可以應(yīng)用各種不同的方法研究細(xì)胞及其網(wǎng)絡(luò)的力學(xué)特征［5］。

修飾的膜片鉗方法是一種壓力鉗技術(shù)，可以用來研究對膜變形作出反應(yīng)的單個離子通道活性（圖9-2a）［5］。

已經(jīng)發(fā)展出無數(shù)的熒光顯微鏡方法，來研究力學(xué)生物學(xué)。熒光相關(guān)光譜學(xué)（fluorescence correlation spectroscapy，F(xiàn)CS）是一種光學(xué)方法，此方法檢測小的熒光波動；時間依賴的單光子計數(shù)（time-correlated single-photon counting，TCSPC）是另一種光學(xué)方法，需要測定熒光的衰減時間。為了特征化細(xì)胞的機(jī)械力，F(xiàn)CS和TCSPC兩者都有用，因?yàn)樗鼈円蕾囉诠庾优c其環(huán)境之間的相互作用。基于共振能量轉(zhuǎn)移（fluorescence resonance energy transfer，F(xiàn)RET）原理（一個激活的熒光團(tuán)發(fā)射的光子可以激活另一個具有不同吸收與發(fā)射光譜的鄰近熒光分子）的光學(xué)方法是有用的，因?yàn)樗軌蛞曇姺肿拥牧W(xué)作用。FRET途徑特別值得提出，它應(yīng)用獨(dú)特設(shè)計的應(yīng)變敏感FRET感受器，可用來活躍地檢控作用于ECM和細(xì)胞骨架蛋白的應(yīng)力［5］。

原子力顯微鏡（atomic force microscopy，AFM）應(yīng)用一個懸臂來探查它與細(xì)胞或感興趣分子所形成的分子鍵。懸臂可以把微力學(xué)的力給予細(xì)胞或分子，然后測定由懸臂產(chǎn)生的力（圖9-4a）。AFM被證明是研究分子和細(xì)胞力學(xué)的關(guān)鍵工具。在AFM實(shí)驗(yàn)中曾發(fā)現(xiàn)嚙齒類腦彈性的差別，這種差別是腦區(qū)不同解剖部位的函數(shù)；也曾經(jīng)描寫細(xì)胞生長著的肌動蛋白網(wǎng)絡(luò)的力-速度關(guān)系。力學(xué)生物學(xué)研究的其他可重復(fù)的及定量的途徑是捕獲（trapping）方法，包括磁顆粒或光攝。磁場或激光被分別用來捕獲、調(diào)控或監(jiān)控物體和與之黏附的細(xì)胞或分子之間的力（圖9-4b，c）。近來應(yīng)用磁捕獲的方法顯示，整聯(lián)蛋白介導(dǎo)的Rho信號傳送可能是某些彌散性軸突損傷及中等度腦損傷的后果［5］。

圖9-4　神經(jīng)科學(xué)中對力學(xué)生物學(xué)研究有用的實(shí)驗(yàn)途徑

（a）懸臂探針式原子力顯微鏡（AFM），用探針給予或監(jiān)控細(xì)胞的機(jī)械力。（b）有一個例子是光學(xué)捕獲方法。這里顯示，一對激光形成弱的聚焦光束，用光束調(diào)控附著于細(xì)胞或分子硅珠的運(yùn)動。通過激光束的運(yùn)動，細(xì)胞或分子可以被推或拉，而所引起的力可以被測定。（c）其他捕獲方法應(yīng)用磁顆粒，把顆粒結(jié)合到細(xì)胞或分子上。細(xì)胞和它相關(guān)聯(lián)的磁探針受弱電磁場的影響。電磁場是給予細(xì)胞外部的力，目的是測定和監(jiān)控力學(xué)反應(yīng)。（d）彈性微桿（elastomeric micropost）組合體使我們有可能測定生長著的細(xì)胞所產(chǎn)生的牽拉力。此法依賴于細(xì)胞和微桿結(jié)合點(diǎn)之間正在形成的局灶性黏附位點(diǎn)。生長著的細(xì)胞引起微桿的機(jī)械偏轉(zhuǎn)，由此可以引導(dǎo)出力量。（e）可變形膜可以在培養(yǎng)底物上用整合的應(yīng)變陣列進(jìn)行微制作，這樣就允許研究人員可以給予或測定一系列實(shí)驗(yàn)條件下細(xì)胞培養(yǎng)中的應(yīng)變。（f）微流體小室可以用來給予剪力，剪力是當(dāng)液體被強(qiáng)迫流過細(xì)胞并通過小室組合時產(chǎn)生的。（g）圖像演示實(shí)現(xiàn)磁共振彈性圖技術(shù)的基本途徑。剪力波引入腦，并應(yīng)用MRI方法加以監(jiān)控，以此估計腦的剪力及彈性模量。（圖引自［5］）

微工程化的進(jìn)展導(dǎo)致近來力學(xué)生物學(xué)研究設(shè)計的爆發(fā)性發(fā)展。這些設(shè)計包括微電力學(xué)系統(tǒng)（microelectromechanical system，MEMS），其設(shè)計是一個微傳動裝置陣列（microactuator array）。此裝置可以產(chǎn)生、測定細(xì)胞培養(yǎng)中電和微力學(xué)的變化：彈性微桿底物可以監(jiān)控生長著的細(xì)胞所產(chǎn)生的牽拉力（圖9-4d）；由可變形膜組成整合性應(yīng)變系列，細(xì)胞可以在它上面培養(yǎng)生長，同時讓細(xì)胞受到應(yīng)變（圖9-4e）；還有微流體芯片，通過液體經(jīng)管道的流動，它可以給出剪力，整合到細(xì)胞培養(yǎng)的底物（圖9-4f）。微流體小室被用于對軸突的剪力應(yīng)力，為了建立模型及研究外傷性損傷。當(dāng)其應(yīng)用變得更加廣泛的時候，可能還有其他的用處，例如研究腦的力學(xué)生物學(xué)。做全細(xì)胞膜片鉗記錄時，彈性標(biāo)桿的集合體被成功地運(yùn)用于感覺神經(jīng)的力學(xué)換能過程的研究，但還沒有用來研究中樞神經(jīng)元的力學(xué)生物學(xué)特點(diǎn)。當(dāng)工程化與神經(jīng)科學(xué)繼續(xù)它們學(xué)科之間整合的時候，我們預(yù)期，為了研究力學(xué)生物學(xué)，微工程化平臺將被證明是有用的，它將會促進(jìn)腦功能研究以及有關(guān)于在細(xì)胞力學(xué)作用水平上的腦功能失常研究［5］。

超聲波是一種潛在有價值的工具，可用來研究完整腦回路的力學(xué)生物學(xué)。超聲波可以被組織傳送和聚焦，包括顱骨，以此可進(jìn)行腦成像，或通過力學(xué)作用以影響腦的生理學(xué)活性。經(jīng)顱超聲波的力學(xué)生物效應(yīng)，可以用來無侵入性地刺激腦回路。在成像模式下，超聲波可以用來做功能組織的脈動成像，它檢測由于腦血管血流而引起的腦組織微小位移。從診斷前景來看，曾經(jīng)有材料反復(fù)顯示，將要罹患帕金森病的許多病人，在其運(yùn)動功能發(fā)生失常之前，他們的黑質(zhì)常顯示高回聲的超聲波。因?yàn)槌暡ɑ芈暟l(fā)生在成像的時候，表明此時在組織機(jī)械特征方面已有差別，所以在帕金森病癥狀發(fā)生之前，病人的這種明顯回聲似乎關(guān)聯(lián)到腦組織，即黑質(zhì)硬度的變化。發(fā)展對聲波場和腦之間力學(xué)相互作用的探查，正在使我們能夠開始探測以前所未能探測的事情，即應(yīng)用超聲波來診斷和治療腦疾病［5］。

根據(jù)磁共振成像數(shù)據(jù)做成的應(yīng)變彈性圖（elastogram），就是磁共振彈性圖（MRE）。應(yīng)變彈性圖記錄了組織對于外源性給予的半靜態(tài)壓迫或剪波的反應(yīng)（圖9-4g）。這種MRE彈性圖可用于臨床研究，因?yàn)樵S多疾病也關(guān)聯(lián)到細(xì)胞彈性的變化。近來，MRE用來成像并特征化正常老人及病人腦的黏彈性特性，MRE可用來特征化嚙齒類模型的TDI。近來根據(jù)神經(jīng)成像數(shù)據(jù)，應(yīng)用MRE進(jìn)行觀察的數(shù)目及廣度有所增加，表明確定腦的力學(xué)性質(zhì)的興趣在強(qiáng)烈增長，其目的是確定腦的機(jī)械特性如何關(guān)聯(lián)于腦的功能與疾病［5］。

如所預(yù)期，應(yīng)用本章介紹的各種方法所獲得的材料表明，取得的結(jié)果在力學(xué)量方面有相當(dāng)程度的變異。這種變異性的產(chǎn)生來自任何一種方法的準(zhǔn)確度和敏感度的差別，以及由于不同實(shí)驗(yàn)條件所致的差別。神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的力學(xué)生物學(xué)的進(jìn)一步研究，應(yīng)該聚焦適合某個具體問題的某個（些）方法。此外，由于力學(xué)生物學(xué)途徑的局限性，在作出結(jié)論時應(yīng)該小心謹(jǐn)慎［5］。