cè)向突觸聯(lián)系可塑性發(fā)育變化的動(dòng)態(tài)過程。采用Pairing Stimulation的方法，分別在初級(jí)視皮層第Ⅱ/Ⅲ層和第Ⅳ對(duì)位于第Ⅱ/Ⅲ層的神經(jīng)元進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)效應(yīng)的誘導(dǎo)，結(jié)果表明水平方向的突觸聯(lián)系強(qiáng)度和水平方向的輸入對(duì)垂直方向的突觸聯(lián)系的作用都受到發(fā)育的調(diào)控。第Ⅱ/Ⅲ層內(nèi)部水平輸入對(duì)于垂直方向的輸入具有雙重作用，這種雙重作用可能涉及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形成過程中競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，也可能涉及視覺功能柱的形成。孟凱等〔14〕采用膜片鉗全細(xì)胞記錄結(jié)合顯微鏡直視細(xì)胞技術(shù)研究生后早期大鼠視皮層Ⅱ/Ⅲ層椎體神經(jīng)元的電生理特性，研究出生后早期大鼠視皮層Ⅱ/Ⅲ層椎體神經(jīng)元的被動(dòng)和主動(dòng)電學(xué)特性及動(dòng)作電位的發(fā)放特征，結(jié)果表明：出生后11～13 d大鼠視皮層的椎體神經(jīng)元的電學(xué)特性與成年大鼠不完全相同，大多數(shù)神經(jīng)元表現(xiàn)出規(guī)則放電形式，但放電頻率的適應(yīng)程度小。秦偉等〔15〕采用膜片鉗全細(xì)胞記錄技術(shù)記錄出生后14、21、28 d正常、雙眼形覺剝奪和去除剝奪大鼠視皮層神經(jīng)元興奮性突觸后電流。發(fā)現(xiàn)，視覺發(fā)育可塑性關(guān)鍵期內(nèi)，視覺經(jīng)驗(yàn)可調(diào)制視皮層神經(jīng)元的突觸可塑性，隨著視覺的發(fā)育，正常大鼠視皮層神經(jīng)元的γ-氨基丁酸受體介導(dǎo)的抑制性突觸傳遞增強(qiáng)，雙眼形覺剝奪抑制在恢復(fù)視覺輸入后可以逆轉(zhuǎn)〔16〕。 邢詠新等〔17〕對(duì) Wistar大鼠睜眼前初級(jí)視皮層2/3層椎體神經(jīng)元突觸AMPA介導(dǎo)的微小興奮性突觸后電流（mEPSCs）的測(cè)定分析，采用紅外可視膜片鉗技術(shù)研究突觸自身穩(wěn)態(tài)可塑性在生后早期初級(jí)視皮層的作用特點(diǎn)。結(jié)果顯示，大鼠初級(jí)視皮層2/3層椎體神經(jīng)元介導(dǎo)的mEPSCs的波幅成上升趨勢(shì)。從而表明在大鼠睜眼前初級(jí)視皮層2/3層椎體神經(jīng)元存在突觸自身穩(wěn)態(tài)可塑性調(diào)節(jié)機(jī)制，其作用特點(diǎn)不同于睜眼后。范惠民等〔18〕對(duì)正常組和雙眼形覺剝奪組的61只Wistar大鼠制作腦片并獲得膜片鉗全細(xì)胞記錄，研究形覺剝奪對(duì)發(fā)育過程中視皮層神經(jīng)元突觸電生理的影響，結(jié)果雙眼形覺剝奪組和正常組相比，輸出抗阻顯著增高（P＜0.01），靜息電位較為去極化（P＜0.01），興奮性突觸后電流（EPSCs）峰值顯著降低（P＜0.01），從而表明雙眼形覺剝奪可在一定程度上影響神經(jīng)元的突觸傳導(dǎo)功能。張衛(wèi)鵬等〔19〕應(yīng)用膜片鉗全細(xì)胞記錄技術(shù)，研究發(fā)育期大鼠視皮層突觸功能活動(dòng)及發(fā)育期大鼠視皮層脈沖時(shí)間依賴的突觸可塑性、視皮層經(jīng)驗(yàn)依賴的可塑性、視覺經(jīng)驗(yàn)在視皮層神經(jīng)元突觸發(fā)育過程的作用，以及異常視覺經(jīng)驗(yàn)狀態(tài)下視皮層突觸功能狀態(tài)的改變。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：生后早期視皮層2/3層神經(jīng)元及突觸發(fā)育處于相對(duì)不成熟狀態(tài)，隨著發(fā)育成熟，視覺經(jīng)驗(yàn)在這一過程中起了關(guān)鍵作用；突觸傳遞效能的變化依賴于突觸前后的聯(lián)合脈沖刺激，脈沖時(shí)間前與后的順序設(shè)定決定了突觸傳遞效能的變化方向；外界視覺經(jīng)驗(yàn)異常或受到干擾時(shí)，可影響視皮質(zhì)神經(jīng)元信息呈遞，下降的信息傳遞可能間接影響了高級(jí)中樞的信息整合，但發(fā)育期雙眼剝奪的視皮層神經(jīng)元突觸可塑性并不比健康組降低反而提高。

2 在體多通道微電極陣列神經(jīng)細(xì)胞信號(hào)采集技術(shù)

2.1 M-NEMEA的起源及發(fā)展

在體多通道同步記錄技術(shù)是采用細(xì)胞外記錄的方法來檢測(cè)神經(jīng)元群的同步電活動(dòng)。該系統(tǒng)包括微電極陣列、數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)。應(yīng)用這一技術(shù)可同步記錄多個(gè)腦區(qū)的大量神經(jīng)元的電活動(dòng)，研究不同腦區(qū)的神經(jīng)元放電在時(shí)間和空間上的聯(lián)系，進(jìn)而通過分析神經(jīng)元的放電模式來研究大腦對(duì)外部事件的編碼機(jī)制〔20〕。

多通道在體記錄技術(shù)，能在自由活動(dòng)的動(dòng)物腦內(nèi)，觀察和記錄大腦局部區(qū)域幾十個(gè)、上百乃至上千個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)狀況，是目前作為分析群體神經(jīng)元在網(wǎng)絡(luò)水平編碼機(jī)制的有效工具〔21〕。John C Lilly在1949年采用多電極陣列植入的方法研究靈長(zhǎng)類的行為和神經(jīng)元的放電關(guān)系，利用了25個(gè)微電極記錄到了610個(gè)神經(jīng)元的放電〔22〕。在20世紀(jì)中期，研究人員用毛細(xì)玻璃管拉制了玻璃微電極。玻璃微電極的發(fā)明，使研究者可以將電極尖端插入神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)，記錄細(xì)胞體或軸突、樹突內(nèi)的電位變化，推動(dòng)了神經(jīng)電生理學(xué)細(xì)胞水平的研究。20世紀(jì)70年代末和80年代初，計(jì)算機(jī)被引入神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，多通道技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。除了毛玻璃管電極外，研究者采用絕緣的金屬絲制作電極，將其植入大腦組織，每個(gè)暴露的金屬絲尖端可以記錄多個(gè)動(dòng)作電位，一束金屬絲可以同時(shí)記錄大量單細(xì)胞動(dòng)作電位，金屬絲做為電極一直沿用至今，作為研究細(xì)胞外動(dòng)作電位檢查的主要方法。但金屬絲制作方法復(fù)雜，不易操作，質(zhì)量也難以得到保障。近年來，以半導(dǎo)體硅為材料的多記錄點(diǎn)位電極陣列技術(shù)得到迅速發(fā)展，解決了金屬電極產(chǎn)品成功率低和重復(fù)性低的問題。該電極具有體積小、記錄點(diǎn)多、結(jié)構(gòu)形式多樣化、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，將該電極植入大腦組織后，對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的損傷小并可同時(shí)記錄上百個(gè)記錄點(diǎn)的場(chǎng)電位和神經(jīng)細(xì)胞的動(dòng)作電位。該電極已成功應(yīng)用于神經(jīng)電生理的研究中〔23〕。

2.2 M-NEMEA的技術(shù)特點(diǎn)

M-NEMEA通過離體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)的多通道電生理同步檢測(cè)的方法，可研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)群體特征的電生理特性，是目前研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)育和功能特征的重要方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和微加工技術(shù)的提高，微電極陣列技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于離體培養(yǎng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)放電模式的檢測(cè)中，從而為研究神經(jīng)突觸的可塑性，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能連接的形成與再生，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)育的規(guī)律及生理節(jié)律提供了技術(shù)支持和保障。目前用于體外神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電生理檢測(cè)的微電極陣列及多通道電生理檢測(cè)系統(tǒng)多購(gòu)自國(guó)外廠家，具有軟件操作界面人性化，系統(tǒng)做工精良，系統(tǒng)穩(wěn)定，處理功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，但也存在不足。例如購(gòu)買價(jià)格昂貴；易損耗，微電極陣列（microelectrode array,MEA）重復(fù)利用率低，多次使用后，表面電極材料會(huì)被損耗，影響信號(hào)記錄；商業(yè)化系統(tǒng)的功能相對(duì)固定，不易進(jìn)一步升級(jí)，不能完全滿足實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)需求〔24〕。

2.3 M-NEMEA在視神經(jīng)細(xì)胞的研究及應(yīng)用

M-NEMEA作為細(xì)胞外記錄的方法，通過對(duì)神經(jīng)元群同步電活動(dòng)的檢測(cè)，可以同時(shí)采集大量細(xì)胞的動(dòng)作電位的詳細(xì)信息，從而為研究大腦神經(jīng)細(xì)胞及細(xì)胞之間相互作用提供了重要的技術(shù)支持〔23〕，具有重要的意義。 Tusa 等〔25〕人利用微電極細(xì)胞外記錄的方法對(duì)貓初級(jí)視皮層感受野進(jìn)行系統(tǒng)的繪測(cè)，繪制出皮層17區(qū)和視野的拓?fù)鋵?duì)應(yīng)關(guān)系圖。陳昕等〔26〕采用玻璃微電極在貓的初級(jí)視皮層17區(qū)進(jìn)行細(xì)胞外記錄，并結(jié)合光學(xué)成像法定位貓初級(jí)視皮層17區(qū)不同部位的視野拓?fù)涞碾x心度，結(jié)果表明神經(jīng)元的感受野的離心度與光學(xué)記錄到的結(jié)果十分接近，從而為大面積確定皮層細(xì)胞感受野在視野中的位置提供了快速和較準(zhǔn)確的方法。史學(xué)鋒等〔27〕采用微電極陣列神經(jīng)細(xì)胞信號(hào)采集技術(shù)對(duì)斜視性弱視貓行細(xì)胞電生理檢測(cè)，觀察視皮層21a區(qū)神經(jīng)細(xì)胞眼優(yōu)勢(shì)的相關(guān)變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與正常組相比，模型組21a雙眼細(xì)胞比例明顯下降，在紋外視皮層斜視性弱視的病理不足更為明顯，神經(jīng)細(xì)胞眼優(yōu)勢(shì)明顯轉(zhuǎn)移至正常眼。姚軍平等〔28〕用微電極陣列神經(jīng)細(xì)胞信號(hào)采集技術(shù)檢測(cè)22 d正常大鼠（Long Evans大鼠，下同）、22 d單眼剝奪大鼠、100 d正常大鼠、100 d單眼剝奪大鼠眼優(yōu)勢(shì)柱的分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)22 d正常大鼠、100 d正常大鼠、100 d單眼剝奪大鼠視皮層眼優(yōu)勢(shì)柱分布為對(duì)側(cè)眼優(yōu)勢(shì)，22 d單眼剝奪大鼠視皮層眼優(yōu)勢(shì)柱分布為同側(cè)眼優(yōu)勢(shì)，表明正常視覺環(huán)境下發(fā)育的Long Evans大鼠，眼優(yōu)勢(shì)柱分布為對(duì)側(cè)眼優(yōu)勢(shì)，其在幼年期視皮層具有可塑性，在異常的視覺環(huán)境下可影響其眼優(yōu)勢(shì)柱的分布；而在成年時(shí)，Long Evans大鼠視覺可塑性終止，異常的環(huán)境不能影響其眼優(yōu)勢(shì)柱的分布。劉虎等〔29〕用微電極陣列神經(jīng)細(xì)胞信號(hào)采集技術(shù)檢測(cè)斜視性弱視貓紋狀皮層細(xì)胞功能和放電水平，結(jié)果發(fā)現(xiàn)較正常組相比，模型組皮層細(xì)胞數(shù)量明顯減少，眼優(yōu)勢(shì)未轉(zhuǎn)移；模型組與正常眼相比眼驅(qū)使皮層細(xì)胞的高端截止空間和最優(yōu)勢(shì)空間頻率顯著下降，表明驅(qū)使皮層細(xì)胞的空間特性和兩眼拮抗作用是導(dǎo)致斜視性弱視的原因之一。謝芳等〔30〕用微電極陣列神經(jīng)細(xì)胞信號(hào)采集技術(shù)記錄幼貓初級(jí)視皮層V1區(qū)峰電位信號(hào)和場(chǎng)電位信號(hào)，觀察眼優(yōu)勢(shì)指數(shù)的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)場(chǎng)電位和鋒電位的眼優(yōu)勢(shì)指數(shù)呈正相關(guān)，表明雙眼視刺激的平衡程度直接影響神經(jīng)元的整合作用。徐鵬景等〔31〕通過在體胞外記錄的方法研究視覺系統(tǒng)中二階信號(hào)和一階信號(hào)是由相同還是不同的通路來完成的。發(fā)現(xiàn)大多數(shù)膝外體細(xì)胞對(duì)二階信號(hào)存在調(diào)制反應(yīng)，但反應(yīng)強(qiáng)度低于一階信號(hào)，并且二階信號(hào)反應(yīng)中的非線性成分與線性成分的比值高于一階信號(hào)反應(yīng)，表明貓外膝體上一階信號(hào)和二階信號(hào)的處理可能是由兩類不同的傳遞通路來完成的。

丁娟等〔32〕將健康Wistar大鼠48只分2組進(jìn)行不同目的研究。第一組健康Wistar大鼠24只分為4組，每組6只，除正常組外，其余各組在出生后14（P14）天制作右眼單眼形覺（MD）模型。采用細(xì)胞外記錄技術(shù)觀察各組視皮質(zhì)II/III層突觸傳遞LTP誘發(fā)率，以及各組在高頻刺激（HFS）刺激后，興奮性突觸后電位（EPSP）及群峰電位的變化。結(jié)果表明，①各視皮質(zhì)II/III層LTP誘發(fā)率正常P45天組最高（5/6），最低的為MDP90天組。②高頻刺激后EPSP斜率和群峰電位（PS）幅值不同時(shí)段與基礎(chǔ)突觸傳遞水平的比較：EPSP斜率和PS幅值在正常P45天組、正常P90天組HFS后0、30、60 min提高顯著（P＜0.01）。 同一時(shí)間點(diǎn)比較，HFS 后 30、60 min 各組 EPSP斜率以及PS幅值與基礎(chǔ)值之比，組間比較具有顯著性差異（P＜0.01）。從而表明大鼠皮質(zhì)LTP誘發(fā)呈視覺依賴性，MD可降低剝奪眼對(duì)側(cè)視皮質(zhì)LTP誘發(fā)率；EPSP斜率，PS幅值對(duì)高頻刺激的反應(yīng)受年齡和異常視覺經(jīng)驗(yàn)影響，年齡越大，以及視覺經(jīng)驗(yàn)的異常（單眼形覺剝奪）會(huì)降低視皮質(zhì)對(duì)高頻刺激的反應(yīng)。第二組仍采用細(xì)胞外記錄技術(shù)觀察各組注藥后10、30、60、90 min對(duì)基礎(chǔ)突觸傳遞水平的影響。給藥90 min后，給予視皮層質(zhì)Ⅳ層高頻刺激，觀察藥物對(duì)視皮質(zhì)Ⅱ/Ⅲ層LTP誘導(dǎo)的影響。結(jié)果表明：①不同濃度天然藥物A對(duì)基礎(chǔ)突觸傳遞水平的影響：在MD對(duì)照組和正常組側(cè)腦室給予人工腦脊液（ACSF）后 10、30、60、90 min EPSP 斜率和 PS 幅值并無明顯變化，天然藥物A隨給藥時(shí)間延長(zhǎng)能提高EPSP斜率和幅值，高劑量組更具有顯著性。②天然藥物A對(duì)高頻刺激誘導(dǎo)的Ⅱ/Ⅲ層LTP的影響：HFS 30、60 min后，EPSP斜率和PS幅值 MD高、低劑量給藥組、正常組高于 MD對(duì)照組（P＜0.01）。從而表明：天然藥物A側(cè)腦室注藥能提高M(jìn)D成年大鼠視皮質(zhì)Ⅱ/Ⅲ層基礎(chǔ)突觸傳遞水平，增強(qiáng)EPSP以及PS幅值，呈劑量依賴性加強(qiáng)HFS對(duì)視皮質(zhì)Ⅱ/ⅢLTP的誘導(dǎo)，提高突觸傳遞效能。

3 結(jié)語

神經(jīng)細(xì)胞電生理技術(shù)的出現(xiàn)使得高度并行的、自動(dòng)化的離子通道研究成為可能，它可多點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)信號(hào)的測(cè)量，并結(jié)合多種測(cè)量技術(shù)研究細(xì)胞的電生理特性。目前，微電極神經(jīng)信號(hào)技術(shù)已經(jīng)能夠揭示視皮層功能的增寬和眼優(yōu)勢(shì)柱的漂移現(xiàn)象，為形覺刺激促進(jìn)視網(wǎng)膜神經(jīng)細(xì)胞膜學(xué)特性成熟提供依據(jù)。神經(jīng)細(xì)胞電生理技術(shù)的應(yīng)用為視覺中樞傳導(dǎo)機(jī)制的研究提供了一種具有開發(fā)潛力的有效方法，并將促進(jìn)視覺功能的修復(fù)和仿生視覺技術(shù)的快速發(fā)展。

M-NEMEA具有微型化、動(dòng)態(tài)化、多參數(shù)和實(shí)時(shí)無損檢測(cè)的特點(diǎn)，該技術(shù)與PCRT結(jié)合測(cè)量，同時(shí)對(duì)視神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)外情況進(jìn)行有效分析，有助于科研人員更好地研究視覺中樞。將兩種技術(shù)相結(jié)合，通過雙通道膜片鉗記錄與分析神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)外的電信號(hào)將對(duì)神經(jīng)細(xì)胞電信號(hào)的研究起到重要作用。該技術(shù)在視覺中樞的基礎(chǔ)研究、視覺中樞相關(guān)疾病研究方面具有廣闊的前景。但現(xiàn)在關(guān)于神經(jīng)電生理技術(shù)在視覺中樞的研究及應(yīng)用相對(duì)比較少，還不能從更深的層次，更直觀地解釋視覺中樞的相關(guān)問題，例如在多通道神經(jīng)細(xì)胞電信號(hào)檢測(cè)時(shí)動(dòng)作電位的發(fā)放頻率、發(fā)放時(shí)間、影響因素等，都將成為進(jìn)一步研究的熱點(diǎn)。

[1]成波.極低頻磁場(chǎng)發(fā)生器的開發(fā)及其在神經(jīng)細(xì)胞電生理特性研究中的應(yīng)用[D].武漢：華中科技大學(xué)，2007.

[2]宋軼琳，林楠森，姜紅，等.納米鉑黑修飾微電極陣列在神經(jīng)電生理檢測(cè)中的應(yīng)用研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)：醫(yī)學(xué)版，2011，30（1）：29-32.

[3]林楠森，宋軼琳，劉春秀，等.神經(jīng)電生理微電極陣列檢測(cè)系統(tǒng)研制[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2011，33（8）：2028-2032.

[4]徐瑩，劉清君，蔡華，等.微電極陣列細(xì)胞傳感器芯片技術(shù)的研究進(jìn)展[J].國(guó)際生物醫(yī)學(xué)工程雜志，2006，29（3）：161-166.

[5]賀秉軍，劉東波，王勇，等.敏感及抗性棉鈴蟲不同齡期幼蟲神經(jīng)細(xì)胞Na+通道電生理特性的比較研究[J].南開大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，37（4）：111-114.

[6]陳培華，張威，周俊，等.膜片鉗芯片技術(shù)及其在細(xì)胞電生理分析中的研究進(jìn)展[J].自然科學(xué)進(jìn)展，2007，17（12）：1601-1608.

[7]裘晟，董軍.中藥治療老年性癡呆的電生理學(xué)研究進(jìn)展[J].中國(guó)老年學(xué)雜志，2006，26（10）：1443-1445.

[8]王宗華，陰正勤，王仕軍，等.大鼠發(fā)育過程中視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的膜學(xué)特性[J].第三軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，25（21）：1936-1939.

[9]曾玉曉，陳中山，王仕軍，等.培養(yǎng)大鼠視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的形態(tài)學(xué)與電生理學(xué)特性[J].眼科新進(jìn)展，2006，26（3）：171-175.

[10]涂婭莉，劉應(yīng)兵，張莉，等.大鼠視皮層神經(jīng)元電生理和形態(tài)學(xué)特性在發(fā)育中的變化[J].生理學(xué)報(bào)，2003，55（2）：206-212.

[11]高朋芬，陰正勤，劉應(yīng)兵，等.大鼠視覺發(fā)育可塑性關(guān)鍵期視皮層LTP 的研究[J].中國(guó)神經(jīng)科學(xué)雜志，2002，18（4）：699-703.

[12]王昌鵬，陰正勤，秦偉，等.大鼠視覺發(fā)育可塑性關(guān)鍵期終止前后視皮層神經(jīng)元AMPA受體GluR2亞基表達(dá)的變化[J].眼科新進(jìn)展，2008，28（7）：481-485.

[13]金洲，蔡一平，李東升，等.大鼠初級(jí)視皮層第Ⅱ/Ⅲ層側(cè)向突觸聯(lián)系長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)的發(fā)育調(diào)控[J].生理學(xué)報(bào)，2009（5）：458-468.

[14]孟凱，李延海，謝雯，等.生后早期大鼠視皮層錐體神經(jīng)元的電學(xué)特性[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)：醫(yī)學(xué)版，2010，31（5）：539-543，54.

[15]秦偉，陰正勤，王仕軍，等.雙眼形覺剝奪對(duì)大鼠視皮層神經(jīng)元γ-氨基丁酸電流的影響[J].中華眼科雜志，2005，41（1）：37-40.

[16]雷迅文，曾貴峰，李曉林.弱視的基礎(chǔ)與臨床的研究進(jìn)展[J].眼視光學(xué)雜志，2008，10（4）：318-320.

[17]邢詠新，趙堪興.大鼠睜眼前初級(jí)視皮層2/3層錐體神經(jīng)元突觸自身穩(wěn)態(tài)可塑性的變化特征[J].中國(guó)病理生理雜志，2009，25（6）：1192-1196.

[18]范惠民，陰正勤，高朋芬，等.雙眼形覺剝奪對(duì)大鼠視皮層神經(jīng)元電生理特性的影響[J].第三軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，25（21）：1915-1919.

[19]張衛(wèi)鵬.發(fā)育期大鼠視皮層突觸功能活動(dòng)及脈沖時(shí)間依賴的突觸可塑性研究[D].天津：天津醫(yī)科大學(xué)，2009.

[20]徐瑩，余輝，張威，等.基于MEMS技術(shù)的微電極陣列細(xì)胞傳感器[J].自然科學(xué)進(jìn)展，2007，17（9）：1265-1272.

[21]王一男，唐永強(qiáng)，潘璟瑋，等.大鼠多通道在體記錄[J].生物物理學(xué)報(bào)，2010，26（5）：397-405.

[22]王錦琰，羅非，韓濟(jì)生.中樞神經(jīng)元放電的在體多通道同步記錄技術(shù)[J].生理科學(xué)進(jìn)展，2003，34（4）：356-358.

[23]封洲燕，王靜.微電極陣列大腦電信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)展[J].電子學(xué)報(bào)，2009，37（1）：153-159.

[24]韓堯，湯戎昱，周瑾，等.基于微電極陣列的多通道電生理檢測(cè)系統(tǒng)的研制[J].生物醫(yī)學(xué)工程研究，2012，31（4）：214-219.

[25]Tusa RJ，Palman LA，Rosenquist AC.The retinotopic organization of area 17（striate cortex）in the cat[J].Comp Neurol，1978，177（2）：213-236.

[26]陳昕，壽天德.用腦光學(xué)成像精確測(cè)定貓初級(jí)視皮層視野拓?fù)渫渡潢P(guān)系[J].生理學(xué)報(bào)，2003，55（5）：541-546.

[27]史學(xué)鋒，趙堪興，劉虎，等.斜視性弱視貓視皮層21a區(qū)神經(jīng)元眼優(yōu)勢(shì)改變[J].眼科新進(jìn)展，2005，25（1）：17-20.

[28]姚軍平，吳炎森，祝芹芳.Long Evans鼠初級(jí)視皮層眼優(yōu)勢(shì)柱可塑性的發(fā)育性變化[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)：自科版，2006，3（2）：209.

[29]劉虎，趙堪興，史學(xué)鋒，等.斜視性弱視貓視皮層17區(qū)神經(jīng)元眼優(yōu)勢(shì)及空間特性的改變[J].眼科新進(jìn)展，2004，24（6）：429-431.

[30]謝芳，史學(xué)鋒，許麗敏，等.貓初級(jí)視皮層神經(jīng)元的雙眼整合反應(yīng)特性研究[J].中華實(shí)驗(yàn)眼科雜志，2011，29（6）：485-488.

[31]徐鵬景，葉翔，周逸峰.貓外膝體細(xì)胞對(duì)二階信號(hào)刺激的時(shí)間反應(yīng)特性[J].科學(xué)通報(bào)，2007，52（11）：1274-1279.

[32]丁娟.天然藥物A對(duì)單眼形覺剝奪大鼠視皮質(zhì)突觸傳遞效能影響及相關(guān)分子機(jī)制研究[D].天津：天津醫(yī)科大學(xué)，2008.