精准与稳定性：适合电生理学应用的细胞级成像系统

06.06.25

什么是电生理学？

电生理学是生理学的一个专业分支，主要研究生物细胞与组织的电学特性。为了实现研究结果，它需要融合生物学、物理学、神经科学与工程学等多学科知识。

电生理学研究人员通常要测量单个细胞内（典型尺寸为20–30 µm）极其微小的电压变化，以获得关于细胞功能、神经信号传导及病机的关键洞察。常见的研究对象包括：

• 膜电位：指以膜相隔的两溶液之间产生的电位差，静息状态下的神经元通常为-70至-90 mV。

• 动作电位：具有“全或无”特征的短暂电信号事件，作为神经元通讯的基本单元，持续时间约为1–2 ms。

• 突触电位：当神经递质与突触后膜上的受体结合时引发的局部电压变化。

• 离子通道动力学：调控离子跨膜流动的特定膜通道的开启与关闭模式。

• 电容：测量细胞储存电荷的能力，常用于反映细胞的大小与形态。

在所有电生理学实验中，精准性和稳定性至关重要。所涉及的电信号通常非常微弱，仅以毫伏 (mV) 甚至微伏 (uV) 为单位，并且任何振动或电噪干扰都可能影响实验结果的完整性。由于研究对象极小，实验操作需达到纳米级精度：实验中常使用尖端直径仅0.5 µm的微电极来精准定位样本内的特定细胞目标。 

电生理学的典型应用

电生理技术广泛用于基础科研与临床研究领域，包括：

• 神经科学：记录神经元活动、绘制神经网络连接图谱，或研究癫痫、神经退行性疾病等病理状态。

• 心脏病学：研究心肌细胞的电生理特征，揭示心律失常与心力衰竭的发病机制。

• 药理学与毒理学：评估药物或环境毒素对细胞电活动的影响。

• 基础细胞生物学：探索离子通道功能、膜转运机制及其它基本生理过程。

无论哪种应用，都要求研究人员以超高空间与时间分辨率，精准地定位并观察单个细胞。

适合电生理学应用的成像技术

电生理实验通常结合多种成像方式，以满足复杂实验需求：

• 荧光成像：利用染料、标记物或基因编码指示剂（比如电压敏感的荧光蛋白），可视化特定结构或分子。

• 明场显微镜：常用于导航和定位目标细胞，提供一般组织结构的清晰图像。在未染色样本中，明场成像可提供对比显眼的清晰结构视图，方便确定目标区域和细胞边界。其光照强度较低，相较于荧光成像，光漂白风险更小

• 多光子显微镜：适用于活体组织与细胞成像，属于一种特殊的荧光显微技术。其采用低能量光源（通常为红外光源），具有光毒性低、穿透深度大的优点。此外，无标记成像技术也日益受到关注。其利用二次谐波 (SHG) 和三次谐波 (THG) 生成的信号对胶原蛋白等生物结构进行成像。这类技术依赖于脉冲激光光源发出的红外光对深层组织成像。 

• 钙成像：虽不同于传统电生理学，但与其密切相关。电生理学测量单个神经元的电活动，而钙成像则同时测量多个神经元的电信号。后者特别适用于研究突触传递或神经系统特定区域的功能。与其它电生理学技术结合使用时，研究人员能结合空间与时间信息更全面地了解神经元活动。钙成像还在植物科学研究中起到重要作用。 

• 实时可视化技术：帮助电生理学家捕捉快速事件（比如单个神经元的放电），并获取即时反馈。在先进系统中，成像功能与数据采集通常结合到统一平台以协同完成成像与记录工作，而非相互独立的组件。 

了解更多：Prior Scientific设计了用于神经生物学研究的先进三相机系统 [链接到塔夫茨大学案例研究]

电生理成像面临的挑战

电生理实验的显著特点之一是超高的样本稳定性要求。即使是极微小的位移，也可能导致电极偏移、数据测量不准确，甚至使荧光成像无法使用。此外，大型样本和笨重的外围设备会进一步增加复杂性。

这为电生理学研究人员带来多项挑战：

• 绝对静止：成像期间，样本不得有任何移动。为此，实验通常需采用主动式或被动式防震台作为试验平台底座。 

• 精准定位：一次可能只能观测一到两个细胞，因此平台必须具备精确的微小位移控制能力。电生理学家需结合使用XY及Z轴平台和压电纳米定位平台，将样本或显微镜移动到目标区域，然后通过微操作器将电极插入组织。所用设备不仅要实现亚微米级的移动精度，还需具备长期稳定定位能力，并可能承受较大负载。

• 样本尺寸差异大：同一套设备可能既要用于观察单个细胞，还需要用于整体动物实验。因此，所使用的显微镜或成像平台必须具备高适应性，以免干扰复杂且敏感的外围系统，或因无法适配而被迫重复采购昂贵设备。若实验涉及动物运动或外部刺激响应，还会进一步加剧挑战。 

• 复杂设置：电生理实验需要结合使用光学成像（如荧光）与电生理记录技术（如膜片钳或场电位测量），往往要从多个供应商处选购设备来定制成像系统。相比于标准化成像系统，电生理学系统的定制化程度通常更高，须根据具体实验需求进行配置。  

• 脆弱的活体样本需精心照料：活细胞样本对光照极为敏感，不仅要避免荧光成像导致的光漂白风险，还要配备孵育装置，从而进一步增加了实验系统的复杂性。  

• 需屏蔽微弱电信号或降噪以避免干扰：电生理信号通常非常微弱，可能要用到电信号放大器，而这会增加平台的外围设备数量。 

为电生理学应用选择合适的设备 

Prior Scientific深刻了解电生理实验的复杂需求，比如集成多种成像技术与大型样本和笨重的外围设备，并确保不干扰电生理记录的完整性。 

我们适合生理学应用的平台支持X、Y和Z三轴的高精度电动或手动移动。具备大平台空间，可支持整体动物样本的成像或安装复杂实验所需的各类外围设备。代表性平台包括：

• HZ106和H189: 配备电动Z轴，负载能力达25 kg，多层平台结构可灵活适配不同尺寸的样本。 

• Z Deck平台: 具有较长的Z轴行程，可选电动版本（用于自动化显微镜成像）和手动版本（用于电噪敏感的实验）。 

• HT11系列: 重载型平台，适用于大型样本的自动化扫描，最大负载能力达100 kg。  

• 平移平台 一种保持样本静止，同时移动显微镜的稳定平台，可在不扰动膜片钳等精密成像组件的前提下对样本的不同区域进行成像。 

在多光子显微成像中，压电物镜定位平台是实现高分辨率和重复性成像的关键。Prior Scientific的OP800纳米物镜扫描台具有比其它压电物镜定位平台更快的步进和稳定时间，并拥有长达800 µm的行程。该扩展行程特别适合多光子显微成像，可充分利用红外波长的穿透能力，实现更深层次组织成像或构建更大体积的图像数据集。 

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防震台能有效抵消因人员走动或外界交通造成震动干扰，为高度敏感的设备提供额外稳定性。Prior Scientific在选购和集成各种第三方设备方面有着丰富的经验。 

使用 Prior 的模块化 OpenStand 平台定制成像系统，用户能够将一系列第三方设备、Prior 的成像组件以及我们的工程专业知识相结合，打造独特的系统。得益于模块化设计，OpenStand能轻松升级或适配新的实验挑战，更具性价比。欢迎联系我们，以了解更多信息。