光遗传学调控技术是近几年正在迅速发展的一项整合了光学、基因操作技术、电生理等多学科交叉的生物技术。NatureMethods杂志将此技术评为"Methodoftheyear2010"[19]；美国麻省理工学院科技评述（MITTechnologyReview，2010）在其总结性文章"Theyearinbiomedicine"中指出：光遗传学调控技术现已经迅速成为生命科学，特别是神经和心脏研究领域中热门的研究方向之一。目前这一技术正在被全球几百家从事心脏学、神经科学和神经工程研究的实验室使用，帮助科学家们深入理解大脑的功能，进而为深刻认识神经、精神疾病、心血管疾病的发病机理并研发针对疾病干预和的新技术。解锁细胞秘密，膜片钳带您探寻离子通道的奥秘！双电极膜片钳电流钳制

电压钳技术是由科尔发明的，并在20世纪初由霍奇金和赫胥黎完善。其设计的主要目的是证明动作电位的产生机制，即动作电位的峰值电位是由于膜对钠的通透性瞬间增加。但当时还没有直接测量膜通透性的方法，所以用膜电导来测量离子通透性。膜电导测量的基础是电学中的欧姆定律，如膜Na电导GNa与电化学驱动力(Em-ENa)的关系，膜电流INaGNa=INa/(Em-ENa)。因此，可以通过测量膜电流，然后利用欧姆定律来计算膜电导。然而，膜电导可以通过使用膜电流来计算。这个条件是通过电压钳技术实现的。下一张幻灯片中右边的两张图显示了squid的动作电位和动作电位过程中膜电流的变化，这是霍奇金和赫胥黎在半个世纪前用电压钳记录的。他们的实验证明了参与动作电位的离子电流由三种成分组成:Na、K、Cl。对这些离子流进行了定量分析。这项技术为阐明动作电位的本质和离子通道的研究做出了巨大贡献。德国可升级膜片钳系统早期的研究多使用双电极电压钳技术作细胞内电活动的记录。

向电极连续施加1mV、10~50ms的阶跃脉冲，电极入水后电阻约为4~6mΩ。此时，在计算机屏幕显示框中可以看到测试脉冲产生的电流波形。刚开始的时候增益不要设置太高，一般可以是1~5mV/PA，避免放大器饱和。由于细胞外液和电极液离子组成的差异导致液体接界电位，电极刚入水时测试波形的基线不在零线上。因此，需要将保持电压设置为0mV，并调整“电极不平衡控制”，使电极DC电流接近于零。当使用微操作器使电极靠近细胞时，当电极前缘接触细胞膜时，密封电阻指标Rm会上升，当电极轻微下压时，Rm指标会进一步上升。当通过细塑料管对电极施加轻微负压，且细胞膜特性良好时，Rm一般会在1min内迅速上升，直至形成Gω级高阻密封。一般在Rm达到100MΩ左右时，在电极前端施加一个轻微的负电压(-30~-30~-10mV)，有利于gω密封的形成。此时的现象是电流波形再次变平，使电极从-40到-90mV超极化，有助于加速形成密封。为了确认gωseal的形成，可以提高放大器的增益，因此可以观察到除了脉冲电压开始和结束时的容性脉冲超前电流外，电流波形仍然是平坦的。

高阻密封技术还***降低了电流记录的背景噪声，从而大幅提高了时间、空间和电流分辨率，如10μs的时间分辨率、1平方微米的空间分辨率和10-12年的电流分辨率。影响电流记录分辨率的背景噪声不仅来自膜片钳放大器本身，还来自信号源的热噪声。信号源就像一个简单的电阻，其热噪声为σn=4Kt△f/R其中σn为电流均方差的平方根，k为玻尔兹曼常数，t为温度，△f为测量带宽，R为电阻值。可以看出，为了获得低噪声电流记录，信号源的内阻必须非常高。如果在1kHz带宽、10%精度的条件下记录1pA的电流，信号源的内阻应该大于2gω。电压钳技术只能测量内阻为100kω~50mω的大电池的电流，常规技术和制备无法达到所需的分辨率。在细胞膜的电学模型中，膜电容和膜电导构成了一个并联回路。

高阻封接问题的解决不仅改善了电流记录性能，还随之出现了研究通道电流的多种膜片钳方式。根据不同的研究目的，可制成不同的膜片构型。细胞吸附膜片(cell-attachedpatch)将两次拉制后经加热抛光的微管电极置于清洁的细胞膜表面上，形成高阻封接，在细胞膜表面隔离出一小片膜，既而通过微管电极对膜片进行电压钳制，分辨测量膜电流，称为细胞贴附膜片。由于不破坏细胞的完整性，这种方式又称为细胞膜上的膜片记录。此时跨膜电位由玻管固定电位和细胞电位决定。因此，为测定膜片两侧的电位，需测定细胞膜电位并从该电位减去玻管电位。从膜片的通道活动看，这种形式的膜片是极稳定的，因细胞骨架及有关代谢过程是完整的，所受的干扰小。准确捕捉离子通道动态，膜片钳技术助您一臂之力！德国单通道膜片钳蛋白质分子水平

典型的单通道电流呈一种振幅相同而持续时间不等的脉冲样变化。双电极膜片钳电流钳制

膜片钳放大器是整个实验系统中的主要，它可用来作单通道或全细胞记录，其工作模式可以是电压钳，也可以是电流钳。从原理来说，膜片钳放大器的探头电路即I-V变换器有两种基本结构形式，即电阻反馈式和电容反馈式，前者是一种典型的结构，后者因用反馈电容取代了反馈电阻，降低了噪声，所以特别适合较低噪声的单通道记录。由于供膜片钳实验的专门的计算机硬件及相应的软件程序的相继出现，使得膜片钳实验操作简便、效率提高、效率提高双电极膜片钳电流钳制