Condução nervosa-eletrocardiogramas / física

correntes elétricas no sistema vastamente complexo de bilhões de nervos em nosso corpo nos permitem sentir o mundo, controlar partes do nosso corpo, e pensar. Estes são representativos das três principais funções dos nervos. Primeiro, os nervos transportam mensagens dos nossos órgãos sensoriais e outros para o sistema nervoso central, consistindo do cérebro e da medula espinhal. Em segundo lugar, os nervos transportam mensagens do sistema nervoso central para os músculos e outros órgãos. Em terceiro lugar, os nervos transmitem e processam sinais dentro do sistema nervoso central. O grande número de células nervosas e o número incrivelmente maior de conexões entre elas faz deste sistema a sutil maravilha que ele é. Condução nervosa é um termo geral para sinais elétricos transportados por células nervosas. É um aspecto da bioeletricidade, ou efeitos elétricos dentro e criados por sistemas biológicos. As células nervosas, propriamente chamadas de neurônios, parecem diferentes de outras células—elas têm tendrils, algumas delas com muitos centímetros de comprimento, conectando-as com outras células. (Ver Figura 1. Sinais chegam ao corpo celular através de sinapses ou através de dendrites, estimulando o neurônio a gerar seu próprio sinal, enviado ao longo de seu longo axônio para outras células nervosas ou musculares. Sinais podem chegar de muitos outros locais e ser transmitidos a outros, condicionando as sinapses pelo uso, dando ao Sistema sua complexidade e sua capacidade de aprender.

A figura descreve um neurônio. O neurônio tem um corpo celular com um núcleo no centro representado por um círculo. O corpo celular é cercado por muitas projeções finas e ramificadas chamadas dendritos, representadas por estruturas tipo fita. As extremidades de alguns destes dendritos são mostradas conectadas às extremidades dos dendritos de outro neurônio em junções chamadas sinapses. O corpo celular do neurônio também tem uma longa projeção chamada axônio, representado como um tubo vertical alcançando para baixo e terminando com finas projeções dentro de uma fibra muscular, representada por uma estrutura tubular. As extremidades do axon são chamadas de terminações nervosas. O axon está coberto com bainhas de mielina, cada uma com um milímetro de comprimento. As bainhas de mielina são separadas por aberturas, chamadas de nós de Ranvier, cada um de comprimento zero ponto zero zero um milímetro.

Figura 1. Um neurônio com seus dendritos e axônios longos. Sinais na forma de correntes elétricas atingem o corpo celular através de dendritos e através de sinapses, estimulando o neurônio a gerar seu próprio sinal enviado pelo axônio. O número de interconexões pode ser muito maior do que mostrado aqui.

O método pelo qual estas correntes elétricas, são geradas e transmitidas é mais complexo do que o simples movimento de cargas livres no condutor, mas ele pode ser entendido com princípios já discutidos neste texto. A mais importante delas é a força de Coulomb e a difusão. A figura 2 ilustra como uma tensão (diferença potencial) é criada através da membrana celular de um neurônio em seu estado de repouso. Esta fina membrana separa fluidos eletricamente neutros com diferentes concentrações de íons, sendo as variedades mais importantes Na+, K+, e Cl– (estes são íons de sódio, potássio e cloro com cargas simples mais ou menos, conforme indicado). Como discutido em fenômenos de transporte Molecular: difusão, osmose e processos relacionados, íons livres se difunde de uma região de alta concentração para uma de baixa concentração. Mas a membrana celular é semipermeável, o que significa que alguns íons podem atravessá-la enquanto outros não. Em seu estado de repouso, a membrana celular é permeável a K+ e Cl–, e impermeável a Na+. Difusão de K+ e Cl– assim cria as camadas de carga positiva e negativa no exterior e no interior da membrana. A força de Coulomb impede os íons de se difundirem na sua totalidade. Uma vez que a camada de carga foi construída, a repulsão de cargas semelhantes impede que mais se movam através, e a atração de cargas diferentes impede que mais de sair de ambos os lados. O resultado é duas camadas de carga direita sobre a membrana, com a difusão sendo balanceada pela força de Coulomb. Uma pequena fração das cargas se move através e os fluidos permanecem neutros (outros íons estão presentes), enquanto uma separação de carga e uma tensão foram criadas através da membrana.

a membrana semipermeável de uma célula é mostrada, com diferentes concentrações de catiões de potássio, catiões de sódio e aniões de cloreto dentro e fora da célula. Os íons são representados por pequenos círculos coloridos. Em seu estado de repouso, a membrana celular é permeável a íons de potássio e cloreto, mas é impermeável a íons de sódio. Por difusão, catiões de potássio saem da célula, passando pela membrana celular e formando uma camada de carga positiva na superfície exterior da membrana. Por difusão, aniões cloreto entram na célula, passando pela membrana celular e formando uma camada de carga negativa na superfície interna da membrana. Como resultado, uma tensão é configurada através da membrana celular. A força de Coulomb impede todos os íons de atravessar a membrana.

Figura 2. A membrana semipermeável de uma célula tem diferentes concentrações de íons dentro e fora. A difusão move os K+ e Cl– ions na direção mostrada, até que a força de Coulomb pare mais Transferência. Isto resulta em uma camada de carga positiva no exterior, uma camada de carga negativa no interior, e, portanto, uma tensão através da membrana celular. A membrana é normalmente impermeável a Na+.

Esta é uma representação gráfica de um pulso de tensão ou potencial de ação, dentro de uma célula nervosa. A tensão em milivolts é plotada ao longo do eixo vertical e o tempo em milissegundos é plotado ao longo do eixo horizontal. Inicialmente, entre zero e cerca de dois milissegundos, a tensão é uma constante de cerca de menos noventa milivolts, correspondendo ao estado de repouso. Acima desta seção do grafo, uma janela mostra uma pequena seção transversal da membrana celular, com uma superfície exterior positivamente carregada, uma superfície interna negativamente carregada, e nenhum íons se movendo através da membrana. Entre dois pontos e oito e quatro pontos e dois milissegundos, a tensão aumenta para um pico de cinqüenta milivolts, o que corresponde à despolarização da membrana. Uma janela acima desta seção mostra catiões de sódio atravessando a membrana, de fora para dentro da célula, de modo que a superfície interna da membrana adquire uma carga positiva e sua superfície exterior tem uma carga negativa. Entre cerca de quatro ponto dois e cerca de cinco ponto cinco milissegundos, a tensão cai para uma baixa de cerca de menos cento e dez milivolts, o que corresponde à repolarização da membrana. Uma janela acima desta seção mostra catiões de potássio atravessando a membrana, de dentro para fora da célula, de modo que a superfície exterior da membrana novamente adquire uma carga positiva e sua superfície interna tem uma carga negativa. Depois disso, a tensão sobe ligeiramente, voltando a uma constante de cerca de 90 milivolts, correspondendo ao estado de repouso. Este movimento de íons de sódio e potássio através da membrana é chamado de transporte ativo, e transporte ativo de longo prazo é mostrado em uma janela acima da parte final da curva.

Figura 3. Um potencial de ação é o pulso de tensão dentro de uma célula nervosa graficada aqui. É causada por movimentos de íons através da membrana celular, como mostrado. Despolarização ocorre quando um estímulo torna a membrana permeável a na+ ions. Repolarização segue como a membrana torna-se impermeável a Na+, E K+ move-se de alta para baixa concentração. A longo prazo, o transporte ativo mantém lentamente as diferenças de concentração, mas a célula pode disparar centenas de vezes em rápida sucessão sem seriamente esgotá-las.

a separação da carga cria uma diferença potencial de 70 a 90 mV através da membrana celular. Enquanto esta é uma pequena tensão, o campo elétrico resultante (e = V/d) através da única membrana de 8 nm de espessura é imenso (na ordem de 11 MV/m!) e tem efeitos fundamentais na sua estrutura e permeabilidade. Agora, se o exterior de um neurônio é tomado como sendo 0 V, então o interior tem um potencial de repouso de cerca de -90 mV. Tais tensões são criadas através das membranas de quase todos os tipos de células animais, mas são maiores em células nervosas e musculares. De fato, 25% da energia utilizada pelas células vai para a criação e manutenção desses potenciais.

as correntes eléctricas ao longo da membrana celular são criadas por qualquer estímulo que altere a permeabilidade da membrana. A membrana, assim, temporariamente se torna permeável a Na+, que então corre, impulsionada tanto pela difusão quanto pela força de Coulomb. Este inrush de Na+ primeiro neutraliza a membrana interna, ou despolariza-a, e então torna-a ligeiramente positiva. A despolarização faz com que a membrana se torne novamente impermeável a Na+, e o movimento de K+ rapidamente retorna a célula ao seu potencial de repouso, ou repolariza-a. Esta sequência de eventos resulta em um pulso de tensão, chamado de potencial de ação. (Ver Figura 3.) Apenas pequenas frações dos íons se movem, de modo que a célula pode disparar muitas centenas de vezes sem esgotar as concentrações excessivas de Na+ E K+. Eventualmente, a célula deve reabastecer esses íons para manter as diferenças de concentração que criam bioeletricidade. Esta bomba sódio-potássio é um exemplo de transporte ativo, onde a energia celular é usada para mover íons através de membranas contra gradientes de difusão e a força de Coulomb.

o potencial de acção é um impulso de tensão num local da membrana celular. Como é que se transmite através da membrana celular, e em particular através de um axon, como um impulso nervoso? A resposta é que a mudança de tensão e campos elétricos afetam a permeabilidade da membrana celular adjacente, de modo que o mesmo processo ocorre lá. A membrana adjacente despolariza, afetando a membrana mais para baixo, e assim por diante, como ilustrado na Figura 4. Assim, o potencial de Acção estimulado num local despoleta um impulso nervoso que se move lentamente (cerca de 1 m/s) ao longo da membrana celular.

A figura descreve a propagação de um potencial de ação, ou pulso de tensão, ao longo de uma membrana celular. A membrana celular, representada por uma faixa horizontal azul, é mostrada em cinco estágios, com o sinal elétrico movendo-se ao longo de seu comprimento da esquerda para a direita. Inicialmente, a membrana está no estado de repouso, com uma distribuição uniforme de cargas positivas ao longo da superfície exterior e cargas negativas ao longo da superfície interna. Um cátion de sódio é mostrado fora da célula, e um cátion de potássio é mostrado dentro da célula. Uma pequena parte da membrana perto da extremidade esquerda recebe um estímulo, tornando essa parte permeável a íons de sódio. Na segunda fase, iões de sódio atravessam a membrana nessa área, representada por uma abertura branca na membrana. A distribuição da carga nessa seção da membrana é invertida; este processo é chamado de despolarização. Ao mesmo tempo, uma parte adjacente da membrana é estimulada. No terceiro estágio, a área despolarizada passa por repolarização, com íons de potássio atravessando a membrana de dentro para fora da célula. Repolarização é representada por uma caixa contendo triângulos minúsculos. Ao mesmo tempo, iões de sódio entram na célula através da área adjacente que foi estimulada na segunda fase. À medida que o ciclo é repetido, o sinal elétrico move-se ao longo da membrana, da esquerda para a direita.

Figura 4. Um impulso nervoso é a propagação de um potencial de ação ao longo de uma membrana celular. Um estímulo provoca um potencial de ação em um local, o que altera a permeabilidade da membrana adjacente, causando um potencial de ação lá. Isto, por sua vez, afeta a membrana mais para baixo, de modo que o potencial de ação se move lentamente (em termos elétricos) ao longo da membrana celular. Embora o impulso seja devido a Na+ E K+ atravessando a membrana, é equivalente a uma onda de carga movendo-se ao longo do exterior e no interior da membrana.

alguns axônios, como o da Figura 1, são embainhados com mielina, consistindo de células contendo gordura. A figura 5 mostra uma visão ampliada de um axon com bainhas de mielina caracteristicamente separadas por aberturas não-mielinadas (chamados nós de Ranvier). Este arranjo dá ao axon uma série de propriedades interessantes. Uma vez que a mielina é um isolador, evita que os sinais saltem entre nervos adjacentes (conversa cruzada). Além disso, as regiões mielinadas transmitem sinais elétricos a uma velocidade muito alta, como um condutor comum ou resistor faria. Não há potencial de ação nas regiões mielinizadas, de modo que nenhuma energia celular é usada nelas. Há uma perda de sinal IR na mielina, mas o sinal é regenerado nas aberturas, onde o pulso de tensão aciona o potencial de ação em Voltagem máxima. Assim, um axônio mielinado transmite um impulso nervoso mais rápido, com menos consumo de energia, e é melhor protegido da conversa cruzada do que um não mielinado. Nem todos os axônios são mielinados, de modo que a conversa cruzada e transmissão de sinal lento são uma característica do funcionamento normal destes axons, outra variável no sistema nervoso.

a degeneração ou destruição das bainhas de mielina que cercam as fibras nervosas prejudica a transmissão do sinal e pode levar a numerosos efeitos neurológicos. Uma das doenças mais proeminentes vem do próprio sistema imunológico do organismo atacando a mielina no sistema nervoso central—esclerose múltipla. Os sintomas do EM incluem fadiga, problemas de visão, fraqueza dos braços e pernas, perda de equilíbrio e formigueiro ou dormência nas extremidades (neuropatia). É mais apta a atingir adultos mais jovens, especialmente mulheres. As causas podem vir de infecções, impactos ambientais ou geográficos, ou genética. No momento não há cura conhecida para a em

a maioria das células animais pode disparar ou criar o seu próprio potencial de ação. As células musculares contraiem quando disparam e são frequentemente induzidas a fazê-lo por um impulso nervoso. Na verdade, as células nervosas e musculares são fisiologicamente semelhantes, e há até células híbridas, como no coração, que têm características tanto dos nervos quanto dos músculos. Alguns animais, como a infame enguia elétrica (ver Figura 6), usam músculos de modo que suas voltagens adicionam, a fim de criar um choque grande o suficiente para atordoar a presa.

A figura descreve a propagação de um impulso nervoso, ou pulso de tensão, para baixo de um mielinizadas axon, da esquerda para a direita. Uma secção transversal do eixo é mostrada como uma faixa retangular longa e horizontalmente orientada, com uma membrana em cada lado. O axon está coberto com bainhas de mielina separadas por lacunas conhecidas como nós de Ranvier. São apresentadas três lacunas. A maior parte da superfície interna da membrana é negativamente carregada, e a superfície exterior é positivamente carregada. A abertura à esquerda é rotulada como despolarizada, onde a distribuição da carga ao longo da superfície da membrana é revertida. À medida que o pulso de voltagem se move da esquerda para a direita através da primeira região mielinada, ele perde voltagem. A lacuna no meio, rotulada como despolarizante, mostra catiões de sódio atravessando a membrana do lado de fora para o interior do axônio. Isto regenera o pulso de tensão, que continua a mover-se ao longo do eixo. O terceiro gap é rotulado como ainda polarizado, porque o sinal ainda tem que chegar a esse gap.

Figura 5. Propagação de um impulso nervoso através de um axon mielinado, da esquerda para a direita. O sinal viaja muito rápido e sem entrada de energia nas regiões mielinadas, mas perde voltagem. É regenerado nas lacunas. O sinal move-se mais rápido do que em axônios não-mielinizados e é isolado de sinais em outros nervos, limitando a conversa cruzada.

Figura 6. Uma enguia elétrica flexiona seus músculos para criar uma voltagem que atordoa as presas. (crédito: chrisbb, Flickr)

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