電気生理学

アクソンガイド：
電気生理学・生物物理学実験技術ガイド

電気生理学とは？

電気生理学は、細胞膜を流れる電流や電圧の変化を研究する分野です。

細胞膜内の単一イオンチャネルの挙動を理解することから、細胞膜電位の細胞全体の変化、in vitroの脳スライスやin vivoの脳領域内の電界電位の大規模な変化に至るまで、電気生理学的技術は、神経科学や生理学的応用の多様な範囲にわたって広く使用されています。

パッチクランプ法は、最も広く用いられている電気生理学的手法の一つであり、イオンチャネルの活性を研究するための最良のツールです。イオンチャネルは、生理学的機能だけでなく、多くの神経疾患や心血管疾患において重要な役割を果たしているため、研究者にとって主要なターゲットとなっています。

細胞外電位記録法は、神経細胞集団のシナプス活動を研究するのに用いることができ、脳内で情報がどのように処理されるかを理解するのに役立ちます。

電気生理学研究室

電気生理学的実験室のセットアップは、実験の要求や実験者の欠点を反映して、それぞれ異なっています。ここでは、セル内の電気活動を測定するための、すべてのセットアップに共通する構成要素と留意点について説明します。電気生理学的セットアップには、主に4つの実験室要件があります：

• 環境

  準備を健全に保つ手段；

• 光学

  調製物を可視化する手段；

• 機械

  微小電極を安定的に位置決めする手段；および

• エレクトロニクス

  信号を増幅し記録する手段

下図は、標準的な電気生理装置のセットアップを示しています。外部干渉からセットアップを保護するためのテーブルとケージ、微小電極を安定的に位置決めするためのマイクロマニピュレーター付き顕微鏡、取得した信号を収集・増幅するアンプ、アナログ信号をデジタル信号に変換するデジタイザー、実験プロトコルを設定し、収集したデータから意味のある実用的な結果を引き出すためのデータ収集・解析ソフトウェアです。

電気生理学ソリューション アクソン機器

Axon™インストゥルメンテーションは、アンプ、デジタイザー、ソフトウェア、アクセサリーを含むパッチクランプ用の包括的なソリューションを提供します。クラス最高のインストゥルメンテーションは、最小のシングルチャンネルから最大のマクロ記録まで、パッチクランプ電気生理技術の全領域を促進します。

Axon pCLAMP™ 11 ソフトウェアスイートは、電圧クランプ、電流クランプ、およびパッチクランプ実験の制御と記録のための電気生理学データ収集および解析プログラムとして、最も広く使用されています。以下に示すいくつかの主な特徴により、ワークフローが効率化され、より高度な実験をより効率的に実行し、より質の高いデータを生成することができます。

アンプ

パッチクランプ増幅器とは？
イオンチャネルを通過する電流や細胞膜電位の変化を測定するために必要な回路を封じ込めたインストゥルメンテーションです。

なぜそれを使うのか？
電流または電圧の変化を測定することです。アンプは、細胞膜を通過する電流の大きさと方向の両方を 測定するのに必要な回路を封じ込めたものです。

アンプはまた、電流の動きに反応する細胞膜電位も測定できます。電流の移動を開始するために、実験者はセルに電圧コ マンドを与えることができ、セルはその電圧コマンドを 維持するのに必要な電流を流すことで応答します。逆に、実験者は電流を注入し、その電流の変化から生じる膜電位の変化を測定することもできます。目的のシグナルをどこで増幅し、どこでフィルタリングす るかを選択することは、シグナルの忠実性に影響します。信号を増幅する理想的な場所は、インストゥルメンテーションの内部です。Axon™アンプリファイアーの全モデルは、ピペット電流または膜電位を低ノイズで増幅するために、出力の可変ゲインコントロールでこの戦略を採用しています。増幅器をインストゥルメンテーションの内部に配置することで、低レベル信号と増幅回路の間の回路を最小限に抑え、外来ノイズ源を低減します。

使用可能なアンプ：アクソパッチ™ 200B、マルチクランプ™ 700B、アクソクランプ™ 900A

デジタイザー

それは何ですか？
デジタイザは、アナログ信号をデジタル信号に変換するデータ収集インストゥルメンテーションです。

なぜそれを使うのか？
デジタイザーは分析用のデータを取り込むからです。

アンプが取得した電流はアナログ信号ですが、高分解能のパッチクランプ測定に必要なデータ解析を行うためには、アナログ信号をデジタル信号に変換する必要があります。アンプとコンピューターの間に位置するデジタイザーは、この重要なタスクを遂行します。コンピューターが受け取る信号品質は非常に重要で、これはサンプリング周波数（サンプリングレート）によって決まります。最新世代のDigidata®デジタイザは、500 kHzでのサンプリングが可能で、50/60 Hzのライン周波数ノイズを除去できるHumSilencer™機能を搭載しています。

利用可能なアンプ：Digidata 1550B 低ノイズデータ収集システム＋HumSilencer

ソフトウェア

それは何ですか？
パッチクランプ・データと収集・解析ソフトウェアは、アンプ、デジタイザー、その他のパッチクランプ電子機器とのインターフェースです。

なぜそれを使うのか？
データ収集とデータ解析を実行し、デジタイザとアンプを制御します。

アンプとデジタイザは、パッチクランプ実験を実施するための重要な回路を備えていますが、ソフトウェアはこれらのインストゥルメンテーションを制御して、目的の電位を供給し、その結果の電流または電圧を測定します。さらに、ソフトウェアは、フィルタリング、正規化、ノイズ除去、カーブフィット処理、パラメーター決定など、ユーザー定義の設定で取得した信号を解析します。

利用可能なアンプ： pCLAMP™ 11 ソフトウェア

ヘッドステージ

それは何ですか？
マイクロピペットを保持する装置で、マイクロピペットからの電気信号をアンプに伝える回路を内蔵しています。

なぜそれを使うのか？
マイクロピペットによって得られた電気信号は、信号処理のためにアンプシステムに伝送される必要があります。

各ヘッドステージはアンプ用に特異的に調整されている。すべてのヘッドステージには、ノイズを低減する重要な電気回路が封じ込められます。また、ヘッドステージはマイクロマニピュレーターによって機械的に制御されます。

利用可能なヘッドステージ：アクソンヘッドステージ

マイクロマニピュレーター付顕微鏡

それは何ですか？
顕微鏡は光学的な拡大装置です。マイクロマニピュレーターは、マイクロピペットをナノメートルの精度で機械的に操作する装置で、通常は3次元の動きを可能にします。

なぜそれを使うのか？
マイクロピペットを細胞膜の領域に正確かつ安定に配置すること。

パッチ電極を10-20µmのセルに正確に配置するには、300倍または400倍まで拡大して位相差を強調できる光学系（ノマルスキー/DIC、位相差、ホフマンなど）と、3D空間で電極を安定に配置できるマイクロマニピュレーターが必要です。倒立顕微鏡は、プレパラートの上からの電極へのアクセスが容易であり、またマイクロマニピュレーターを固定するための、より大きく強固なプラットフォームを提供するため、望ましいです。マイクロマニピュレーターは、電極をX、Y、Z軸に沿って非常に微小な距離だけ動かすことができます。マイクロマニピュレーターは、その位置を無限に保持することができます。

ファラデーケージと空気/アンチV

それは何ですか？
干渉源を隔離するために、パッチクランプのセットアップの周りにテーブルとケージを用意します。

なぜそれを使うのか？
外部干渉からセットアップを保護します。

パッチクランプ実験中に測定される電流は非常に小さく（ピコアンペア範囲）、電波のような小さな干渉源は、これらの信号を歪ませたり、不明瞭にしたりする可能性があります。ファラデーケージは、顕微鏡とレコーディングチャンバーの周囲を金網で囲んだもので、電極が外来ノイズ源をピッキングするのを防ぐのに有効です。さらに、ピコメートルオーダーの小さな振動源は、レコーディングを妨害する可能性があります。したがって、すべてのコンポーネントは、実験の時間経過を通じて完全に位置決めされていなければなりません。このアライメントを乱す可能性のある外部振動源からセットアップを隔離するために、エアテーブルまたは防振テーブルが使用されます。