[论文解读] Electrical Structure of Biological Cells and Tissues: impedance spectroscopy, stereology, and singular perturbation theory

Bob Eisenberg|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2015

Neuroscience and Neural Engineering被引用 8

一句话总结

本文提出了一套结合阻抗谱分析、立体学和奇异摄动理论的框架，用于分析生物细胞和组织的电结构。研究表明，尽管在非线性系统中存在局限性，阻抗谱分析仍能稳健地分辨膜和细胞外通路，特别是在骨骼肌、心肌和眼晶状体中，从而推动了双域理论的建立与验证，使其成为理解复杂组织电行为的基石。

ABSTRACT

Impedance Spectroscopy resolves electrical properties into uncorrelated variables, as a function of frequency, with exquisite resolution. Separation is robust and most useful when the system is linear. Impedance spectroscopy combined with appropriate structural knowledge provides insight into pathways for current flow, with more success than other methods. Biological applications of impedance spectroscopy are often not useful since so much of biology is strongly nonlinear in its essential features, and impedance spectroscopy is fundamentally a linear analysis. All cells and tissues have cell membranes and its capacitance is both linear and important to cell function. Measurements proved straightforward in skeletal muscle, cardiac muscle, and lens of the eye. In skeletal muscle, measurements provided the best estimates of the predominant (cell) membrane system that dominates electrical properties. In cardiac muscle, measurements showed definitively that classical microelectrode voltage clamp could not control the potential of the predominant membranes, that were in the tubular system separated from the extracellular space by substantial distributed resistance. In the lens of the eye, impedance spectroscopy changed the basis of all recording and interpretation of electrical measurements and laid the basis for Rae and Mathias extensive later experimental work. Many tissues are riddled with extracellular space as clefts and tubules, for example, cardiac muscle, the lens of the eye, most epithelia, and of course frog muscle. These tissues are best analyzed with a bidomain theory that arose from the work on electrical structure described here. There has been a great deal of work since then on the bi-domain and this represents the most important contribution to biology of the analysis of electrical structure in my view.

研究动机与目标

• 使用阻抗谱分析作为主要分析工具，理解生物细胞和组织的电结构。
• 通过整合立体学提供的结构知识，解决传统线性分析在非线性生物系统中的局限性。
• 利用奇异摄动理论构建理论框架，以模拟具有广泛分离长度尺度的组织中（如膜和细胞外空间）的电势分布，特别是在存在大量细胞外裂隙和管状结构的组织中。
• 验证双域模型在准确描述心肌和眼晶状体等组织电行为中的必要性。
• 为解释上皮组织、肌肉及其他具有复杂微观结构组织的电测量结果提供理论基础。

提出的方法

• 利用阻抗谱分析将电特性分解为频率相关且不相关的变量，从而精确分析膜和细胞外贡献。
• 应用立体学方法量化组织的几何结构，特别是细胞外裂隙和管状结构的分布与连通性。
• 采用奇异摄动理论模拟在膜和细胞外空间等长度尺度差异显著的系统中的电势分布。
• 将阻抗谱数据与结构模型相结合，推断骨骼肌和心肌等组织中的主要电流通路。
• 推导并应用双域模型作为具有两个独立导电区域（细胞内和细胞外）组织的数学框架。
• 将理论预测与心肌和眼晶状体的微电极电压钳位及阻抗测量实验数据进行对比验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管生物系统具有固有的非线性，阻抗谱分析如何能有效应用于这些系统？
• RQ2 膜电容和细胞外裂隙结构在决定组织电特性方面起什么作用？
• RQ3 双域模型在多大程度上能准确表征具有复杂微观结构（如心肌和眼晶状体）组织的电行为？
• RQ4 为何经典微电极电压钳位无法控制心肌管状膜的电位？
• RQ5 立体学如何增强对生物组织中阻抗谱分析数据的解释？

主要发现

• 阻抗谱分析为骨骼肌中主要膜系统的估计提供了最精确的结果，揭示了其在电特性中的主导作用。
• 在心肌中，阻抗谱分析表明，由于膜与细胞外空间之间存在分布电阻，经典电压钳位无法控制管状系统的膜电位。
• 在眼晶状体中，阻抗谱分析从根本上改变了对电测量结果的解释，使Rae和Mathias得以建立全面的实验框架。
• 心肌和上皮组织中广泛存在的细胞外裂隙和管状结构，要求必须使用双域理论进行准确建模。
• 本分析所导出的双域模型，成为理解生物组织电行为的最重要理论贡献。
• 阻抗谱分析、立体学与奇异摄动理论的整合，使对电流通路的稳健、定量洞察成为可能，而这些洞察是其他方法无法获得的。