脑神经化学活体原位电化学分析研究进展

　　摘 要 脑科学已经成为多学科交叉研究的前沿领域之一， 其中脑神经化学的研究由于能够揭示脑活动和脑疾病过程中的物质基础， 在神经科学和化学等领域引起了高度关注。电化学分析方法具有高灵敏度、高时空分辨、电极/溶液界面可设计等特点， 尤其适用于在活体动物层次开展脑神经化学的分析研究。本文围绕活体原位电化学分析方法的原理和特点， 综述了近年来电化学分析方法在脑神经化学研究中的应用， 并对其未来的发展前景进行了展望。

　　关键词 活体电化学分析; 脑神经化学; 原位检测; 评述

　　1 引 言

　　脑科学是目前国际前沿科技的热点研究领域之一， 对脑功能的研究有助于理解人类认知、情感等复杂生理过程的本质， 以及神经系统疾病的形成和发展规律。脑神经信號的传递以及代谢过程都离不开化学物质的参与， 因此， 针对脑内神经递质、调质、能量代谢物质、自由基、离子等诸多神经化学物质开展脑神经分析化学研究， 对于探索和认识神经生理、病理的分子机制， 都具有极其重要的意义。

　　脑神经化学物质的分析一般分为单囊泡、单细胞、脑片和活体等不同层次。其中， 在单囊泡、单细胞及脑片层次上进行化学物质检测脱离了活体生存的真实环境， 较难保持细胞之间固有的联系和相互作用。相比较而言， 活体层次对脑化学物质进行分析， 能够更加真实、直接地反映神经系统在各种生理、病理过程中对外界刺激的响应， 因而能够为脑神经生理、病理过程物质基础的探索提供最为直接的信息。

　　电化学分析方法通常具有灵敏度高、选择性好、时空分辨率高等优点， 且检测电极易于微型化， 适用于活体原位分析测定。活体原位电化学分析方法可望应用于脑内不同化学物质基础水平及其在一系列生理、病理过程中浓度变化的监测。脑神经活体原位电化学分析可追溯到20世纪50年代， Clark等[1]利用玻璃封装的铂丝作为研究电极， 首次通过电化学伏安法实现了脑内氧气浓度变化的实时监测。但是， 这一研究并没有引起研究者们的广泛关注。更为人们熟知的是， 1973年Adams 等[2]首次将微型碳糊电极植入大鼠脑中进行活体电化学研究， 其电极结构如图1A所示。该研究得到了活体脑内的第一张循环伏安图(图1B)，进一步验证了在脑内使用电化学方法实现生理活性物质检测的可行性， 引起了神经生理学家的高度关注， 标志着活体原位脑神经电化学分析的诞生。

　　近年来， 随着分析科学、化学、电子科学、神经科学等多学科的快速发展和交叉融合， 脑神经活体原位电化学分析也不断发展完善， 为相关生理、病理过程研究提供了重要的实验方法， 进一步推动了分析化学与脑神经科学的实质性交叉与融合。本文着重介绍活体原位电分析化学方法的原理、特点及其在脑神经化学研究中应用的进展， 并对其发展趋势进行展望。

　　2 活体原位电化学分析方法

　　目前，在神经科学领域， 利用电化学分析方法可实现多种生理活性物质的活体原位实时分析。表1列举了一些重要的生理活性物质及其活体原位电化学分析方法。

　　2.1 基于伏安法的活体原位电化学分析

　　伏安法是一类重要的电化学测量方法， 通过向电极施加调制的电压波形， 测量电化学体系的电流响应， 从而获得电极过程的电位 电流关系。通过对伏安曲线波形和峰高等参数进行分析， 可实现对于具有不同电化学参数的电化学活性物质进行定性与定量分析。伏安法选择性高， 可实现单一或多种物质同时的选择性分析。然而， 伏安法的时间分辨率通常会受到扫描速率的限制， 同时施加的调制电压波形也会对分析体系产生一定影响。

　　根据伏安法检测过程中施加波形的不同又可将其分为脉冲伏安法和电势扫描伏安法。其中， 脉冲伏安法的特点是可有效抑制背景充电电流， 并降低扩散层变化的影响， 具有灵敏度高、选择性高、可同时区分多种电化学活性物质等优势， 但时间分辨率比较低， 无法记录快速变化过程。自20世纪70年代以来， 以差分脉冲伏安法(Differential pulse voltammetry， DPV)为代表， 并包括常规脉冲伏安法(Normalpulse voltammetry， NPV)、 差分常规脉冲伏安法(Differential normal pulse voltammetry， DNPV)及方波伏安法(Square wave voltammetry， SWV)等在内的脉冲伏安法逐渐被应用于脑内多种神经递质的同时检测。为了提高伏安法的时间分辨率， 实现短时间递质快速变化过程的实时分析， 以快速扫描循环伏安法(Fast scan cyclic voltammetry， FSCV)为主的电势扫描伏安法在近几十年中得到了很好的发展。FSCV方法可实现快速分析， 但背景电流大， 难以用于神经化学物质基础水平的检测和长时程记录。目前， 该方法主要应用于多巴胺刺激释放等电化学活性神经化学物质的快速变化过程研究。

　　2.1.1 DPV方法 DPV法是一种脉冲伏安测量技术。检测过程中， 直流电压以一定频率和幅值进行步进扫描， 并在每次步进时叠加固定幅值(10～100 mV)的方波脉冲， 记录脉冲结束前和脉冲开始前的电流差值。DPV检测过程中采用的特殊脉冲波形、采样方法以及电流差减运算配合原位电化学检测使用的微电极， 可有效排除双电层充电电流以及扩散层变化的影响， 显著提高分析方法灵敏度和选择性。对于氧化电位差大于100 mV的电活性物质， 使用DPV方法可有效排除氧化还原电流的相互干扰， 实现不同物质的区分及定量分析。

　　DPV方法在活体原位电化学分析领域的应用可追溯到1976年， Lane等[22]首次使用经KI溶液处理过的铂微电极作为研究电极， 通过DPV方法实现了Sprague Dawley(SD)大鼠尾状核维生素C和儿茶酚胺浓度的同时检测， 其电极结构如图2A所示。随后， Gonon等[23]使用DPV方法实现了麻醉大鼠纹状体脑区电化学活性神经化学物质的原位分析， 记录到的DPV曲线如图2B所示。通过干预实验对比， 最终将记录到的儿茶酚电流信号归属为DOPAC。此后， DPV方法逐渐被应用于电活性神经化学物质的多组分同时分析。

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