生物电测量和记录

对生物电现象进行定量研究时，通常是测定生物体两个测量点之间存在的电位差或电流量，一般以电位测定为主。生理电测量仪器都有两个探测电极，把这两个电极和待测的部位相接触，就可通过仪器指针或示波器光点的移动，显示出相应的电变化强度和它们随时间变化的过程。在人体表面间接测量由于体内某一器官活动(心脏、脑等)所产生的电变化，或测定在体或离体的某一组织(如肌肉、神经干等)的电变化时，探测电极通常都放置在体表或组织表面，这样的测量方法称为细胞外记录法。此外，在生物电的理论研究中，常常需要测定存在于单一细胞的细胞膜两侧的电位差，这就必须使一个探测电极进入膜内，一个仍留在膜外；膜外的电极通常接地，使之保持零电位，成为所谓无关电极或参考电极。这样的记录方法，称为细胞内记录法。
生物电细胞外记录 实验中常以蟾蜍的离体坐骨神经为例，来分析神经在受刺激而兴奋时的电变化及其记录波形。通常用细胞外记录法。当两个探测电极都和完好而处于安静状态的神经表面接触时，电位计指针将不显示波动，说明这时神经表面各点是等电位的。这时如果在神经的一端给予一次适当的外加刺激，使它产生一次兴奋，则可以看到电位计指针将在短时间内连续发生两次方向相反的偏转，把这个变化过程以时间为横坐标画成曲线，就如图1上方右侧曲线所示。这个现象的解释只能是： 当神经在图中左侧端受到刺激时，刺激引起组织产生一次可传导的兴奋冲动，它传到那里，就使那里组织表面的电位变得较尚未兴奋的部位为负； 于是当冲动先传到A电极下方时，该处电位暂时较B电极下方为负，引起指针发生第一次偏转，而当冲动传到B电极下方时，如果A处已恢复兴奋前的状态，那么B处电位又较A处为负，于是指针又发生一次偏转，方向正好与前次相反。这样记录到的与组织兴奋有关的电变化，叫做双相动作电位。在实验时如果两个电极安放的距离较近，则当兴奋冲动传到B电极下方时，A处组织的兴奋可能尚未完全恢复，这时双相动作电位的第二相可能与第一相部分融合，使第二相波形受到影响。此外，把上述实验方法稍作改变，还可以记录到所谓单相动作电位，这就是预先在A、B两电极之间将组织用药物（如普罗卡因）阻断，使兴奋冲动只能到达A而不能到达B，或者是用类似的方法使B处组织丧失产生兴奋的能力，这样在神经再受到同样刺激时，电位计指针就只表现一次偏转，如图1下方曲线所示。不论是双相或单相动作电位，实验时两个探测电极都是放置在神经或组织表面的，曲线所表示的也只是组织表面已兴奋部位和其他部位之间的电位差。

图1 双相动作电位（上）和单相动作电位（下）的产生，细点部位为兴奋区域，该处表面电位较尚处于安静状态的区域为负； 斜线部分为受损伤区域，该处存在着持续的负电位，兴奋波不能到达

生物电细胞内记录 细胞外记录的方法不可能测出一个细胞的细胞膜两侧存在的电位差，这使它在研究细胞水平的生物电产生机理时受到很大限制。事实上早在上世纪末时，人们就推测细胞即使在安静时它的膜两侧也是存在着电位差的，而动作电位是由于膜对带电离子的通透性的暂时改变而造成膜两侧的电位变化。但要测量膜两侧的电位差，就必须把探测电极中的一个放在膜内，一个放在膜外，这就是所谓细胞内记录法，这样记录到的电变化称跨膜电位。但由于一般细胞体积比较纤小，进行细胞内记录在技术上有很大困难，因而这个问题一直到本世纪30～40年代才得到解决。解决办法之一是发现某些无脊椎动物常有体积较大的神经轴突、神经细胞或肌细胞，可以插入一般大小的探测电极而不致影响细胞的正常功能； 一是制成一些尖端特别微细的玻璃微电极或金属（通常用钨）微电极，可以刺入一般细胞的膜内而不致严重伤害细胞。图2是目前常用的几种细胞内生物电记录方法示意图。A表示一个普通的金属丝探测电极由一个枪乌鲗巨大轴突的断端插入轴突内部； B表示一个玻璃微电极刺穿膜进入膜内。对于一些非常纤细的细胞或神经纤维，即使玻璃微电极所造成的损伤也可能是相当明显的，使用时较为困难，这时可用C表示的方法进行代替，即电极1和2实际上都放在膜外，但2处的膜用人工损伤或施用高钾溶液使之处于去极化状态，另外再在1和2之间的细胞周围，利用不导电的蔗糖溶液或空气造成一段高电阻区，消除膜外分流，这样由1和2之间测出的电位差，几乎就相当于1和3之间的电位差，即膜两侧的电位差。因此，这种方法也相当于细胞内记录法，分别称之为蔗糖隔离法和空气隔离法。

图2 不同形式的生物电细胞内记录法示意图。说明见正文