為什么要做膜片鉗？
繼熒光成像之外，膜片鉗電生理學(xué)已成為細(xì)胞生理學(xué)研究的主力技術(shù)。事實(shí)上，即使是細(xì)胞成像方法也經(jīng)常建立在膜片鉗實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上。為了研究離子通道的功能、神經(jīng)調(diào)控、突觸可塑性和神經(jīng)元連接性，沒(méi)有技術(shù)能提供接近膜片鉗的時(shí)間分辨率和信噪比。

因此，在研究大多數(shù)細(xì)胞（植物細(xì)胞、肌細(xì)胞、神經(jīng)元、心肌細(xì)胞）的功能來(lái)龍去脈時(shí)，無(wú)論是在完整的組織中還是孤立的，那么膜片鉗很可能是需要考慮的關(guān)鍵技術(shù)之一。

從不同的記錄配置（即全細(xì)胞、切除的貼片、細(xì)胞附著、松散密封）到將記錄與基因分析或成像相結(jié)合，技術(shù)的范圍正在穩(wěn)步增長(zhǎng)。

膜片鉗走向何方？
膜片鉗裝置，用于同時(shí)記錄多達(dá) 10 個(gè)神經(jīng)元（A patch clamp rig for simultaneous recordings from up to ten neurons (Image kindly provided by the lab of Prof. Jörg Geiger, Charité Berlin)。

膜片鉗記錄已經(jīng)進(jìn)入了“中年”，使用量持續(xù)增長(zhǎng)了 40 多年。近三十年前，全細(xì)胞記錄與熒光成像的首次結(jié)合是膜片鉗的第一次“升級(jí)”。與此同時(shí)，從越來(lái)越小的結(jié)構(gòu)中進(jìn)行記錄的非官方競(jìng)賽正在進(jìn)行中——首先是近端樹(shù)突、遠(yuǎn)端樹(shù)突，然后是微小的基底樹(shù)突、軸突，最后是突觸連接......在培養(yǎng)物中，在切片中，在體內(nèi)。

如今，全細(xì)胞記錄通常與記錄后細(xì)胞的遺傳分析相結(jié)合，為轉(zhuǎn)錄組學(xué)帶來(lái)單細(xì)胞分辨率。同時(shí)，膜片鉗越來(lái)越多地用于旨在獲取大型數(shù)據(jù)集的研究——無(wú)論是用于篩選藥物或轉(zhuǎn)基因構(gòu)建體，還是解開(kāi)神經(jīng)元或其他細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)。

不言而喻，所有這些方法（電記錄、基因分析、成像和增加的通量）將在細(xì)胞生理學(xué)和藥理學(xué)中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

一組三張圖像，每張圖像都顯示了急性腦切片中相同的第 5 層神經(jīng)元，該切片被玻璃電極拉扯，連續(xù)從細(xì)胞中漂移。

漂移電極：用充滿染料的移液器修補(bǔ)的第 5 層神經(jīng)元。在第一個(gè)（左）面板中，移液器緊貼著細(xì)胞。在連續(xù)的圖像中，電極從細(xì)胞中漂移，拉伸膜并導(dǎo)致進(jìn)入阻力增加（image kindly provided by Dr. Grit Bornschein, Carl Ludwig Institute, Leipzig University）。

如上所述，由于記錄設(shè)置的不同部分性能不佳以及無(wú)法很好地協(xié)同工作，這些問(wèn)題的影響會(huì)因?qū)嶒?yàn)的日益復(fù)雜而加劇。最終，這一切都會(huì)減慢實(shí)驗(yàn)的速度。

同時(shí)，通過(guò)同時(shí)從多個(gè)單元和位置進(jìn)行記錄來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的通量，也意味著更電極、接近細(xì)胞和形成密封等重復(fù)性任務(wù)會(huì)占用大量時(shí)間，并成為數(shù)據(jù)通量的瓶頸。

最后，在城市的大部分實(shí)驗(yàn)室中尤其感受到一個(gè)問(wèn)題：控制電子設(shè)備來(lái)驅(qū)動(dòng)所有這些設(shè)備會(huì)占用空間。由于膜片鉗中使用的大多數(shù)設(shè)備都依賴(lài)于 19 英寸控制架，因此同時(shí)記錄 8 個(gè)或 10 個(gè)目標(biāo)的系統(tǒng)通常需要比實(shí)際實(shí)驗(yàn)設(shè)置更多的空間來(lái)容納控制電子設(shè)備。

集成的膜片鉗工作站是解決方案的關(guān)鍵
為了解決這些問(wèn)題，集成膜片鉗工作站就派上用場(chǎng)了：多個(gè)顯微操作器、顯微鏡和樣品臺(tái)的組合，所有這些都由一個(gè)統(tǒng)一的控制系統(tǒng)連接起來(lái)，共同確保整個(gè)系統(tǒng)高效、平穩(wěn)地運(yùn)行。

如果不同的設(shè)備基于當(dāng)今的尖端技術(shù)，這將更上一層樓：使用閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制提供的穩(wěn)定性和高可重復(fù)性 - 無(wú)論是機(jī)械手還是顯微鏡，都消除了典型的痛點(diǎn)。即使在低通量實(shí)驗(yàn)中，同時(shí)記錄一個(gè)或兩個(gè)細(xì)胞也大大減輕工作量。

一個(gè)完全集成的膜片鉗工作站，用于多達(dá) 8 個(gè)單元的并行記錄。

在這里，特別是壓電技術(shù)的使用使機(jī)械手可以數(shù)小時(shí)無(wú)漂移并且不會(huì)產(chǎn)生可檢測(cè)的電噪聲。機(jī)械手的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性只是一個(gè)方面 - 確保樣品臺(tái)的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)是關(guān)鍵。特別是，如果記錄的細(xì)胞具有廣闊的樹(shù)突或分布在大面積上。如果所有這些都可以通過(guò)比小型 PC 機(jī)占用更少空間的電子設(shè)備來(lái)控制，那就更好了。

在提高吞吐量時(shí)，這些高度可重復(fù)的定位設(shè)備可以輕松實(shí)現(xiàn)重復(fù)性任務(wù)的自動(dòng)化。允許研究人員專(zhuān)注于實(shí)驗(yàn)的重要部分。

提高通量的最后一步是自動(dòng)化更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)部分：最近的發(fā)展使得重復(fù)使用電極成為可能，而不是手動(dòng)更換它們——將連接性研究的通量提高了 75% 以上。

最后，通過(guò)使用精細(xì)校準(zhǔn)的壓力控制器實(shí)現(xiàn)的密封形成自動(dòng)化，將膜片鉗記錄的可重復(fù)性提升到了一個(gè)新的水平。這些壓力控制器與自動(dòng)運(yùn)動(dòng)序列配對(duì)，可以在記錄后自動(dòng)從細(xì)胞中提取遺傳物質(zhì)并存入 PCR 樣品瓶中，這是不言而喻的。

如果硬件提供統(tǒng)一的控制接口，最好是可以從第三方或自行編寫(xiě)的軟件輕松訪問(wèn)的接口，那么這些先進(jìn)技術(shù)的相互作用將實(shí)現(xiàn)復(fù)雜序列的自動(dòng)化。這可以通過(guò)功能強(qiáng)大且易于使用的軟件開(kāi)發(fā)工具包 （SDK） 來(lái)實(shí)現(xiàn)，該工具包帶有常用編程語(yǔ)言（如 Python）的包裝器。實(shí)現(xiàn)這種控制級(jí)別的開(kāi)源軟件包，以及機(jī)器視覺(jué)和數(shù)據(jù)采集功能，已經(jīng)為那些想要進(jìn)入下一代膜片鉗實(shí)驗(yàn)的人提供服務(wù)。

那么，這將把我們帶到哪里呢？補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)仍將是一項(xiàng)需要技能和經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)。即使是最集成的系統(tǒng)也不會(huì)將電生理學(xué)研究變成一門(mén)“按一下按鈕就完成了”的學(xué)科。但它會(huì)消除許多令人頭疼的問(wèn)題，讓您專(zhuān)注于重要的事情：做科學(xué)研究。

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