Elektrofysiologi är studiet av de elektriska egenskaperna hos biologiska celler och vävnader. Fältet omfattar mätningar av spänningsförändringar och elektriskt strömflöde i många olika skalor – från enskilda jonkanalproteiner till hela organ, såsom hjärtat. Inom neurovetenskapen omfattar elektrofysiologi särskilt mätningar av neuronernas elektriska aktivitet, till exempel aktionspotentialer och synaptisk transmission.

Översikt och begrepp

Elektrofysiologi beskriver hur elektriska potentialer uppstår och förändras i biologiska system. Dessa potentialer beror på jonfördelning över membran och på jonkanalers och pumpars egenskaper. Skillnader i membranpotential är centrala för nervsignalering, muskelkontraktion och hjärtats rytm.

Mätmetoder

  • Intracellulära metoder: skarpa mikroeletroder och patch clamp-tekniker används för att mäta spänning och ström inne i enskilda celler eller genom en enda jonkanal.
  • Extracellulära inspelningar: elektroder placerade nära celler eller i vävnad fångar elektrisk aktivitet från flera celler samtidigt; det inkluderar multielektrodarrayer och fältpotentialmätningar.
  • Elektrokardiografi (EKG/ECG) och elektroencefalografi (EEG): icke-invasiva metoder för att registrera elektrisk aktivitet från hjärta respektive hjärna i klinisk och forskningssammanhang.
  • Optiska metoder: fluorescensbaserade tekniker med kalciumsensorer eller spänningskänsliga färgämnen och optogenetik används för att komplettera elektriska mätningar eller styra aktiviteten.
  • Modellering: matematisk och datorbaserad modellering (t.ex. Hodgkin–Huxley-typiska modeller) används för att tolka data och förutsäga systemens dynamik.

Tillämpningar

  • Grundforskning: förståelse av membranförmågor, jonkanaler och signalöverföring i nervceller och muskelceller.
  • Klinik: diagnostik av hjärtarytmier, epilepsi och andra störningar i elektrisk aktivitet; elektrofysiologiska undersökningar används även inför vissa kirurgiska ingrepp.
  • Terapier och medicinteknik: pacemakers, implanterbara defibrillatorer och djup hjärnstimulering är exempel på tekniker som bygger på kunskap om biologisk elektricitet.
  • Läkemedelsutveckling: elektrofysiologiska metoder används för att karakterisera läkemedels effekter på jonkanaler och excitabilitet.

Tekniska och etiska aspekter

Mätningar av biologisk elektricitet ställer krav på känslig elektronik, noggrann isolering och ofta avancerad signalbehandling för att särskilja signal från brus. Invasiva metoder kräver särskild hänsyn till djur- och patientetik, samt till säkerhet och biokompatibilitet hos implantat och elektroder.

Utveckling och trender

Forskningen utvecklas mot högre upplösning och större skala, till exempel genom tätare elektrodarrayer, integration av elektrofysiologi och avbildning samt användning av organoider och in vitro-system för att studera mänsklig vävnad. Samtidigt ökar användningen av beräkningsverktyg och maskininlärning för att analysera komplexa inspelningsdata.

Elektrofysiologi är ett tvärvetenskapligt fält som kombinerar biologi, fysik, teknik och matematik för att beskriva hur levande system genererar och använder elektriska signaler.