一、概述：神经纤维和肌纤维的记录

在这一节里，我们主要讨论用相对粗的外电极记录神经纤维或者肌纤维信号的原理。

1.粗外电极

假设一根神经或者一根肌纤维连有两个外电极。如图 5-4, 动作电位产生并从左到右沿着纤维传播（假定是一致性的)，在某一时刻一小块膜的膜电位发生极性反转，从胞内负变为胞内正，并且线性地依赖于膜的电导速率。这种假定情况在图 5-4 中显示为带斑点区域。在显示的图中，斑点区域逐渐地随时间从左向右移（这种移动被显示为数字的增加)。

单相记录（左边一栏)，当右边电极放在压碎的神经上（去极化部位，交叉阴影区)，两个电极之间存在一个「伤害」，「电位」，表现为电压仪的仪表盘中指针向右偏转。

这个状态显示的是静息状态，兴奋性还没有到达左边电极。当兴奋###性到达时（仪表盘 2)，因为这个区域处于去极化，电压仪指针向左偏转。随着兴奋性区域在电极间移动，指针回到初始位置。当兴奋区域到达死亡的神经纤维区域，并不导致任何改变，传递来的兴奋性在这个区域最终消失（图 5-4)。其他条件下也可以得到类似的结果。例如，在两个电极间的神经纤维用麻醉处理、损毁或把右边电极移到很远的地方（如肌肉或士他组织)，在这种情况下就形成了一个差放式参考电极。总之，方文置一个电极在中性的、不活动的区域就会记录到如这一栏图上显示的单相波形。实际上，下面情况也是如此：

当微电极放在神经组织中接近其中的一个神经元，就是活动电极（差放式放大器的记录电极)，另一个电极放在其他组织中（如肌肉或皮肤)，远离记录电极，就是不活动电极 (差放式放大器的参考电极)。

双相记录（中间一栏)，两个电极较远地分开。当两个电极放置距离比活动区域大很多时，膜电位反转总是导致双相的仪表盘指针偏转，记录到双相的电位波形。

双向记录（右边一栏)，两个电极相隔较近。和活动区域的大小相比，两个电极放在相隔更小的时候，就会记录到一个负相和正相相互重叠的波形，如这栏的顶端的图所示。

经适当的改变，这些原理可用于下面的研究：

从动物或人体取到的外周神经、脊髓根部或中枢神经束，分离成细小纤维进行记录。分离工作总是用精细的钟表工具或特殊设计的镊子通过手工操作完成^这些纤维被放置在两个金属（银、钨、铂金）电极钩上，其中一个电极有很多种方法做成参考电极 (如按照图 5-4A, 也可参阅第十七章)。通常这种细纤维中还可能包含其他活动纤维，戶^以，记录中会包含重叠的动作电位串相互干扰（多单位放电活动)。这就需要实验人员的技术和经验来进行处理，分离出单独的一根纤维，通过使用更多的锋电位分离设备或软件程序。

记录活体完整的神经或分离出的完整神经（神经电活动图）或肌肉组织（肌动电活动图，参阅第二十六章)。这些记录总是会获得相互干扰的多单位放电活动，单个单位放电活动就需要特定的数据分析技巧。其他应用中，在这些复杂结构中，电刺激、机械刺激或其他种类的刺激产生诱发电位时会记录到复杂多单位活动。在神经学中，这种记录常被用来检测神经通路是否完好，或复杂的电导速率是否正常或衰减。

用埋置的慢性电极在活体动物神经或者肌肉进行记录。

2.吸入式电极

通常把神经纤维放到电极钩上有一定的技术难度，如当神经和脊髓段较短时。通过负压，可以把神经纤维段吸入到充满电解液的电极玻璃管或其他种类的精细玻璃管，通过电解液可直接记录胞外场电位。通过这种吸附式电极，刺激支配细小组织的神经，可 t 记录胞外场电位。这些组织包括非常小的心脏（如昆虫的心脏)、肠神经、视觉神经元和肌肉。用塑料管代替玻璃管可以记录运动组织。这种吸入电极可以自己制作，也可以买到。

3.埋置的慢性电极

许多电极系统已经发展出能通过埋置在动物或人类身上，记录不同神经结构的活动，从外周的神经到脊髓根、神经束和神经核团，细节将会在其他章节（第二十八章，第二十九章）中讲到。这里仅进行概述。

已经发展出了可埋置的神经组合电极进行慢性记录、刺激、药物调控神经活动。成束电极纵向贯穿神经束埋置（LIFEs) 也可以记录神经活动。据说，敷金属的聚合纤维是最适合做长期埋置记录的，因为这种纤维柔軔性好、细小，无排斥反应，并且适合做多单位放电记录的引导线或做刺激电极。

把电极丝埋置在脊髓根部或神经束中。成束的悬浮精细电极丝（比如许多直径 5jum 的柔软钼金丝，因为可以随着脑波动而动，和神经细胞的相对位置却不变，称为悬浮电极）慢性埋置在猫脊髓背根神经节’背根神经或腹根神经，记录自由活动动物的神经活动。并不是每根电极丝均能记录到单位放电，但由于有很多电极丝，随机在一定数量的电极丝上记录到单位放电。成阵列的电极丝现在已经成了常规技术，埋置到中枢神经结构中，如老鼠的海马，用于同时记录多单位放电。

二、概述：微电极记录

利用精细的微电极，由几种类型的金属和碳纤维电极以及充灌有电解液的玻璃管制作而成，它们在单位放电记录中已经成为常规用具。应用微电极需要对神经组织进行精心的处理以便微电极能穿入组织-

1.微电极的选择和制备

胞外记录相对于胞内记录造成的问题少一些。所以，微电极的选择不是那么关键。

任何一种具有细的尖端、形成足够高的’电阻和导致低的噪声的微电极都可以作为胞外记录的微电极。微电极可以有许多用途，也可以组成阵列产生更多的用途，比如记录神经细胞的活动时，通过多管玻璃微电极施加药物到这个神经细胞的附近（见第七章)。这里我们概述几种胞外记录神经细胞活动的方法。有很多途径可以改变这些方法以适应特别的需要。由于有众多的微电极类型，以及篇幅的限制，很难对每种微电极的制作方法在这里做详细的介绍.

2.玻璃微电极管

和胞外记录微电极相比，胞内记录微电极需要更严格的制作程序和标准。所以，这部分仅限于对理想的微电极进行简单的总结。更详细的方法介绍将会在实验方案 3 中细说。胞内记录的理想特征有：

—电极对于组织是惰性的

—低噪声

一最小但恒定的电极电阻

一没有电极电位

—有选择性

一可以充灌染料或标记物质

垂直拉制器适合于拉制玻璃微电极用于胞外记录。由于电极内液可能会从电极内渗透出来，电极内液应该与细胞外液相匹配。因此，对于胞外记录，2~4mol/L 的 NaCl, 并且配制好后过滤（通常是用 0.22?0.45/m!?L 径的滤膜过滤）用作电极内液。拉制好的玻璃微电极尖端可以在显微镜下与玻璃棒进行碰断，降低电极电阻至 2~10Mn。

3.金属电极

金属电极的主要优点是记录稳定性和材料的柔钿性。因此，更适合作慢性记录用。

比如，金属电极可以穿过猴大脑皮层硬脑膜进行记录。通常，金属电极比玻璃微电极更稳定，噪声更小。金属电极同样也适合急性实验记录和作为刺激电极刺激脑组织。金属电极也可以结合玻璃微电极，形成金属玻璃微电极进行药物微电泳或压力给药。

理想金属电极的一般特征：牢固、机械上的稳定性和柔韧性；长时间稳定的记录; 低噪声，高信噪比；选择性好，能有效地隔离周围其他细胞的干扰；低偏流（也就是驱动放大器需要的电流小)，因此不同细胞大小记录到的频率不因为产生的电流大小而导致记录不同。

制作金属电极有很多方法，因为很多试验室在不断地优化方法，使之能用于许多特殊目的。

下面对几篇论文中的方法进行概述 s 在这些论文中有详细的描述和相关的参考文献。

铂金电极用微玻璃管绝缘。这种电极尖端可以用铂金粉覆盖以增大有效面积和减小电阻 s 这种电极也可以用铱来增强电极硬度，成为铂铱电极。铂金电极最大缺陷是尖端细、易断（Snodderly1973)。

钨电极很硬。如果钨电极尖端足够细，他们更适合于分离细胞活动，采集高频信号 (Snodderly1973)。但是这种电极的噪声很大。绝缘可以用绝缘漆或者是玻璃来实现。

关于如何把毛细管制作到钨电极上，如何使之绝缘，怎样控制电极尖端形状，以及如何重复利用单电极和双电极，这些都可以从 Li 等（1995) 的文章中找到。不镑钢电极在记录和定位电极尖端都很好。定位电极尖端位置可以通过给电极通电，使铁离子沉积到电极尖端周围的组织中。试验完后，把动物用氰化钾溶液灌流，切成脑片后用普鲁士蓝染色即可显示电极尖端记录时的位置。不锈钢微丝可以穿进微玻璃管中，通过拉制仪（可购买）把微玻璃管拉制到这些微丝上，形成金属玻璃微电极。这种电极和微玻璃管结合，可以形成记录和注射系统（Tsaietal.1997)?

人工塑料绝缘的铱金电极丝据说非常适合于：

一穿过比较硬的结缔组织，如硬脑膜

一记录非常小的神经细胞

一产生多个电解损伤来标记记录轨迹（图 5-5)

一用于多电极阵列

一慢性微刺激但又不至于引起电化学损伤

不同种类的金属微电极可以向供应商购买（见本章后的供应商列表)。

4.碳纤维电极

从 20 世纪 70 年代以来。碳纤维电极应用变得非常广泛。碳纤维电极的优点是：

一比氯化钠溶液充灌的微玻璃电极有更小的阻抗

一可用制作成多管玻璃微电极，一部分用于微电泳给药，一部分具有碳纤维，用来记录电信号

一可用来标记胞外记录位置

一可通过电压表来检测细胞外的化学物质，如神经递质浓度主要缺点在于，这种电极的低频噪声较大，在记录慢电位时干扰明显。但是尖端镀银后可以减小低频噪声，给电极通脉冲电流也能降低噪声。

三、概述：标记电极轨迮

在许多研究中，需要将电生理学记录和解剖学结构结合，也就是需要知道定位记录的神经元在什么位置。这个问题并不是小事，特别是在慢性试验中，多根微电极埋置了几个星期或几个月。有很多办法用来标记电极位置。

1.电解损伤

电解损伤是最常用来标记电极轨迹的方法，要么是在不同位置标记电极的轨迹或在终点上标记电极的位置。作标记需要给电极通以 20s 的恒流（5~10mA)。这些损伤在没染色的组织切片中就可以看到。即使在几个月后，通过细胞色素氧化酶染色还可以看到神经胶质细胞的损伤。然而，这种方法会造成广泛的组织损伤，因此很难区分靠得很近的电极的轨迹。

2.染色

如上所述，不锈钢电极可以通电流来留下铁离子。通过灌流氰化钾，然后用普鲁士蓝染色就可以看到记录电极的位置。

其他的染色方法有：硫堇（或尼氏染色）；细胞色素氧化酶；用胶质纤维酸性蛋白抗体免疫记录。

同样，这些染色技术仍然不能区分靠得很近的电极的轨迹。而且，如果下电极及其记录和灌流之间间隔太长，效果就变得差了。

3.染料

为了解决这些问题，人们建议用荧光染料附着在电极尖端进行标记的方法。随着电极插入，荧光染料缓慢地释放，实验完后组织切片在荧光显微镜下观察荧光来确定电极轨迹 28。

4.染料的优点：

一组织切片不需要处理和染色

一组织损伤很小，至少没有检测到

一通过具有不同吸收和发射波段的荧光染料（或这些染料的混合物）涂在不同的电极上，就可以区分邻近的电极的轨迹

一可以在任何一种胞外记录电极上涂上染料进行标记

四、概述：通过胞外记录电极探索胞内电活动

除了第三部分讲的用微电极作胞内记录外，通常用胞夕卜记录电极还有很多方法来记^跨膜电位。

1.蔗糖隔离记录

蔗糖隔离技术是一种记录长形结构，如轴突结构的跨膜电位的技术（图 5-6)。这基于两个事实：第一，常用一对电极记录动作电位，如图 5-4 所示，由于记录电极间的低电阻会导致沿着记录的神经纤维产生电位衰减，所以，增加电极间的电阻可以减小这种衰减。第二，通过去极化可以平衡细胞内外电位变化以便记录跨膜电位。通过使用能导致强去极化的胞外溶液，比如，高浓度的硫酸钾施加在其中一个电极的细胞外液中, 平衡这个区域的细胞内外电位，由于这个电极和另一个电极间存在隔离，通过另一个电极记录到的电位就可以推算出跨膜电位。

隔离可以由许多高电阻介质形成，如空气、石蜡油、非极化物质的溶液。高纯度的蔗糖溶解在去离子水中，渗透到细胞之间，形成较髙的细胞间电阻。

2.Kostyuk 方法

一种适合于记录急性分离大细胞的方法（如蜗牛神经元、无脊椎动物卵母细胞)，如图 5-7 所示。这些大细胞可以应用于快速的电压钳研究并能更换细胞内液。

5.通过峰电位串估计突触后电位

正常情况下，在自由活动的人或者动物中进行胞内记录是不可能。多种胞外记录方法已经发展出来间接地检测突触后电位（EPSPs 和 IPSPs)。由于放电中的神经元，放电概率部分取决于细胞膜电位的变化（如 EPSPs 和 IPSPs), 也就是说，EPSP 短暂地增加细胞发放概率，反之，IPSP 抑制细胞放电。但是放电概率和电位变化之间的准确联系不是直接的，因为膜电位并不是线性地转换成了放电。这些将在第十九章阐述。

结果

为了阐明胞外记录方法，我们从大量文献中挑出两个例子。第一个是关于早期哺乳动物（猫）的视网膜研究，第二个是刺激脊髓闰绍细胞对红核细胞反应的记录。

猫的视网膜细胞

视网膜细胞的特点是其感受野，也就是照明影响视网膜细胞的放电。感受野的大小随着光源的大小和强度及背景光亮度的大小而改变，增强光亮度感受野会减小，适应黑暗环境后感受野会增大。通常感受野区域不是均一的，可以细分为几个亚区。

让我们来考虑一个特定的例子. 在图 5-8 中，用一个玻璃铂铱合金电极记录一个猫视网膜细胞。实验记录方案显示在下面的右侧插图。记录电极尖端就在中心区记录的细胞的上方。一个直径为0.2、强度为域值的 3~5 倍的光斑射入中央区域 b, 诱发了如 5-8B 图所示的强烈放电。虽然放电是持续的，但是过了一会就适应了这种照明（如图 5-8B 中的下边轨迹，见图注)。当刺激移动到插图中的 A，C,D 位置时（在 0.5中央区范围内)，各自的放电明显较弱，并且适应明显加快（图 5-8A,C，D)。所以，在这个小小的中央区域中，视网膜神经细胞的兴奋性随着离中心距离的增大而明显降低。

这种空间距离的依赖关系在更大的范围中更明显（数据没有显示)。当刺激在中心区域外时，细胞在照明时不发放，但在光照结束时才发放。这种现象被称为「亮关一发放」。混合的亮开一发放和亮关一发放在相对中间的位置可以找到。其他细胞显示一种相反的模式。也就是，光照在这些细胞的感受野中心时是亮关_发放，照在外周是亮开一发放。通过用两个小光斑研究一个感受野内不同区域之间的相互影响表明，亮关区域抑制和亮开区域兴奋特定的同一个细胞。这些影响的不同组合模式可以解释众多的视网膜细胞发放模式。这些研究工作对我们现在理解视网膜信号处理过程有重要的贡献。

脊髓闰绍细胞

许多脊髓中间神经元系统接受来自脊椎运动结构的调控。闰绍细胞也一样，接受运动神经元的兴奋，反过来抑制许多脊髓神经元。图 5-9 显示的结果中，电刺激中脑红研究和脊髓运动神经元和闰绍细胞之间的兴奋性耦联。在氯醛糖和氨基甲酸麻醉的猫中，通过刺激相应的后肢肌肉神经（检测刺激)，用钩形电极记录腰骶腹侧根神经的单突触反射（MR)。反射激活的运动神经又激活闰绍细胞，用 3mol/LNaCl 溶液充灌的玻璃微电极同时记录闰绍细胞的活动（图 5-9C)。用立体定位仪把同心双极钢电极定位在对侧红核，此电极用来给予条件刺激（电极位置最后通过电解损伤和组织学方法来确定，见上面介绍）。条件刺激由交流电流串组成，使用了不同的强度峰值（30~250#)，频率（500?IOOOHz), 持续时间（5~25ms)，以及条件刺激和检测刺激间隔的时间。通常条件串刺激在检测刺激开始前几个毫秒给予。

图 5-9 中显示了典型的实验结果。图 5-9C 显示了有和没有条件刺激下 MR 和 RC 的各自反应（上边的 2 个记录轨迹是没有条件刺激，下边的 2 个记录轨迹是有条件刺激)。

因为闰绍细胞很小，很难记录，并且信噪比也低。随着红核中的条件刺激，RC 发放频率（Nb) 降低，MR 的幅度（AMR) 轻度增加。为了比较，Nb 和 AMR 都在同一个刺激强度下测量了 20 次。刺激强度在可以激活 Ia 纤维的强度范围内较大地变化。图 5-9A 是 Nb 和相应的 AMR 平均值的关系图。红核刺激使得 AMR 和 Nb 的相关性向右平移 (空圈：对照；实圈：有红核条件刺激)。在 5-9B 和 5-9D 图中，显示实验中另两个细胞记录到的类似结果。表明红核调控主要是抑制这种运动神经元和闰绍细胞的兴奋性耦联。