電生理學(xué)方法與儀器入門

前言

　　廣義上，電生理學(xué)是研究植物和動(dòng)物生命活動(dòng)中具有重要作用的電現(xiàn)象的一門學(xué)科。這些電現(xiàn)象包括活細(xì)胞中無處不在的膜電位及其變化，膜電位的變化構(gòu)成了生物體的生理信號(hào)，這些信號(hào)可以是某種化學(xué)物質(zhì)濃度變化引起的緩慢變化，也可以是神經(jīng)元等細(xì)胞的細(xì)胞膜通道快速開放引起的動(dòng)作電位的快速瞬間變化?！　‰娚硇盘?hào)是生命體中最快速的信號(hào)，例如聽覺定向中，左右耳聲音信號(hào)之間的時(shí)間差只有2011ls。除了快速傳遞信號(hào)之外，生物體的電反應(yīng)也是對(duì)于周圍環(huán)境微弱信號(hào)非常靈敏的檢測(cè)。例如，魚身上具有的電敏感器官可以對(duì)其身體皮膚上V那么低的電壓產(chǎn)生響應(yīng)。另外，神經(jīng)編碼是一種經(jīng)得起長距離神經(jīng)纖維傳輸?shù)膹?qiáng)健的編碼信號(hào)，正是由于這種特性，長頸鹿的大腦對(duì)于爬在它腳趾上的蚊子產(chǎn)生的感覺可以像對(duì)于爬在它腦袋上的蚊子的感覺一樣精確。人體肌肉的活動(dòng)被了解得最清楚了，它主要是由電化學(xué)反應(yīng)控制和放大的。另外，有些電魚甚至可以發(fā)出電壓超過500V的強(qiáng)大電脈沖，足以擊昏它們的捕獵的動(dòng)物，并且震懾?cái)橙?。雖然植物通常比較安靜，但是電反應(yīng)在其新陳代謝中也具有很重要的作用，尤其是光合作用。某些植物甚至?xí)a(chǎn)生動(dòng)作電位脈沖，例如含羞草等的快速退縮反應(yīng)就是由電擴(kuò)散反應(yīng)調(diào)節(jié)的。雖然支持整個(gè)生命體系的各種化學(xué)反應(yīng)很重要，但是無論對(duì)于基礎(chǔ)研究，還是對(duì)于醫(yī)學(xué)應(yīng)用，快速電反應(yīng)機(jī)制的研究都是生命科學(xué)的一個(gè)引入入勝的學(xué)科分支?！　?duì)于大眾而言，心電圖（electrocardiogram，ECG）和腦電圖（electroenceph-alogram，EEG）是報(bào)紙和電視節(jié)目中常見的眾所周知的電生理學(xué)方法。除了這些熟悉的臨床應(yīng)用以外，還有肌電圖（electromyogram，EMG）、視網(wǎng)膜電圖（electroretinogram，ERG）、測(cè)量眼活動(dòng)的眼震電圖（electronystagmogram）、神經(jīng)電活動(dòng)記錄、單細(xì)胞電活動(dòng)記錄以及應(yīng)用諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Neher和Sakmann發(fā)明的膜片鉗技術(shù)記錄的各種細(xì)胞膜上的微小單離子通道的電活動(dòng)等，這些都是電生理學(xué)所檢測(cè)的信號(hào)。　　研究電生理學(xué)不僅需要掌握這些電現(xiàn)象的基本知識(shí)，而且還要能夠很好地操作儀器設(shè)備。在早期的電生理記錄中，生理學(xué)家經(jīng)常自己制作放大器等工具?，F(xiàn)在，許多公司都能提供近乎完美的用于記錄、處理和刺激的各種儀器設(shè)備。但是，用戶必須能夠正確地維護(hù)和使用這些儀器設(shè)備，如果對(duì)所用的工具沒有足夠的了解，就可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果，浪費(fèi)時(shí)間、經(jīng)費(fèi)和精力。

內(nèi)容概要

　　《電生理學(xué)方法與儀器入門》介紹電生理儀器的基本原理、使用方法以及注意事項(xiàng)，分為電學(xué)、電子學(xué)、電化學(xué)和信號(hào)分析4個(gè)部分。內(nèi)容主要包括：用于電生理儀器設(shè)備的無源和有源電子元件、半導(dǎo)體元器件、電路、放大器、顯示器和計(jì)算機(jī)等的基本原理；電生理學(xué)研究的各種技術(shù)方法和儀器設(shè)備及其優(yōu)缺點(diǎn)；電化學(xué)反應(yīng)、電極的制作和使用；以及處理和分析各種電生理信號(hào)的方法。讀者對(duì)象包括：電生理學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程和儀器專業(yè)的學(xué)生；從事基礎(chǔ)或臨床電生理學(xué)研究的科研人員，特別是那些缺乏電子學(xué)、信號(hào)處理和電化學(xué)等方面正規(guī)培訓(xùn)的人員；從事電子儀器設(shè)備（特別是電生理儀器）設(shè)計(jì)開發(fā)和經(jīng)銷的工程師和代理商等。另外，對(duì)于電生理學(xué)研究領(lǐng)域及其儀器和方法感興趣的其他人員，《電生理學(xué)方法與儀器入門》也是一本很有用的參考書。

書籍目錄

前言1 電學(xué)1.1 電量1.1.1 電荷、電流和電壓1.1.2 電阻1.1.3 電容1.1.4 電磁學(xué)1.1.5 自感應(yīng)1.1.6 直流、交流和頻率1.1.7 電抗1.1.8 電流源和電壓源1.2 元件及其非理想特性1.2.1 非理想特性——阻抗1.2.2 電纜線1.3 電路、原理圖、基爾荷夫定律1.4 同類元件的組合——減壓器1.4.1 實(shí)際電壓源和電流源1.5 電壓和電流的測(cè)量1.6 不同元件的組合——濾波器1.6.1 積分和微分1.6.2　LC濾波器2 電子學(xué)2.1 有源元件2.2 電子管和半導(dǎo)體2.3 半導(dǎo)體器件2.4 二極管和三極管2.5 其它半導(dǎo)體器件2.6 放大器、增益、分貝數(shù)和飽和2.6.1 增益2.6.2 帶寬2.6.3 輸入阻抗和輸出阻抗2.6.4 最大信號(hào)幅值和失真2.7 噪聲、工頻干擾和接地2.8 差分放大器和電路框圖2.9 運(yùn)算放大器和反饋2.10 電子濾波器2.11 電生理前置放大器2.11.1 胞外記錄放大器2.11.2 胞內(nèi)記錄放大器2.11.3 膜片鉗放大器2.11.4 雙電極電壓鉗放大器2.11.5 利用電壓鉗測(cè)量膜電容2.11.6 細(xì)胞分泌活動(dòng)的記錄2.12 電源和信號(hào)發(fā)生器2.13 電子電壓表2.13.1電位計(jì)2.14 陰極射線管示波器2.14.1 液晶顯示屏示波器2.14.2 示波器的重要特性2.15 數(shù)字電子學(xué)和邏輯電路2.16 模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換2.17 計(jì)算機(jī)3 電化學(xué)3.1 引言——電解質(zhì)的特性3.1.1 電解質(zhì)3.2 金屬與電解質(zhì)之間的界面3.2.1 極化電極的電容3.2.2 法拉第反應(yīng)3.2.3 實(shí)用電極3.2.4 電化學(xué)電池和測(cè)量電極3.2.5 銀－氯化銀電極3.2.6 非法拉第反應(yīng)3.3 電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)3.4 液接電位3.5 膜電位3.5.1 平衡電位的推導(dǎo)3.5.2 反轉(zhuǎn)電位3.5.3 離子選擇性3.5.4　pH電極和其它離子選擇性電極3.6 電極的使用3.6.1 玻璃微電極3.6.2 膜片鉗微電極3.6.3 半通透膜片3.6.4 接地電極3.7 容積導(dǎo)體——電解質(zhì)溶液中的電場3.7.1 勻強(qiáng)電場3.7.2 單極電場3.7.3 偶極電場4 信號(hào)分析4.1 引言4.2 模擬電位分析4.2.1 系統(tǒng)分析4.2.2 卷積4.2.3 拉普拉斯變換4.2.4 傅里葉變換4.2.5 奇函數(shù)和偶函數(shù)4.2.6 線性性4.2.7 模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換4.2.8 信號(hào)窗4.2.9 數(shù)字信號(hào)處理4.2.9.1信號(hào)平均4.2.9.2自相關(guān)4.2.9.3 互相關(guān)4.2.9.4 離散傅里葉變換4.2.9.5 已知波形的信號(hào)檢測(cè)4.2.10 數(shù)字濾波器4.2.11 傅里葉濾波器和非因果濾波器4.2.12 非線性系統(tǒng)分析4.2.12.1 形式方法——維納核函數(shù)4.2.12.2 非形式方法——輸出波形分析4.2.13 非線性系統(tǒng)的重要性4.3 動(dòng)作電位信號(hào)分析4.3.1 群峰電位和群體電位4.3.2 皮膚表面的電信號(hào)記錄4.3.2.1 心電圖4.3.2.2 腦電圖4.3.2.3 其它體表記錄技術(shù)4.3.3 單元電活動(dòng)4.3.4 鋒電位脈沖序列的不確定性4.3.5 時(shí)間間隔直方圖4.3.6 泊松過程4.3.7 伽瑪分布4.3.8 隨機(jī)點(diǎn)過程的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)4.3.9 馬爾可夫鏈4.3.10 時(shí)間序列分析——鋒電位脈沖發(fā)生率、時(shí)間間隔和即時(shí)頻率4.3.11 鋒電位脈沖發(fā)生率4.3.12點(diǎn)圖顯示4.3.13刺激響應(yīng)特性分析——刺激后時(shí)間直方圖4.4 神經(jīng)細(xì)胞膜數(shù)據(jù)分析4.4.1 Hodgkin-Huxley離子通道4.4.2 宏觀電流分析4.4.3 電流－電壓曲線4.4.4 線性外插法消除漏電流4.4.5 P/N法消除漏電流4.4.6 噪聲分析——從全細(xì)胞記錄或者大膜片記錄中估計(jì)單通道電導(dǎo)4.5噪聲分析——通道動(dòng)力學(xué)估計(jì)4.5.1 單通道電流分析4.5.1.1 估計(jì)單通道電流4.5.1.2 檢測(cè)通道開放和關(guān)閉事件4.5.1.3 估計(jì)膜片上的通道總數(shù)4.5.1.4 測(cè)量駐留時(shí)間4.5.2由馬爾可夫鏈計(jì)算駐留時(shí)間直方圖4.5.3初始潛伏期的分布4.5.4關(guān)閉狀態(tài)駐留時(shí)間分布4.5.5 開放狀態(tài)駐留時(shí)間分布4.5.6 宏觀電流舉例：Hodgkin－Huxley的電壓門控鈉離子通道仿真附錄A：符號(hào)、縮寫詞和編碼A.1 符號(hào)A.2 縮寫詞A.3 十進(jìn)制倍數(shù)A.4 電阻的彩色色環(huán)編碼B：電路圖符號(hào)C.電生理裝置的電氣安全C.1 普通儀器C.2 醫(yī)學(xué)儀器D. CRT監(jiān)視器在視覺實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用D.1 CRT監(jiān)視器的圖像生成D.2 幀頻與隔行掃描D.3 視頻信號(hào)D.4 CRT監(jiān)視器在電生理中的應(yīng)用D.5 對(duì)比度、灰度和其它亮度參數(shù)D.6 色彩編碼D.7 圖像的幾何形狀D.8 定時(shí)D.9 空間分辨率和亮度分辨率E. 復(fù)數(shù)和復(fù)頻率E.1 復(fù)頻率的含義F. 馬爾可夫鏈的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)G. 遞歸濾波器（非因果濾波器）H. 由轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算宏觀電流和駐留時(shí)間分布的偽代碼I. 參考文獻(xiàn)I.1 電學(xué)和電子學(xué)I.2 電化學(xué)I.3 神經(jīng)生理學(xué)I.4 記錄方法I.5 信號(hào)分析I.6 數(shù)學(xué)

章節(jié)摘錄

　　第2章　電子學(xué)　　2.1　有源元器件　　前面我們所講的都是無源元件，不能放大信號(hào)。那么，什么是“放大”呢？廣義上說，人類已經(jīng)發(fā)明了很多放大其能力的方法。首先是利用動(dòng)物的力量來為人服務(wù)，例如，60kg重的人可以駕馭和利用1000kg重的牛的力量來為其耕田。這個(gè)古老的例子蘊(yùn)含了放大的原理，也就是農(nóng)民用他肌肉的能量作為信號(hào)，來控制比他本身強(qiáng)得多的牛的肌肉能量。同時(shí)，這個(gè)例子也說明這種“放大”是需要費(fèi)用的，要不斷地給牛提供大量食物。近代發(fā)明的蒸汽機(jī)也是同樣的原理，燃燒煤碳產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，可以用于驅(qū)動(dòng)碾磨機(jī)、水泵等裝置?！　‰娮蛹夹g(shù)中的有源元器件使用同樣的原理。例如，傳聲器采集到的小信號(hào)需要經(jīng)過放大才能驅(qū)動(dòng)擴(kuò)音器，電極記錄的微弱信號(hào)需要經(jīng)過放大才能顯示在示波器上或者用長導(dǎo)線傳輸出去。這里，所需的能量由電源提供。少數(shù)情況下，例如，電燈調(diào)光器、變速電鉆等，可以直接使用供電電網(wǎng)電源插座提供的交流電。但是，多數(shù)電子設(shè)備使用的是直流電源，要用電池或者用經(jīng)過整流器整流的交流電供電，后面會(huì)介紹整流器?！　》糯蟛荒芘c轉(zhuǎn)換混為一談，在第1章我們已經(jīng)知道，變壓器可以輸出比輸入電壓高的電壓，但是，其輸出電流會(huì)按同樣的比例減小，因此，其能量是守恒的，沒有增加，它不是放大。實(shí)際上，變壓器發(fā)熱要消耗能量，其能量傳遞效率總是小于100％?！　?0世紀(jì)初電子管的發(fā)明實(shí)現(xiàn)了用小能量電量控制大能量輸出的原理。后來，二次大戰(zhàn)之后，晶體管等半導(dǎo)體器件替代了電子管。因此，本書將主要講述半導(dǎo)體器件。但是，我們很多人成天盯著看的計(jì)算機(jī)屏幕和電視屏幕采用的還是也子管工作原理。由于電子管仍在使用，并且，電子管的工作原理比半導(dǎo)體的物理原理容易掌握，因此，我們將先介紹這種“古老的”器件，然后，再介紹各種半導(dǎo)體器件的特性及其在電生理學(xué)中的應(yīng)用。

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