Electrocardiogramele / fizica

curenții electrici din sistemul foarte complex de miliarde de nervi din corpul nostru ne permit să simțim lumea, să controlăm părți ale corpului nostru și să gândim. Acestea sunt reprezentative pentru cele trei funcții majore ale nervilor. În primul rând, nervii transportă mesaje de la organele noastre senzoriale și altele către sistemul nervos central, constând din creier și măduva spinării. În al doilea rând, nervii transporta mesaje de la sistemul nervos central la mușchi și alte organe. În al treilea rând, nervii transmit și procesează semnale în sistemul nervos central. Numărul mare de celule nervoase și numărul incredibil de mare de conexiuni între ele fac din acest sistem minunea subtilă care este. Conducerea nervului este un termen general pentru semnalele electrice purtate de celulele nervoase. Este un aspect al bioelectricității sau al efectelor electrice în și create de sistemele biologice. Celulele nervoase, numite în mod corespunzător neuroni, arată diferit de alte celule—au tendriluri, unele dintre ele lungi de mulți centimetri, conectându-le cu alte celule. (A Se Vedea Figura 1.) Semnalele ajung la corpul celular prin sinapse sau prin dendrite, stimulând neuronul să-și genereze propriul semnal, trimis de-a lungul axonului său lung către alte celule nervoase sau musculare. Semnalele pot ajunge din multe alte locații și pot fi transmise altora, condiționând sinapsele prin utilizare, oferind sistemului complexitatea și capacitatea sa de a învăța.

figura descrie un neuron. Neuronul are un corp celular cu un nucleu în centru reprezentat de un cerc. Corpul celular este înconjurat de multe proiecții subțiri, ramificate numite dendrite, reprezentate de structuri asemănătoare panglicii. Capetele unora dintre aceste dendrite sunt prezentate conectate la capetele dendritelor de la un alt neuron la joncțiuni numite sinapse. Corpul celular al neuronului are, de asemenea, o proiecție lungă numită axon, reprezentată ca un tub vertical care ajunge în jos și se termină cu proiecții subțiri în interiorul unei fibre musculare, reprezentată de o structură tubulară. Capetele axonului se numesc terminații nervoase. Axonul este acoperit cu teci de mielină, fiecare având o lungime de un milimetru. Învelișurile de mielină sunt separate prin goluri, numite noduri de Ranvier, fiecare de lungime zero punct zero zero un milimetru.

Figura 1. Un neuron cu dendritele sale și axonul lung. Semnalele sub formă de curenți electrici ajung în corpul celulei prin dendrite și prin sinapse, stimulând neuronul să-și genereze propriul semnal trimis pe axon. Numărul de interconexiuni poate fi mult mai mare decât cel prezentat aici.

metoda prin care acești curenți electrici sunt generați și transmiși este mai complexă decât simpla mișcare a sarcinilor libere într-un conductor, dar poate fi înțeleasă cu principiile deja discutate în acest text. Cele mai importante dintre acestea sunt forța și difuzia Coulomb. Figura 2 ilustrează modul în care o tensiune (diferența de potențial) este creată pe membrana celulară a unui neuron în starea sa de repaus. Această membrană subțire separă fluidele neutre din punct de vedere electric având concentrații diferite de ioni, cele mai importante soiuri fiind Na+, K+ și Cl– (acestea sunt ioni de sodiu, potasiu și clor cu sarcini simple plus sau minus, așa cum este indicat). Așa cum s-a discutat în fenomenele de transport Molecular: difuzie, osmoză și procese conexe, ionii liberi se vor difuza dintr-o regiune cu concentrație ridicată la una cu concentrație scăzută. Dar membrana celulară este semipermeabilă, ceea ce înseamnă că unii ioni o pot traversa, în timp ce alții nu. În starea sa de repaus, membrana celulară este permeabilă la K + și Cl-și impermeabilă la Na+. Difuzia K + și Cl-creează astfel straturile de încărcare pozitivă și negativă pe exteriorul și interiorul membranei. Forța Coulomb împiedică difuzarea ionilor în întregime. Odată ce stratul de încărcare s-a acumulat, repulsia sarcinilor similare împiedică mai mult să se deplaseze, iar atracția sarcinilor diferite împiedică mai mult să părăsească ambele părți. Rezultatul este două straturi de sarcină chiar pe membrană, difuzia fiind echilibrată de forța Coulomb. O mică parte din sarcini se deplasează și fluidele rămân neutre (alți ioni sunt prezenți), în timp ce o separare a sarcinii și a tensiunii au fost create pe membrană.

membrana semipermeabilă a unei celule este prezentată, cu concentrații diferite de cationi de potasiu, cationi de sodiu și anioni de clorură în interiorul și în exteriorul celulei. Ionii sunt reprezentați de cercuri mici, colorate. În starea sa de repaus, membrana celulară este permeabilă la ionii de potasiu și clorură, dar este impermeabilă la ionii de sodiu. Prin difuzie, cationii de potasiu se deplasează din celulă, trecând prin membrana celulară și formând un strat de sarcină pozitivă pe suprafața exterioară a membranei. Prin difuzie, anionii de clorură intră în celulă, trecând prin membrana celulară și formând un strat de sarcină negativă pe suprafața interioară a membranei. Ca urmare, o tensiune este configurată pe membrana celulară. Forța Coulomb împiedică toți ionii să traverseze membrana.

Figura 2. Membrana semipermeabilă a unei celule are concentrații diferite de ioni în interior și în exterior. Difuzia mișcă ionii K + și Cl în direcția indicată, până când forța Coulomb oprește transferul ulterior. Acest lucru are ca rezultat un strat de sarcină pozitivă la exterior, un strat de sarcină negativă la interior și, astfel, o tensiune pe membrana celulară. Membrana este în mod normal impermeabilă la Na+.

aceasta este o reprezentare grafică a unui impuls de tensiune sau potențial de acțiune în interiorul unei celule nervoase. Tensiunea în milivolți este reprezentată de-a lungul axei verticale, iar timpul în milisecunde este reprezentat de-a lungul axei orizontale. Inițial, între zero și aproximativ două puncte opt milisecunde, tensiunea este o constantă la aproximativ minus nouăzeci de milivolți, corespunzătoare stării de repaus. Deasupra acestei secțiuni a graficului, o fereastră arată o mică secțiune transversală a membranei celulare, cu o suprafață exterioară încărcată pozitiv, o suprafață interioară încărcată negativ și fără ioni care se deplasează prin membrană. Între două puncte opt și patru puncte două milisecunde, tensiunea crește până la un vârf de cincizeci de milivolți, corespunzând depolarizării membranei. O fereastră deasupra acestei secțiuni prezintă cationi de sodiu care traversează membrana, din exterior în interiorul celulei, astfel încât suprafața interioară a membranei capătă o sarcină pozitivă, iar suprafața sa exterioară are o sarcină negativă. Între aproximativ patru puncte doi și aproximativ cinci puncte cinci milisecunde, tensiunea scade la un nivel scăzut de aproximativ minus o sută zece milivolți, corespunzând repolarizării membranei. O fereastră deasupra acestei secțiuni prezintă cationi de potasiu care traversează membrana, din interior spre exteriorul celulei, astfel încât suprafața exterioară a membranei capătă din nou o sarcină pozitivă, iar suprafața sa interioară are o sarcină negativă. După aceea, tensiunea crește ușor, revenind la o constantă de aproximativ minus nouăzeci de milivolți, corespunzătoare stării de repaus. Această mișcare a ionilor de sodiu și potasiu prin membrană se numește transport activ, iar transportul activ pe termen lung este prezentat într-o fereastră deasupra părții finale a curbei.

Figura 3. Un potențial de acțiune este pulsul de tensiune din interiorul unei celule nervoase reprezentate grafic aici. Este cauzată de mișcările ionilor de-a lungul membranei celulare, așa cum se arată. Depolarizarea apare atunci când un stimul face membrana permeabilă la ionii de Na+. Repolarizarea urmează pe măsură ce membrana devine din nou impermeabilă la Na+, iar K+ se deplasează de la concentrație ridicată la concentrație scăzută. Pe termen lung, transportul activ menține lent diferențele de concentrație, dar celula se poate declanșa de sute de ori în succesiune rapidă, fără a le epuiza grav.

separarea sarcinii creează o diferență de potențial de 70 până la 90 MV pe membrana celulară. În timp ce aceasta este o tensiune mică, câmpul electric rezultat (E = V/d) PE singura membrană groasă de 8 nm este imens (de ordinul a 11 MV/m!) și are efecte fundamentale asupra structurii și permeabilității sale. Acum, dacă exteriorul unui neuron este considerat a fi la 0 V, atunci interiorul are un potențial de odihnă de aproximativ -90 MV. Astfel de tensiuni sunt create pe membranele aproape tuturor tipurilor de celule animale, dar sunt cele mai mari în celulele nervoase și musculare. De fapt, 25% din energia utilizată de celule merge spre crearea și menținerea acestor potențiale.

curenții electrici de-a lungul membranei celulare sunt creați de orice stimul care modifică permeabilitatea membranei. Membrana devine astfel temporar permeabilă la Na+, care apoi intră, condusă atât de difuzie, cât și de forța Coulomb. Această intrare de Na + neutralizează mai întâi membrana interioară sau o depolarizează și apoi o face ușor pozitivă. Depolarizarea face ca membrana să devină din nou impermeabilă la Na+, iar mișcarea K+ readuce rapid celula la potențialul său de repaus sau o repolarizează. Această secvență de evenimente are ca rezultat un impuls de tensiune, numit potențial de acțiune. (A Se Vedea Figura 3.) Doar fracțiuni mici ale ionilor se mișcă, astfel încât celula poate declanșa de multe sute de ori fără a epuiza concentrațiile în exces de Na+ și K+. În cele din urmă, celula trebuie să umple acești ioni pentru a menține diferențele de concentrație care creează bioelectricitate. Această pompă de sodiu-potasiu este un exemplu de transport activ, în care energia celulară este utilizată pentru a muta ionii peste membrane împotriva gradienților de difuzie și a forței Coulomb.

potențialul de acțiune este un impuls de tensiune la o locație pe o membrană celulară. Cum se transmite de-a lungul membranei celulare, și în special în jos un axon, ca un impuls nervos? Răspunsul este că tensiunea în schimbare și câmpurile electrice afectează permeabilitatea membranei celulare adiacente, astfel încât același proces are loc acolo. Membrana adiacentă se depolarizează, afectând membrana mai jos și așa mai departe, așa cum este ilustrat în Figura 4. Astfel, potențialul de acțiune stimulat într-o singură locație declanșează un impuls nervos care se mișcă încet (aproximativ 1 m/s) de-a lungul membranei celulare.

figura descrie propagarea unui potențial de acțiune sau a unui impuls de tensiune de-a lungul unei membrane celulare. Membrana celulară, reprezentată de o bandă orizontală, albastră, este prezentată în cinci etape, semnalul electric deplasându-se de-a lungul lungimii sale de la stânga la dreapta. Inițial, membrana este în stare de repaus, cu o distribuție uniformă a sarcinilor pozitive de-a lungul suprafeței exterioare și a sarcinilor negative de-a lungul suprafeței interioare. Un cation de sodiu este prezentat în afara celulei, iar un cation de potasiu este prezentat în interiorul celulei. O mică parte a membranei de lângă capătul stâng primește un stimul, făcând acea parte permeabilă la ionii de sodiu. În a doua etapă, ionii de sodiu traversează membrana din acea zonă, reprezentată de o deschidere albă în membrană. Distribuția sarcinii în acea secțiune a membranei este inversată; acest proces se numește depolarizare. În același timp, o parte adiacentă a membranei este stimulată. În a treia etapă, zona depolarizată suferă repolarizare, cu ioni de potasiu care traversează membrana din interior spre exteriorul celulei. Repolarizarea este reprezentată de o cutie care conține triunghiuri mici. În același timp, ionii de sodiu intră în celulă prin zona adiacentă care a fost stimulată în a doua etapă. Pe măsură ce ciclul se repetă, semnalul electric se deplasează de-a lungul membranei, de la stânga la dreapta.

Figura 4. Un impuls nervos este propagarea unui potențial de acțiune de-a lungul unei membrane celulare. Un stimul provoacă un potențial de acțiune într-o singură locație, care modifică permeabilitatea membranei adiacente, provocând un potențial de acțiune acolo. La rândul său, aceasta afectează membrana mai jos, astfel încât potențialul de acțiune se mișcă încet (în termeni electrici) de-a lungul membranei celulare. Deși impulsul se datorează Na + și K + care traversează membrana, este echivalent cu un val de sarcină care se deplasează de-a lungul exteriorului și interiorului membranei.

unii axoni, ca în Figura 1, sunt înveliți cu mielină, constând din celule care conțin grăsimi. Figura 5 prezintă o vedere mărită a unui axon cu teci de mielină separate în mod caracteristic prin goluri nemielinizate (numite noduri de Ranvier). Acest aranjament oferă axonului o serie de proprietăți interesante. Deoarece mielina este un izolator, împiedică semnalele să sară între nervii adiacenți (vorbire încrucișată). În plus, regiunile mielinizate transmit semnale electrice la o viteză foarte mare, așa cum ar face un conductor sau un rezistor obișnuit. Nu există potențial de acțiune în regiunile mielinizate, astfel încât să nu se utilizeze energie celulară în ele. Există o pierdere de semnal IR în mielină, dar semnalul este regenerat în goluri, unde pulsul de tensiune declanșează potențialul de acțiune la tensiune maximă. Deci, un axon mielinizat transmite un impuls nervos mai rapid, cu un consum mai mic de energie și este mai bine protejat de vorbirea încrucișată decât unul nemielinat. Nu toți axonii sunt mielinizați, astfel încât vorbirea încrucișată și transmisia lentă a semnalului sunt o caracteristică a funcționării normale a acestor axoni, o altă variabilă a sistemului nervos.

degenerarea sau distrugerea tecii de mielină care înconjoară fibrele nervoase afectează transmiterea semnalului și poate duce la numeroase efecte neurologice. Una dintre cele mai proeminente dintre aceste boli provine din propriul sistem imunitar al organismului care atacă mielina din sistemul nervos central—scleroza multiplă. Simptomele SM includ oboseală, probleme de vedere, slăbiciune a brațelor și picioarelor, pierderea echilibrului și furnicături sau amorțeală la nivelul extremităților (neuropatie). Este mai apt să lovească adulții mai tineri, în special femeile. Cauzele ar putea proveni din infecții, afecțiuni de mediu sau geografice sau genetică. În momentul de față nu există nici un remediu cunoscut pentru MS.

majoritatea celulelor animale pot declanșa sau crea propriul potențial de acțiune. Celulele musculare se contractă atunci când se declanșează și sunt adesea induse să facă acest lucru printr-un impuls nervos. De fapt, celulele nervoase și musculare sunt similare fiziologic și există chiar celule hibride, cum ar fi în inimă, care au caracteristici atât ale nervilor, cât și ale mușchilor. Unele animale, cum ar fi infamul anghilă electrică (vezi Figura 6), folosesc mușchii legați astfel încât tensiunile lor să se adauge pentru a crea un șoc suficient de mare pentru a uimi prada.

figura descrie propagarea unui impuls nervos, sau puls de tensiune, pe un axon mielinizat, de la stânga la dreapta. O secțiune transversală a axonului este prezentată ca o bandă dreptunghiulară lungă, orientată orizontal, cu o membrană pe fiecare parte. Axonul este acoperit cu teci de mielină separate prin goluri cunoscute sub numele de noduri de Ranvier. Sunt prezentate trei lacune. Cea mai mare parte a suprafeței interioare a membranei este încărcată negativ, iar suprafața exterioară este încărcată pozitiv. Decalajul din stânga este etichetat ca depolarizat, unde distribuția sarcinii de-a lungul suprafeței membranei este inversată. Pe măsură ce pulsul de tensiune se deplasează de la stânga la dreapta prin prima regiune mielinizată, acesta pierde tensiunea. Decalajul din mijloc, etichetat ca depolarizant, arată cationii de sodiu care traversează membrana din exterior în interiorul axonului. Aceasta regenerează pulsul de tensiune, care continuă să se deplaseze de-a lungul axonului. Al treilea decalaj este etichetat ca fiind încă polarizat, deoarece semnalul nu a atins încă acel decalaj.

Figura 5. Propagarea unui impuls nervos pe un axon mielinizat, de la stânga la dreapta. Semnalul se deplasează foarte repede și fără intrare de energie în regiunile mielinizate, dar pierde tensiune. Este regenerat în goluri. Semnalul se mișcă mai repede decât în axonii nemielinizați și este izolat de semnalele din alți nervi, limitând vorbirea încrucișată.

Figura 6. O anghilă electrică își flexează mușchii pentru a crea o tensiune care uimește prada. (sursă: chrisbb, Flickr)

fizica

Published by admin

Lasă un răspuns Anulează răspunsul