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大鼠皮层神经细胞膜离子通道电流测量与重构

作 者: 吴晋芝
导 师: 乔晓艳
学 校: 山西大学
专 业: 物理电子学
关键词: 离子通道 HMM 小波包 膜片钳技术 磁场生物效应
分类号: Q42
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要


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(SNR<5)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。

全文目录


中文摘要  10-11ABSTRACT  11-13第一章 绪论  13-18  1.1 课题研究背景及意义  13-14  1.2 课题研究现状和存在问题  14-17    1.2.1 离子通道膜片钳技术研究现状  14-15    1.2.2 离子单通道电流检测方法研究现状  15-16    1.2.3 离子单通道模研究现状  16-17  1.3 论文主要研究内容和结构  17-18第二章 细胞膜离子通道膜片钳实验技术  18-27  2.1 细胞膜离子通道  18-21    2.1.1 离子通道基本特性  18-20    2.1.2 细胞膜离子通道电特性  20-21  2.2 膜片钳测量技术  21-26    2.2.1 膜片钳测量基本原理  21-22    2.2.2 膜片钳记录模式  22-24    2.2.3 离子通道的膜片钳测量方法  24-26  2.3 本章小结  26-27第三章 脑皮层神经元电压门控离子通道电流测量  27-41  3.1 引言  27  3.2 实验材料  27-29  3.3 大鼠运动皮层神经元分离  29-30    3.3.1 急性分离方法  29    3.3.2 细胞形态学观察  29-30  3.4 离子通道电流测量  30-36    3.4.1 全细胞跨膜总电流测量  30-31    3.4.2 电压门控钠离子电流  31-35    3.4.3 延迟整流钾离子电流  35-36  3.5 膜片钳实验中存在问题与解决方法  36-39    3.5.1 细胞标本制备中的问题及解决方案  36-37    3.5.2 玻璃微电极的拉制  37-38    3.5.3 放大器过载问题及其解决方法  38    3.5.4 膜片钳实验中的误差及补偿  38-39  3.6 本章小结  39-41第四章 基于HMM的离子单通道电流重构  41-53  4.1 引言  41  4.2 HMM基本理论  41-42  4.3 HMM参数定义  42-43  4.4 HMM算法  43-48    4.4.1 前-后向算法  43-45    4.4.2 Baum-Welch算法  45-47    4.4.3 Viterbi算法  47-48  4.5 仿真实验  48-52    4.5.1 实验结果及分析  48-51    4.5.2 HMM与阈值检测法比较  51-52  4.6 本章小结  52-53第五章 基于小波分析的离子单通道电流重构  53-63  5.1 引言  53  5.2 小波基本原理  53-55  5.3 小波包基本原理  55-57  5.4 尺度能量分布原理  57-58  5.5 仿真实验  58-62    5.5.1 基于小波变换的离子单通道电流恢复  58-60    5.5.2 基于小波包算法的离子单通道电流恢复  60-62    5.5.3 实验结果比较与分析  62  5.6 本章小结  62-63第六章 总结与展望  63-65  6.1 总结  63  6.2 展望  63-65参考文献  65-70攻读学位期间取得的研究成果  70-71致谢  71-72个人简况及联系方式  72-74

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中图分类: > 生物科学 > 生理学 > 神经生理学
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