Stimolazione artificiale del cuore
Il ciclo del cuore:
Impulso elettrico di
stimolazione da parte di un
gruppo di fibre nervose il nodo
sinoatriale, Stimolatori
artificiali Pacemaker
impiantati chirurgicamente
aiutano alcuni soggetti
cardiopatici Questi stimolatori sono circuiti
alimentati da una batteria e
producono impulsi in
sostituzione di quelli naturali
(attualmente attraverso
micropocesori è possibile variare
dall’esterno i parametri del
pacemaker come ad esempio la
frequenza dello stimolo)
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Esempio di Pacemaker: frequenza tipica 75 impulsi al minuto prodotti per mezzo di
un condensatore da 0.4µF che si carica molto rapidamente attraverso un piccola
resistenza r mentre si scarica attraverso una grande risistenza R secondo lo schema :
interruttore
r
ε +
-
C
R
T
Al cuore
Quando la carica sul condensatore C si riduce a Qoe-1=0.37Qo i transistors T inviano
al cuore un breve impulso di stimolazione oltre a dare inizio alla ricarica del
condensatore attraverso la resistenza r.
Si determini :
• la costante di tempo del circuito di scarica RC (trascurare il breve tempo per la
ricarica del condensatore attraverso r)
• la resistenza R
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Trasmissione di un impulso nervoso lungo un assone
Dendrite
Impulso nervoso
Nucleo
Guaina
mielinica
Trasmissione
chimica
Assone
Corpo della
cellula
Nodi di Ranvier
Terminazioni
nervose
dell’Assone Stimolo
In sistemi biologici l’informazione viene trasmessa attraverso fibre nervose chiamate assoni
Come tutte le altre cellule anche la cellula nervosa è separata dall’ambiente da una
menbrana che pero` nel caso della cellula nervosa presenta delle particolarita`. Sono
presenti protuberanze chiamate dendriti e una struttura lunga e sottile, l’assone, che
sono attacchati al corpo cellulare. L’assone ha tipicamente un diametro che varia da 1÷20 µm e può essere lungo fino a un
metro
La guaina mielinica riduce la capacita` della menbrana aumentandone la sua resistenza
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elettrica; nei nodi di Ranvier avviene l’amplificazione degli impulsi nervosi.
Resistenza e capacita` di un assone
Il funzionamento di un assone è simile a quello di un cavo elettrico con un
isolante difettoso
Si assume che l’assone sia costituito da una
menbrana cilindrica contenente un fluido
conduttore l’assoplasma
La resistenza dell’assone: idisp
iassone
R=ρal/πr2 con ρa=2Ωm e r=5µm
Resistenza della menbrana per unita`
di area Rm=40Ω/m2
La menbrana presenta inoltre una capacita` poiché cariche di segno opposto si
accumulano sui due lati di essa; la capacita` per unita` di area
Cm=50µF/m2
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Come si tramette lo stimolo nervoso La parte interna di un assone quando non è stimolato si trova ad un potenziale più
basso del fluido interstiziale circostante: ΔV=Potenziale di riposo (-90mV)
+
-
V = - 90 mV
Sono polarizzate
Questa ddp è dovuta alla competizione tra:
-la tendenza a diffondere attraverso la membrana cellulare delle sostanze che si trovano
a diversa concentrazione all’interno ed all’esterno della cellula e per cui la membrana è
permeabile.
Questa forza tenderebbe ad eguagliare le concentrazioni ma….
- gli ioni sono dotati di carica elettrica, dunque esercitano tra loro forze repulsive che
contrastano il passaggio per diffusione
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Concentrazioni e potenziali all’interno e all’esterno di un
tipico assone di mammifero a riposo
+
- +
-
+
+
+
-
+
+
- + +
C Cl- = 4
C altri-= 163
+ +
+ +
+
-
V+i=-90mV
+
-
+
-
C K+ = 155
C
=
12
- Na+
+
C Cl- = 120
Caltri-=29
C K+ = 4
C Na+ = 145
+
+
-
+
Vo=0 per convenzione
NB: le concentrazioni sono date in moli/m3
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Il Na+ e Cl- sono molto più concentrati all’esterno mentre K+ è più concentrato
all’interno. L’eccesso di ioni negativi sui positivi dentro la cellula risulta essere solo 1/100000
circa del numero di ioni negativi della cellula. Uguale numero di ioni + in eccesso è
presente nel liquido interstiziale Interno della cellula
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
Interno della cellula
Cl-
Na+
Cl-
E
Na+
Cl-
K+
Cl-
E
Cl-
Cl-
Interno della cellula
Cl-
Ic= Correnti ioniche dovute alla differenza di concentrazione
Ip= Correnti ioniche dovute alla differenza di potenziale
K+
K+
E
Cl-
K+
K+
K+
K+
K+
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Interno della cellula
Na+
Na+
Na+
Na+
E
Na+
Na+
Na+
Na+
La concentrazione esterna di Na+ rimane
molto elevata nonostante il flusso netto verso
l’interno della cellula⇒il sodio viene
continuamente riportato fuori a spese
dell’energia metabolica
Interno della cellula
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Il flusso risultante è nullo
E
Cl-
Cl-
Interno della cellula
K+
K+
K+
E
K+
K+
K+
K+
K+
Il flusso risultante è verso l’esterno
poiché Ic≥Ip ⇒meccanismo che riporta il
potassio entro la cellula e mantiene le sue
concentrazioni non equilibrate
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La differenza di potenziale all’equilibrio
i flussi dovuti alle differenze di concentrazione e di potenziale risultino
esattamente equilibrati: equazione di Nernst : l’energia potenziale di uno ione q(Vi-Vo) deve essere uguale
al lavoro necessario a trasferirlo nella regione a concentrazione più alta
q(Vi-Vo)=kBT ln(co/ci)
lo ione è in equilibrio
Confrontare la ddp all’equilibrio per K+ con il potenziale di riposo osservato
ΔV=-90mV
Il potenziale di riposo e le concentrazioni ioniche osservate implicano
un flusso passivo di ioni Na+ dentro l’assone e di ioni K+ fuori
dall’assone;
il mantenimento di questi squilibri è dovuto al meccanismo del
trasporto attivo a spese di energia metabolica. Il valore e il segno del potenziale della cellula è determinato in gran
parte dalla diversa permeabilita` della membrana dei riguardi del K+ e
del Na+ 9
Quando arriva al nervo uno stimolo, un impulso di corrente viaggia lungo l’assone
e il transitorio di potenziale ad esso associato è denominato Potenziale d’azione
La permeabilita` al Na+ aumenta
rapidamente producendo un flusso
verso l’interno e il caratteristico
impulso del Potenziale d’azione
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1.
Viene ricevuto uno stimolo dai dendriti della cellula; aumenta la permeabilita` agli ioni Na+ 2.
Oltre una certa soglia il potenziale all’interno della cellula aumenta fino a cambiare di segno (depolarizzazione) e
si arriva a valori positivi dell’ordine di +30 ÷40mV
3.
Si chiude il canale di immissione di Na+ e aumenta la permeabilita` per il K+
4.
Fase di iperpolarizzazione che assicura che il segnale stia procedendo in una direzione
5.
Il potenziale si riporta alla situazione di riposo 11
