大鼠皮层神经细胞膜离子通道电流测量与重构

【摘要】：离子通道是镶嵌在细胞膜上的跨膜蛋白质大分子,是细胞电活动的物质基础,其基因突变和功能障碍与许多疾病的发生和发展有关,细胞膜离子通道研究目前已成为许多领域关注的热点。为了能够有效的利用膜片钳技术测量离子通道电流信号,在测量方法上还需要进一步完善和改进。为了研究离子通道的门控动力学特性,需要获得理想的单通道离子电流信号,电流的重构方法和模型有待深入研究。为了探索物理因子的生物效应,找到更为有效的刺激和诱导方式,揭示其作用规律,需要研究磁场作用下的细胞膜离子通道特性。本文在以上方面进行了较深入的研究和探索,具体完成工作如下： (1)采用急性分离方法对大鼠脑运动皮层神经元进行分离,获得了可用于膜片钳实验的状态和活性良好的神经元。 (2)研究了膜片钳原理和实验方法,采用膜片钳技术分别测量了大鼠运动皮层神经元电压门控钠离子和钾离子通道电流,并分析了离子通道电流的时间依赖性、电压依赖性以及激活特性。 (3)测量了弱磁场作用下,电压门控钠离子通道电流,分析了弱磁场作用对电压门控钠离子通道特性的影响。研究发现在弱磁场作用下,钠离子的内向电流幅值与对照组相比大大降低,说明弱磁场作用抑制了钠通道的开放。 (4)利用HMM算法对仿真的单通道离子电流信号进行恢复和参数估计,仿真结果发现,在较高的转移概率和较低信噪比(SNR5)情况下,与阈值检测法相比,HMM能较好的恢复离子电流信号。 (5)利用小波包算法对离子电流信号进行重构,该算法运行简单,收敛速度快,恢复精度高,并且对电流的突变较为敏感,在低信噪比下能够很好地满足膜片钳测量系统的要求。 本文的研究为离子通道电流检测以及通道特性分析打下了一定基础,开辟了细胞和分子层面多学科交叉的微观信息检测与处理方法,对探索离子通道结构和功能具有重要的价值和意义。