神经环路应用（25）丨膜片钳技术应用及案例解析

膜片钳技术是解析神经环路功能的核心工具之一，能够在单细胞甚至单通道水平上精确记录神经元的电活动，从而深入揭示神经环路中信息传递与调控的机制。膜片钳技术以其高时空分辨率和高灵敏度，广泛应用于神经环路的“功能解码”。它不仅能揭示单个神经元的内在特性，更能深入剖析突触连接的强度、可塑性与分子机制，是连接神经环路结构与行为功能的关键桥梁。

主要应用

1. 记录神经元基本电生理特性

通过电流钳模式，测量神经元的静息膜电位、输入电阻、动作电位发放频率和模式（如簇状放电、自发放电等），用于鉴定不同类型的神经元（如兴奋性锥体神经元与抑制性中间神经元），为环路中细胞功能分类提供依据。

2. 研究突触传递功能

在电压钳模式下，记录诱发电或自发的兴奋性/抑制性突触后电流（eEPSCs/sEPSCs 或 eIPSCs/sIPSCs），评估上游神经元对目标细胞的突触输入强度、短时程可塑性（如配对脉冲比）和长时程可塑性（LTP/LTD），揭示特定通路的功能连接特性。

3. 解析突触受体组成与动力学

结合药理学手段，利用膜片钳分离不同受体介导的电流（如AMPAR、NMDAR、GABAAR等），分析其相对贡献（如NMDA/AMPA比值）、动力学特征（如失活时间、整流性质）和调制机制，阐明突触可塑性的分子基础。

4. 验证光/化学遗传学操控效果

在光遗传或化学遗传实验中，通过膜片钳直接记录目标神经元在光刺激或药物作用下的膜电位或电流变化，确认操控的特异性与有效性，建立神经活动与行为的因果关系。

体外脑片电生理记录

实验目的：

验证氯胺酮对抑郁样小鼠不同脑区（外侧缰核 LHb、海马CA1 区）神经元 NMDAR电流的特异性阻断作用，明确脑区差异的分子机制。为氯胺酮作为快速抗抑郁药的脑区特异性机制提供直接电生理证据。

操作步骤简介：

（1）脑片制备

模型构建：通过慢性束缚应激（CRS） 处理 C57BL/6 小鼠 14 天（每天 2-6 小时，置于带透气孔的 50ml 离心管中），构建抑郁样模型；同时设置正常小鼠对照组。

药物处理：向小鼠腹腔注射氯胺酮（10mg/kg）或生理盐水，1 小时后用 1% 戊巴比妥钠麻醉，经心脏灌注含 95% O₂+5% CO₂的冰浴人工脑脊液。

切片：快速取脑，置于冰浴 ACSF 中，用振动切片机将含 LHb 或海马CA1 区的脑组织切成 300μm 厚的矢状切片，转移至 32℃ ACSF 中孵育至少 1 小时恢复，期间持续通氧。

（2）全细胞膜片钳记录

电流分离与记录：

基础设置：外液添加 100μM GABAAR受体阻断剂荷包牡丹碱（PTX），刺激电极置于记录胞体 200μm 处（LHb 区刺激髓纹纤维，CA1 区刺激 Schaffer 侧支），刺激脉冲强度 0.25-1.50mA、时长 0.2ms，每 6-10 秒刺激一次。

AMPAR-eEPSC 记录：细胞钳位在 - 70mV，记录峰值电流（AMPAR 介导的快反应）；

NMDAR-eEPSC 记录：细胞钳位在 + 40mV，待 AMPAR 电流衰减至基线后（LHb 区 35ms、CA1 区 60ms，因两区域 AMPAR 失活速度差异），记录慢反应电流；

纯 NMDAR 电流验证：外液同时添加 10μM AMPAR 阻断剂 NBQX 和 PTX，直接记录 NMDAR-eEPSC峰值。

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（3）案例结果详细解析

Fig1 氯胺酮注射对抑郁样小鼠LHb神经元与海马CA1锥体神经元NMDAR电流的特异性影响

图 B：刺激电极和记录电极在 LHb 脑片上的位置：刺激电极放在LHb的输入纤维），记录电极放在 LHb 神经元胞体附近。

外液添加了荷包牡丹碱（PTX）：PTX 是 GABAA受体阻断剂，能阻断抑制性突触的干扰，让实验只关注 “兴奋性突触电流”（由 AMPAR 或 NMDAR 介导）。

图 C：同一神经元在两种电压下的电流：

钳位在 -70mV 时：记录到的是AMPAR 介导的快电流（因为 NMDAR 在- 70mV 时被 Mg²⁺阻断，只有AMPAR开放）。

钳位在 +40mV 时：记录到的是NMDAR 介导的慢电流（Mg²⁺的阻断作用被解除，NMDAR 开放，且 AMPAR 的电流已经衰减到基线）。

氯胺酮处理后，+40mV 时的 NMDAR 电流明显变小，而- 70mV时的 AMPAR 电流变化不大，初步提示 “氯胺酮可能只阻断 NMDAR”。

检测“刺激强度梯度” 下的电流变化

用不同强度的刺激（0.0、0.5、1.0、1.5mA）激活突触，记录电流振幅。

图 D（NMDAR - eEPSC，+40mV）：氯胺酮组的电流振幅随刺激强度增加，始终显著低于生理盐水组，说明氯胺酮对 NMDAR 的阻断是 “剂量依赖” 的（刺激越强，阻断效果越明显，但始终比对照组低）。

图 E（AMPAR - eEPSC，-70mV）：氯胺酮组和生理盐水组的电流振幅几乎重合，说明氯胺酮不影响 AMPAR。

量化NMDAR的抑制程度

图 F（NMDAR - eEPSC振幅，1.5mA刺激）：直接统计最大刺激强度下的 NMDAR 电流振幅，氯胺酮组显著低于生理盐水组，定量证明氯胺酮明显阻断 LHb的NMDAR。

图 G（NMDA/AMPA比值）：计算NMDAR 电流振幅 ÷ AMPAR 电流振幅的比值。氯胺酮组比值显著低于生理盐水组，从 “比例” 角度再次证明：NMDAR 被阻断，而 AMPAR 没变化，所以比值下降。

药物隔离纯NMDAR 电流的验证

外液同时添加NBQX（AMPAR 阻断剂）和PTX（GABAAR阻断剂），此时记录到的电流只有 NMDAR 介导（因为 AMPAR 和抑制性受体都被阻断）。

图 N（电流曲线）：氯胺酮组的纯 NMDAR 电流明显比生理盐水组小。

图 O（峰值振幅统计）：氯胺酮组的纯 NMDAR 电流峰值显著低于生理盐水组彻底排除 “AMPAR 或其他受体干扰”，直接证明氯胺酮对 LHb 的 NMDAR 有特异性阻断作用 。

总结

该案例实验通过 “分离受体电流、刺激强度梯度、药物隔离纯受体电流” 等手段层层递进证明：氯胺酮能特异性阻断抑郁样小鼠 LHb 神经元的 NMDAR 电流且不影响AMPAR或其他脑区的 NMDAR，为氯胺酮抗抑郁的脑区特异性提供了关键的电生理证据。

文献引用：

• Chen M, Ma S, Liu H, Dong Y, Tang J, Ni Z, Tan Y, Duan C, Li H, Huang H, Li Y, Cao X, Lingle CJ, Yang Y, Hu H. Brain region-specific action of ketamine as a rapid antidepressant. Science. 2024 Aug 9;385(6709):eado7010. doi: 10.1126/science.ado7010. Epub 2024 Aug 9. PMID: 39116252; PMCID: PMC11665575.

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