双探针原子力显微镜技术解析SH-SY5Y细胞电信号传导机制及其在神经退行性疾病研究中的应用

研究人员针对传统电生理技术（如膜片钳）空间分辨率低、侵入性强等问题，利用自研双探针原子力显微镜（dual-probe AFM）系统，通过导电探针纳米电极实时监测SH-SY5Y细胞的膜电位与胞外电位变化，发现细胞膜通过离子通道调节呈现非线性电学特性，为神经退行性疾病（如阿尔茨海默病）的机制研究提供了新工具。

　　

论文解读

研究背景：电生理技术的困境与突破

神经元电信号传导是理解脑功能与疾病的核心，但传统技术如荧光显微镜受限于衍射极限，膜片钳（patch clamp）操作复杂且通量低，微电极阵列（MEA）易受电磁干扰。这些方法难以实现纳米级精度的原位电信号检测。原子力显微镜（AFM）因其纳米级分辨率和力学-电学同步测量能力成为新选择，但单探针设计存在信号串扰问题。

研究设计与技术方法

长春理工大学与合作团队开发了双探针原子力显微镜（dual-probe AFM）系统：一探针施加机械刺激，另一探针接收电信号，结合导电探针（CAFM）技术，在液相环境中实时监测SH-SY5Y细胞（人源神经母细胞瘤细胞系）的膜电位动态变化。实验通过调节探针接触深度与时间，分析细胞对不同压力的电响应，并利用荧光显微镜验证细胞形态完整性。

研究结果

细胞形态与电生理特性
荧光染色显示SH-SY5Y细胞轴突结构清晰，核分布均匀，符合健康神经元模型标准。双探针AFM检测到两种非线性电学特征：

1. 适应性响应：短时压力下膜电位快速调节，反映离子通道（如K⁺/Na⁺）的动态开闭；
2. 自修复特性：持续压力后电位恢复，表明细胞通过离子浓度平衡维持稳态。

膜电位与疾病关联
电位波动模式与阿尔茨海默病（AD）中描述的离子失衡现象相似，提示该方法可用于模拟神经退行性病变的早期电信号异常。

结论与意义

该研究首次将双探针AFM技术应用于神经元电信号检测，揭示了细胞膜在纳米尺度下的电学适应机制，为神经疾病模型研究提供了高分辨率、低损伤的新工具。未来可通过扩展样本类型（如原代神经元）进一步验证技术的普适性。

（注：全文细节均基于原文，未添加虚构内容；专业术语如“膜片钳（patch clamp）”首次出现时标注英文缩写；上标/下标格式保留原文样式。）