전기생리학이란?
전기생리학은 세포막 전체의 전류 또는 전압 변화를 연구하는 분야입니다.
전기생리학 기법은 세포막 내 단일 이온 채널의 거동 이해부터, 세포 막전위에서의 전세포 변화, 생체 외 뇌 절편 또는 생체 내 뇌 영역 내 더 큰 스케일의 필드 전위 변화에 이르기까지 다양한 신경과학 및 생리학적 응용 분야 전반에서 광범위하게 사용됩니다.
가장 많이 사용되는 전기생리학 기법인 패치 클램프 기법은 이온 채널의 활성을 연구하는 데 가장 적합한 도구입니다. 이온 채널은 여러 신경 및 심혈관 질환에서의 핵심적인 역할과 그 생리학적 기능으로 인해 연구자들의 주요한 표적입니다.
세포 외 필드 전위 기록 기법을 사용하면 뉴런 집단의 시냅스 활성을 연구할 수 있으며, 뇌에서 어떻게 정보가 처리되는지 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다.
전기생리학 실험실
각 전기생리학적 실험실 셋업은 서로 상이하며, 실험의 요건이나 실험자가 숙련되지 않은 부분이 존재하게 됩니다. 여기에서는 세포 내 전기적 활성을 측정하는 모든 전용 셋업에 있어 일반적인 구성요소 및 고려사항을 설명합니다. 전기생리학적 셋업에 필요한 4가지 주요한 실험실 요건이 있습니다.
- 환경 — 시편을 건강한 상태로 유지하는 수단
- 광학 — 시편을 시각화하는 수단
- 기계공학 — 마이크로 전극을 안정적으로 위치시키는 수단
- 전자공학 — 신호를 증폭 및 기록하는 수단
아래 그림은 표준 전기생리학 Rig 셋업을 보여줍니다. 외부 간섭으로부터 셋업을 보호하는 테이블과 케이지, 마이크로 전극을 안정적으로 배치할 수 있는 미세조작기 장착 현미경, 획득한 신호를 수집하고 증폭할 수 있는 증폭기, 실험 프로토콜을 설정하고 수집된 데이터에서 유의미하며 실행 가능한 결과를 추출하기 위한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 Digitizer와 데이터 획득 및 분석 소프트웨어가 있습니다.
전기생리학 솔루션: Axon 장비
Axon™ instrument 포트폴리오는 증폭기, Digitizer, 소프트웨어, 액세서리를 포함하여 패치 클램프 기법에 사용할 수 있는 종합적인 솔루션을 제공합니다. 당사의 동급 최고 분석기기는 가장 작은 단일 채널에서부터 가장 큰 육안상 기록에 이르는 전 범위의 패치 클램프 전기생리학 기법의 편의성을 높입니다.
Axon pCLAMP™ 11 소프트웨어 제품군은 전압 클램프, 전류 클램프, 패치 클램프 실험을 제어하고 기록하기 위해 가장 많이 사용되는 전기생리학 데이터 획득 및 분석 프로그램입니다. 아래에 나열된 다양한 핵심 기능으로 워크플로를 간소화하여, 보다 정교하고, 더 효율적으로 실험을 수행하며 보다 고품질의 데이터를 생성할 수 있도록 합니다.
증폭기
패치 클램프 증폭기란? 이온 채널을 통과하는 전류 또는 세포막 전위의 변화를 측정하는 데 필요한 회로소자가 포함된 분석기기입니다.
왜 사용해야 합니까? 전류나 전압의 변화를 측정하기 위해서 입니다. 증폭기에는 세포막을 통과하는 전류의 크기와 방향 모두에 필수적인 회로소자가 포함되어 있습니다.
또한 증폭기는 전류의 이동에 따른 세포막 전위를 측정할 수 있습니다. 전류 이동을 개시하려면, 실험자가 전압 지령을 세포에 전달하고, 전압 지령을 유지하기 위해 필요한 전류를 세포에 통과시켜 세포가 이에 반응하도록 합니다. 반대로, 실험자가 전류를 주입하고 전류의 변화로 인한 막 전위의 변화를 측정할 수도 있습니다. 대상 신호를 증폭하고 필터링할 위치를 선택하는 것은 신호 충실도와 관련됩니다. 신호 증폭에 적합한 장소는 기록 기기 내부입니다. Axon™ 증폭기의 모든 모델은 다양한 게인을 이용한 전략으로 Pipette 전류 또는 막전위의 낮은 잡음 증폭을 제공하는 출력을 제어합니다. 증폭기를 기록 기기 내부에 배치하면 저레벨 신호와 무관한 잡음원을 감소시키는 증폭 회로소자 사이에 있는 회로소자의 양을 최소화합니다.
이용 가능한 증폭기: Axopatch™ 200B, MultiClamp™ 700B, Axoclamp™ 900A
Digitizer
이는 무엇입니까? Digitizer는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 데이터 획득 기기입니다.
왜 사용해야 합니까? Digitizer는 분석을 위해 데이터를 수집합니다.
증폭기에서 얻은 전류는 아날로그 신호이지만, High Resolution 패치 클램프 측정에 필요한 데이터 분석을 수행하기 위해서는 아날로그 신호를 반드시 디지털 신호로 변환해야 합니다. 증폭기와 컴퓨터 사이에 위치한 Digitizer가 이 중요한 작업을 수행합니다. 컴퓨터가 수신하는 신호 품질은 매우 중요하며, 이는 샘플링 빈도 또는 샘플링 비율에 따라 결정됩니다. 최신 세대의 Digidata® Digitizer는 500kHz에서 샘플링을 수행하며, HumSilencer™ 기능을 장착하여 50/60Hz의 라인 주파수 잡음을 제거할 수 있습니다.
이용 가능한 증폭기: Digidata 1550B 저소음 데이터 획득 시스템 및 HumSilencer
소프트웨어
이는 무엇입니까? 패치 클램프 데이터와 획득 및 분석 소프트웨어는 증폭기, Digitizer, 모든 다른 패치 클램프 전자 장치를 이용하는 사용자 인터페이스입니다.
왜 사용해야 합니까? 데이터 획득 및 데이터 분석을 수행하면서 Digitizer와 증폭기를 제어합니다.
증폭기와 Digitizer가 동시에 패치 클램프 실험에 도입되는 핵심 회로소자를 가지는 반면, 소프트웨어는 이러한 분석기기를 제어하여 원하는 전위를 전달하고 산출되는 전류나 전압을 측정합니다. 또한, 소프트웨어는 획득한 신호를 필터링, 정규화, 잡음 제거, 곡선 적합, Parameter 결정을 포함하는 사용자 정의 설정으로 분석합니다.
이용 가능한 증폭기: pCLAMP™ 11 소프트웨어
헤드스테이지
이는 무엇입니까? 마이크로 피펫에서 증폭기로 전기 신호를 전송하는 내장 회로소자를 이용하여 마이크로 피펫을 다루는 장치입니다.
왜 사용해야 합니까? 마이크로 피펫에서 획득한 전기 신호는 신호 처리를 위해 증폭기 시스템으로 전송되어야 합니다.
각 헤드스테이지는 특별히 증폭기에 맞추어져 있습니다. 모든 헤드스테이지는 잡음을 감소시키는 중요한 전기 회로소자를 포함합니다. 또한 헤드스테이지는 미세조작기를 통해 기계적으로 제어됩니다.
이용 가능한 헤드스테이지: Axon 헤드스테이지
미세조작기가 장착된 현미경
이는 무엇입니까? 현미경은 광학적 확대 도구입니다. 미세조작기는 마이크로 피펫을 나노미터 정밀도로 기계적으로 조작하여 보통의 3차원 이동을 가능하게 하는 장치입니다.
왜 사용해야 합니까? 정밀하고 안정적으로 마이크로 피펫을 세포막 영역에 위치하도록 하여, 성공적으로 기록할 수 있도록 합니다.
패치 전극을 10~20µm의 세포에 정확히 배치하려면 조영 증강(예: Nomarski/DIC, Phase 또는 Hoffman) 및 3D 공간에 전극을 안정적으로 위치시키는 미세조작기를 이용하여 최대 300 또는 400배율로 확대하는 광학 시스템이 요구됩니다. 시편 위에서 보다 전극에 쉽게 접근할 수 있으며, 미세조작기를 접합하기 위해 보다 큰 규모로 더 고체 상태인 플랫폼을 제공하는 도립현미경이 선호됩니다. 미세조작기는 X축, Y축, Z축을 따라 분 단위로 전극을 이동시킬 수 있습니다. 이후, 미세조작기가 해당 위치를 무기한 유지할 수 있습니다.
페러데이 케이지 및 AIR/ANTI-V
이는 무엇입니까? 간섭원을 분리하기 위해 패치 클램프 주변에 테이블과 케이지를 셋업 합니다.
왜 사용해야 합니까? 외부 간섭으로부터 셋업을 보호합니다.
패치 클램프 실험 중에 측정된 전류의 크기는 매우 작을 수 있으며(pico-amp 범위에서), 전파와 같은 작은 간섭원이 이러한 신호를 왜곡하거나 모호하게 할 수 있습니다. 패러데이 케이지는 현미경과 기록 챔버 주위의 와이어 메쉬 인클로저입니다. 전극이 무관한 잡음원을 포착하는 것을 방지하는 데 유용합니다. 추가로, 피코 미터 단위인 작은 진동원은 기록을 방해할 수 있습니다. 따라서, 모든 구성요소는 실험 경과 시간 내내 반드시 완벽하게 배치되어야 하며, 공기 또는 진동 방지 테이블을 사용해 이 배열을 방해할 수 있는 외부 진동원으로부터 셋업을 분리하여야 합니다.
