Аппаратура для электрофизиологических экспериментов 

Электрофизиология - раздел физиологии, изучающий электрические явления в организме.

В настоящее время собственно электрофизиология является одновременно методической базой многих разделов физиологии и психологии, а также медицины и биофизики.

Блок-схема стандартной современной электрофизиологической экспериментальной установки:

Экспериментальный стол – стол для размещения экспериментального оборудования, при помощи которого будет осуществляться отведение биопотенциалов. В большинстве случаев для стабильной работы оборудования необходимо устанавливать противовибрационные столы, которые защищают оборудование от вибраций, связанных с активностью людей, машин, систем обогрева и вентиляции, дорожного движения по соседству и.т.п. Незаметные для человека, такие вибрации, тем не менее, существенно мешают проведению патч-кламп экспериментов, микроинъекции, взвешиванию на аналитических весах, микроскопии. Зачастую антивибрационные столы снабжаются камерами фарадея, которые защищают оборудование от электромагнитных помех.

Микроскоп – В большинстве случаев отведение биопотенциалов проводится под микроскопом. Это связано с малыми размерами объекта исследования (исключение составляют случаи отведения электрических сигналов от целого организма или изолированных органов). В настоящее время практически все известные производители микроскопов выпускают специализированные микроскопы для электрофизиологии, которые продаются под грифом - электрофизиологическая станция. Такие микроскопы имеют все необходимое для удобной работы с живыми препаратами и могут быть модифицированы, в зависимости от поставленной задачи исследования.

Камера - помещение для объекта исследования, удовлетворяющее условиям его жизнедеятельности и отведения биопотенциалов. В зависимости от поставленной задачи и особенностей экспериментального образца камера может быть термостатируемой, снабженной датчиками для измерения температуры и параметров физиологических растворов. Камера может также обеспечивать звуко-, свето-, магнитно- и электроизоляцию объекта исследования. Камера также обеспечивает механическую фиксации образца. В зависимости от применяемой системы перфузии растворов, камера может быть снабжена дополнительными приспособлениями для подачи и смены жидкости. Для простейших экспериментов в качестве камеры может быть использована обычная чашка Петри.

Система перфузии. Для поддержания жизнедеятельности объекта исследования и подачи экспериментальных растворов используют системы перфузии. Существует большое количество различных схем их построения. Во многих случаях системы перфузии конструируются самими экспериментаторами. В настоящее время наиболее удачные схемы реализованы коммерчески и доступны для приобретения. Так же стоит отметить, что для некоторых сложных в методическом плане задач самостоятельное создание систем перфузии бывает затруднительно. В простейшем случае для поддержания жизнедеятельности образца и подачи растворов система перфузии состоит из нескольких сосудов с клапанами или кранами, смесителя, системы регуляции течения жидкости и насоса для удаления отработанного раствора. Существуют так же системы для локальной аппликации растворов непосредственно в зону отведения биопотенциалов. Они более сложны и снабжаются специальными устройствами для быстрой смены аплицируемых растворов.

Усилитель - это устройство, при помощи которого производится регистрация и усиление биопотенциалов. Электрофизиологический биоусилитель состоит из предусилительной головки и блока регистрации. Предусилительная головка необходима для согласования электрического сопротивления объекта и микроэлектрода, а также для разделения электрических цепей объекта и усиливающей аппаратуры. Предусилительная головка крепится на микроманипуляторе и к ней через держатель электродов присоединяется регистрирующий электрод. В предусилителе сигнал от биологического объекта усиливается и передается по проводам в блок регистрации усилителя. Так же в головке предусилителя осуществляется компенсация емкости электрода и коммутация входных цепей регистрации. В блоке регистрации усилителя осуществляется дальнейшее усиление биопотенциалов до величин, достаточных для визуального наблюдения на экране осциллографа или мониторе компьютера. Блок может содержать усилитель постоянного/переменного тока, цепи фильтрации, коммутации калибровки и т.д.

Существует несколько основных видов электрофизиологических усилителей. Выбор типа усилителя следует производить в зависимости от методического подхода решения конкретной экспериментальной задачи. При помощи некоторых усилители можно проводить несколько типов измерений, но в основном только в рамках той методики, для которой он был разработан.
К сожалению, не существует полностью универсального усилителя, который бы мог решать все задачи поставленные пред современным электрофизиологом. Поэтому выбор усилителя достаточно серьезная задача для исследователя. В настоящее время доступен достаточно широкий спектр усилителей от разных производителей. Можно выделить несколько основных классов усилителей:

• внутриклеточные
• внеклеточные
• усилители для patch-clamp
• потенциостаты

Микроманипулятор – устройство предназначенное для позиционирования микроэлектрода, патч- пипетки, микроинструмента и т.п. с точностью от 0.1 до 10 мкм. При выборе манипулятора нужно руководствоваться точностью, с которой необходимо позиционировать микроинструмент во время эксперимента. Также необходимо обратить внимание на то насколько удобно будет пользоваться манипулятором: менять микроэлектроды, позиционировать электрод в рабочей области объектива и т.д. Так же стоит обратить внимание на крепление микроманипулятора на рабочем столе. Манипуляторы делят в основном по принципу действия:

• механические
• гидравлические
• моторизованные
• пьезоманипуляторы

На данный момент на рынке представлено довольно большое количество различных типов микроманипуляторов от разных производителей цены на  которые варьируются в широком диапазоне. Для многих задач подходят недорогие простые механические

Блок стимуляции (электрофизиологический стимулятор) генерирует сигналы, которые являются внешними стимулами для вызова реакций (биопотенциалов) объекта и состоит из генератора импульсов и изолирующей головки. Генератор создает одиночные импульсы, последовательность импульсов или пачек импульсов которые поступают на изолирующую головку и подаются на биологический объект через специальные стимулирующие электроды. В изолирующей головке стимул усиливается до амплитуды, необходимой для возбуждения биологического объекта, и изолируется от генератора при помощи оптронной развязки. Изолирующая головка обычно питается от батарей для уменьшения помех. В настоящее время многие функции стимулятора может выполнять компьютер, соединенный с изолирующей головкой, но в этом случае могут возникать проблемы связанные с программным обеспечением и его взаимодействием с операционной системой, установленной на компьютере, поскольку при генерации импульсов необходимо точно отсчитывать заданные промежутки времени. В связи с этим многие исследователи предпочитают использовать отдельные генераторы для формирования стимулирующих импульсов.

Блок обработки современной электрофизиологической установки обычно состоит из компьютера с устройствами АЦП и ЦАП и обеспечивает выделение полезного сигнала из шума, а также используется для накопления, суммации, усреднения биоэлектрической активности объекта. Технические возможности современных компьютеров и устройств АЦП и ЦАП позволяют решать практически все электрофизиологические задачи. Зачастую лимитирующим фактором является программное обеспечение и грамотное конфигурирование оборудования. Поэтому при выборе обрабатывающей аппаратуры, прежде всего, нужно обращать внимание на то какое программное обеспечение идет в комплекте и можно ли при помощи него измерять необходимые параметры биологических сигналов.