細胞内の世界を探る
寄稿者：スティーブ・アンドレ博士（筋肉生理学者）
すべての生細胞は、細胞膜の内側と外側の溶液間で電荷の差を維持しています。細胞膜を横切る電圧差は通常、安定したレベルである安静膜電位として知られています。安静膜電位は、膜の両側におけるイオンの分布の違いによって生じます。筋繊維では、細胞内のカリウム濃度は細胞外液中のイオン濃度の50倍以上です。一方、ナトリウムの濃度は膜の外側の方が内側より10倍高くなっています。カリウムの濃度勾配はナトリウムの濃度勾配より大きく、逆方向です。イオン濃度は以下の3つの要因によって制御されています：
- ナトリウム・カリウムポンプ
- これらのイオンが濃度勾配に沿って拡散する相対速度
- 異なる電荷間の引力と斥力
ナトリウム・カリウムポンプ
ナトリウム・カリウムポンプは、ナトリウムを細胞外へ、カリウムを細胞内へ能動的に移動させます。細胞は自然に細胞外に多くのK+を持ち、細胞内に多くのNa+を持っています。このポンプはこれら2つのイオンの濃度勾配を細胞膜を越えて確立し維持します。濃度勾配は膜を横切るイオンバッテリーを形成し、ナトリウム・カリウムポンプはそのバッテリーを充電し続けます。このプロセスのアニメーションを見るには、以下をご覧ください：
ほとんどの細胞で-50～-90mVの範囲にある安静膜電位は、カリウムの拡散によって生じます。カリウムは大きな濃度勾配のため、他のどのイオンよりも速く膜を通過して拡散します。カリウムが細胞外へ拡散すると：
- 細胞内に過剰な負の電荷が生じる
- 細胞外のカリウムイオンが負のイオンを引き寄せる
- 細胞外のカリウムイオンが正のイオンを細胞内に押し戻す
これら他のイオンは比較的透過性が低いため、カリウムイオンほど速く移動しません。したがって、これらのイオンは細胞内の負の電位の中和に対してわずかな影響しか持ちません。カリウムの純移動は、細胞内外に形成される電位差によっても制限されます。細胞内の負の電位が正のカリウムイオンを引き戻します。平衡状態では、化学的な力（濃度勾配）によってカリウムイオンはチャネルを通って細胞外に押し出されますが、その力は電気的な力（負の電位）と同じ大きさでイオンを細胞内に引き戻します。膜電位は膜を越えた異なるイオンの濃度と膜のそれらイオンに対する相対的な透過性に依存します。
ガラス微小電極
安静膜電位、活動電位、遅い受容体電位およびシナプス電位は、WPIのDuo773のような細胞内電位計を用い、微細な先端を持つ液体充填のガラス微小ピペット（微小電極）で測定されます。
微小電極用増幅器
細胞、微小電極、増幅器のインピーダンスが適切に一致していることが重要です。そうでないと信号が失われる可能性があります。信号の振幅を保持するために、WPIのDuo773のような高インピーダンスの直流増幅器（細胞内電位計または微小電極用増幅器）が微小電極と記録装置の間の回路に使用されます。
このタイプの増幅器は、電圧フォロワーと呼ばれる回路を通じて微小電極のインピーダンスを記録装置の入力インピーダンスに合わせます。電位計の入力インピーダンスは通常1010Ω以上です。一般に、電位計の入力インピーダンスは記録に使用する微小電極のインピーダンスの少なくとも100倍以上であるべきです。微小電極の先端の断面積が非常に小さいため、電極を通る電流の流れが大幅に減少します。したがって、このタイプの電極は高インピーダンスと呼ばれます。これは、より小さな細胞からの電位をより小さな先端と高インピーダンスの微小電極で測定する場合、より高い入力インピーダンスを持つ電位計の使用が必要であることを意味します。
電位計は高い入力インピーダンスを持つだけでなく、出力インピーダンスが低く、記録装置の低入力インピーダンスにより近く一致しています。これにより、電位計で記録された膜電位の実際の振幅は記録装置に表示される振幅と一致します。これらの信号はほとんど増幅を必要としないため、電位計の出力ゲインはX1またはX10で十分です。
通常の安静膜電位（–50～–90mV）にはX1ゲインを使用します。通常5～10mVの範囲にあるシナプス電位にはX10ゲインを使用します。
注意：電位計は他のタイプの増幅器よりも電気的放射ノイズを拾いにくいです。
良質な細胞内電位計には、コンデンサ補償回路や「ティックラー」などの機能が備わっています。
コンデンサ補償回路
コンデンサ補償回路（ブリッジとも呼ばれる）は、通常コンデンサとして働き電荷を保持する細胞膜の影響を打ち消します。細胞に電気パルスを注入すると、注入された矩形波の角が丸くなります。これは細胞膜が注入電流を減衰させるためです。コンデンサ補償回路を使用すると、細胞膜の脱分極により注入された矩形波の角が鋭くなります。コンデンサ補償回路を使うことで、より効果的な注入パルスが得られます。注入された活動電位は応答時間が速くなり、記録される波形は注入された波形に忠実になります。コンデンサ補償回路は注入電位に対する細胞膜の影響を差し引きます。
ティックラー
ティックラーは微小電極を通して素早く鋭い電流パルスを送ります。リンガーとも呼ばれ、2つの目的があります。微小電極が細胞外にある場合、ティックラーは電極の先端を清掃するために使われます。微小電極が細胞に押し当てられて小さなくぼみができたとき、ティックラーを使うことで微小電極が細胞膜を貫通しやすくなります。
