Биофизические принципы исследования электрических полей в организме. Понятие о токовом диполе.

Особенности распространения потенциала действия в мякотных и безмякотных волокнах.

Распространение потенциала действия. Понятие о локальных токах. Кабельная теория распространения потенциала действия.

Потенциал действия (ПД), возникнув в одном участке нервной клетки быстро распространяется по всей поверхности. Распространение ПД обусловлено возникновением локальных токов, циркулирующих между возбужденным и невозбужденным участками клетки. Локальными называются токи, возникающие между невозбужденным и возбужденным участками нервного волокна, вследствие возникновения разности потенциалов между ними. На поверхности клетки локальный ток течет от невозбужденного участка к возбужденному; внутри клетки он течет в обратном направлении. Нервное волокно можно рассматривать как кабель, который характеризуется электрической емкостью, сопротивлением мембраны, сопротивлением аксоплазмы и окружающей среды. Распространение потенциала по нервному волокну описывается так называемым телеграфным уравнением, которое имеет вид: Е = Е₀·e ^–x/l; где: l - константа длины нервного волокна. Так как, при х = l, Е = Е₀ / e, то l - это расстояние, на котором потенциал Е уменьшается в e раз по сравнению с Е₀. Скорость проведения в миелинизированных волокнах

Распространение потенциала действия имеет особенности, зависящие от типа нервных волокон. По безмякотному волокну, которое не имеет миэлиновой оболочки, распространение возбуждения будет затухающим и осуществляется за счет локальных токов. Распространение потенциала действия по мякотным (покрытым миэлиновой оболочкой) осуществляется скачкообразно (сальтаторно) от одного перехвата Ранвье к другому.

Диапазон возможных значений скорости проведения в миелинизированных волокнах широк: от нескольких метров в секунду до 100 м/с. Мировой рекорд принадлежит миелинизированным аксонам креветки, которые проводят возбуждение быстрее 200 м/с. В нервной системе позвоночных нервы разделяются на группы по скорости проведения или по функции. В соответствии с теоретическими расчетами, скорость проведения в волокне должна быть пропорциональна его диаметру. Бойд и коллеги показали, что у млекопитающих скорость проведения (в м/с) для толстых миелинизированных волокон приблизительно равняется их внешнему диаметру (в м), помноженному на 6. Для более тонких волокон коэффициент пропорциональности приблизительно равен 4,5

При функционировании тканей и органов, как и отдельных клеток, сопровождающемся электрической активностью, в организме создается электрическое поле. Так как организм является проводником, то два электрода, приложенные к разным участкам тела, регистрируют разность потенциалов. Зависимость от времени разности потенциалов, возникающей при функционировании данного органа или ткани, называется электрограммой. Названия электрограмм указывают на органы (ткани), функционирование которых приводит к появлению, регистрируемой разности потенциалов: электрокардиограмма (ЭКГ), электроэнцефалограмма (ЭЭГ), электромиограмма (ЭМГ) и т.д. Можно сформулировать две основные задачи изучения электрограмм: первая (прямая) заключается в выяснении механизма возникновения электрограмм, вторая (обратная, или диагностическая) - в выявлении состояния организма по характеру его электрограмм. При изучении механизма возникновения электрограмм ткани и органы как источники электрического поля представляют в виде эквивалентного электрического генератора. Под ним подразумевается модельная физическая система, которая должна удовлетворять двум условиям: 1) потенциалы, создаваемые генератором в различных точках должны соответствовать реальным величинам; 2) при изменении параметров эквивалентного генератора должны происходить такие же изменения электрического поля как и в реальных электрограммах при соответствующем изменении в функционировании органа.

Почти во всех существующих моделях электрическую активность органов и тканей сводят к действию определенной совокупности токовых электрических генераторов, находящихся в объемной электропроводящей среде. Токовый генератор имеет высокое внутреннее сопротивление R, во много раз превосходящее сопротивление внешней нагрузки R₀. По закону Ома для полной электрической цепи сила тока I = E / (R + R₀), учитывая, чтоR во много раз больше R₀, можно приближенно считать, что I = E / R .

Пространственная структура электрического поля, создаваемого генератором во внешней среде, определяется положением его полюсов. Для расчетов потенциалов этого поля генератор представляют в виде токового электрического диполя – системы из положительного полюса (источника электрического поля) и отрицательного полюса (стока), расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Важнейший параметр токового электрического диполя D – электрический дипольный момент - это векторная величина, определяемая соотношением: D = I·l ; где I– ток в диполе; l- вектор расстояния между полюсами. Направление вектора дипольного момента принимается от отрицательного полюса к положительному. Диполи в зависимости от их размера подразделяют на точечные и конечные. Точечным называют диполь, который занимает бесконечно малый объем пространства.