Τμήμα Φυσικοθεραπείας ΤΕΙ Αθήνας Ηλεκτρισμός Διαφάνειες και κείμενα από: P Davidovic: Physics in Biology and Medicine Χ. Τσέρτος (Πανεπ. Κύπρου)

Στατικός ηλεκτρισμός – Νόμος Coulomb

Στατικός ηλεκτρισμός – Ένταση πεδίου

Βιοηλεκτρισμός Αντικείμενο του είναι η μελέτη της δημιουργίας και διάδοση ηλεκτρικών σημάτων σε ζώντες οργανισμούς (ανθρώπινο σώμα, ζώα) Η μέθοδος μεταφοράς σήματος (μηνυμάτων) στο νευρικό σύστημα βασίζεται στη μεταφορά ηλεκτρικών παλμών από τους νευρώνες. Όταν ένας νευρώνας λαμβάνει ένα ερέθισμα, παράγει ηλεκτρικούς παλμούς που διαδίδονται κατά μήκος μιας δομής που μοιάζει με ηλεκτρικό καλώδιο Η ένταση του ερεθίσματος καθορίζει τον αριθμό των παλμών. Κάθε παλμός είναι σταθερός σε μέγεθος και σε χρονική διάρκεια Όταν οι παλμοί φθάνουν στο τέλος του καλωδίου, ενεργοποιούν άλλους νευρώνες ή μυϊκά κύτταρα. Ένα ερέθισμα από τον μυ παράγει παλμούς που ταξιδεύουν στο σπόνδυλο. Από εκεί το ηλεκτρικό σήμα μεταφέρεται σε ένα κινητήριο νευρώνα, ο οποίος στέλνει παλμούς για να ελέγξει τον μυ. Τέτοια απλά κυκλώματα σχετίζονται με αντανακλαστικές δράσεις Κάθε άξονας ενός νευρώνα διαδίδει σήματα ανεξάρτητα από τους άλλους, αλλά πολλοί άξονες μοιράζονται κοινή διαδρομή (νευρωνικά πακέτα)

Νευρώνας και απλό νευρικό κύκλωμα

Ηλεκτρικά δυναμικά στον άξονα του νευρώνα Στο ανθρώπινο σώμα το άλας και άλλα μόρια διασπώνται σε θετικά και αρνητικά ιόντα. Κατά συνέπεια τα ρευστά του σώματος έχουν καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα (χαμηλότερη πάντως από τα μέταλλα, 100 φορές μεγαλύτερη αντίσταση). Το εσωτερικό τμήμα ενός άξονα είναι γεμάτο με ένα ιονισμένο ρευστό το οποίο περιβάλλεται από μια μεμβράνη (που δεν είναι ιδανικός μονωτής) που το διαχωρίζει από άλλο υγρό που το περιβάλει. Οι ειδική αντίσταση του εσωτερικού και του εξωτερικού ρευστού είναι περίπου ίδιες, αλλά η χημική τους σύσταση διαφορετική

Ηλεκτρικά δυναμικά στον άξονα Το εξωτερικό ρευστό είναι παρόμοιο με το νερό της θάλασσας. Το ιονισμένο του διάλυμα αποτελείται κυρίως από θετικά ιόντα νατρίου και αρνητικά ιόντα χλωρίου. Μέσα στον άξονα υπάρχουν θετικά ιόντα καλίου και μεγάλα αρνητικά φορτισμένα οργανικά μόρια (στα οποία η μεμβράνη δεν είναι διαπερατή). Όταν ο άξονας δεν άγει ηλεκτρικό παλμό, η μεμβράνη έχει υψηλή διαπερατότητα στο κάλιο και ελάχιστα διαπερατή στα ιόντα νατρίου. Τα ιόντα καλίου εξέρχονται από τον άξονα με αποτέλεσμα να παράγεται αρνητικό δυναμικό (70 mV) στο εσωτερικό του άξονα (σε σχέση με εκτός), το οποίο όμως αρχίζει να συγκρατεί τη ροή καλίου. Ένας νευρικός παλμός παράγεται όταν το ερέθισμα υπερβαίνει μια τιμή κατωφλίου. Στη συνέχεια ο παλμός διαδίδεται στον άξονα και ονομάζεται δυναμικό δράσης (σχήματα επόμενης σελίδας). Οι παλμοί είναι του ίδιου μεγέθους (για δεδομένο νευρώνα), παράγονται με ρυθμό ανάλογα με την ένταση του ερεθίσματος και η διάδοση φθάνει σε ταχύτητα 100 m/s (σε άξονες που δρουν γρήγορα)

Δυναμικό δράσης (παλμός)

Διάδοση του δυναμικού δράσης Όταν η τάση σε ένα τμήμα της μεμβράνης μειώνεται κάτω από την τιμή κατωφλίου, η διαπερατότητα της μεμβράνης σε ιόντα νατρίου αυξάνεται ραγδαία. Τα θετικά ιόντα νατρίου που εισέρχονται στον άξονα αντισταθμίζουν τα τοπικά αρνητικά φορτία (μεγάλα αρνητικά ιόντα). Μεταβάλουν το δυναμικό εντός του άξονα ώστε να γίνει θετικό (αρχική απότομη αύξηση του παλμού του δυναμικού δράσης). Η απότομη αύξηση του δυναμικού (αιχμή) σε ένα τμήμα προκαλεί αύξηση της διαπερατότητας σε νάτριο αμέσως μετά από αυτό το τμήμα του άξονα. Το οποίο με τη σειρά του αυξάνει το δυναμικό (παράγει μια κορυφή σε αυτή την περιοχή). Έτσι διαδίδεται η διαταραχή κατά μήκος του άξονα. Στο μέγιστο του δυναμικού δράσης η μεμβράνη του άξονα κλείνει της πύλες της για το νάτριο και τις ανοίγει για το κάλιο. Τα ιόντα καλίου εξέρχονται και το δυναμικό του άξονα μειώνεται σε μια τιμή λίγο κάτω από το δυναμικό ηρεμίας. Στη συνέχεια επανέρχεται το δυναμικό ισορροπίας και το τμήμα του άξονα είναι έτοιμο να δεχτεί νέο παλμό

Διάδοση δυναμικού δράσης-Χωρητικότητα Ο αριθμός των ιόντων που ρέουν εντός και εκτός άξονα κατά τη διάρκεια του παλμού είναι πολύ μικρός (οι πυκνότητες ιόντων δεν αλλάζουν σημαντικά). Το αθροιστικό αποτέλεσμα (ως προς τη ροή ιόντων) πολλών παλμών εξισορροπείται από μεταβολικές αντλίες Η αρχική αύξηση των ιόντων εντός του άξονα προκαλεί αντίστοιχη μεταβολή του ηλεκτρικού φορτίου ΔQ και της ηλεκτρικής τάσης ΔV. Το σύστημα λειτουργεί ως πυκνωτής και έχει χωρητικότητα C: Η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για να διαδοθεί ένας παλμός κατά μήκος του άξονα υπολογίζεται από τα σχέση (Οι υπολογισμοί βασίζονται στα δεδομένα του πίνακα 13.1)

Ο άξονας ως ηλεκτρικό καλώδιο