الکتروفیزیولوژي

1

www.parto-bme.blogfa.com

The Origin of Biopotentials

• Excitable cells• Volume conductor fields• The Electroneurogram (ENG)• The Electromyogram (EMG)• The Electrocardiogram (ECG)• The Electroretinogram (ERG)• The Electrooculogram (EOG)• The Electroencephalogram (EEG)

2

www.bme711.ir

3

مصرف غذابدن انسان مخزن یونهاست

...

Na

K

Ca

Cl

�

�

��

�

� �� �� �� �� �� �� �� �� �

یونها

بافت زنده

www.bme711.ir

4

سلول زنده

www.bme711.ir

غشاء: سلول زنده

5

غشاء سلول از دو الیه مولکولهاي چربی .تشکیل شده است

.می باشد (nm 15-7)ضخامت غشاء بین

www.bme711.ir

غشاء: سلول زنده

6

کانالهاي پروتئینی مختلفی در غشاء وجود دارند که

مسولیت جابجایی یونها را .بر عهده دارند

www.bme711.ir

پتانسیل استراحت غشاء

7

بین دو طرف غشاء سلولی وجود ) پتانسیل استراحت غشاء(دو مکانیزم اصلی براي تولید یک اختالف پتانسیل .دارد

1- Diffusion-Simple diffusion-Facilitated diffusion

2- Active TransportSodium and Potassium pumps; needs energy

www.bme711.ir

8

• neuron has a separation of charge across its external membrane

•selective permeability of the membrane to ions � separation of charge results in membrane

potential

•cell membrane:

outside: positive (defined as ground, 0mV)

inside: negative

•membrane potential Vm is approximately −60mV ~ −90mV (depend on the specific cells)

•resting potential (no stimulus) is −60mV

www.bme711.ir

9

www.bme711.ir

10

The cell maintains ion concentrations by using a selectively permeablemembrane and an active ion pump• cell membrane (~10nm thick) contains a lipid bilayer (2 platesseparated by an insulator)� has capacitive properties• extracellular fluid� primarily Na+ and Cl−•intracellular fluid (cytoplasm� primarily K+ and A− (A− : large organicions, primarily amino acids and proteins, do not cross the membrane)•ions can only pass through the cell membrane through a channel•channels are selective, either passive or active

www.bme711.ir

11

www.bme711.ir

12

:غشاء استراحت پتانسیلسلول خارج و داخل در یونها غلظت تفاوت - 1مختلف یونهاي به غشاء نفوذپذیري تفاوت - 2 پتاسیم - سدیم پمپهاي وجود - 3

.است غلظت اختالف حفظ آن اصلی وظیفۀ

:مرور مباحث تا کنون

www.bme711.ir

13

(AP)پتانسیل عمل )فیبر عصبی(تحریک الکتریکی یک آکسون

www.bme711.ir

14

(AP)پتانسیل عمل باز شدن دریچه فعال سدیم وابسته به ولتاژ

www.bme711.ir

15

(AP)پتانسیل عمل اندازه گیري مشخصه دپالریزاسیون

www.bme711.ir

16

(AP)پتانسیل عمل بسته شدن دریچه غیرفعال سدیمی باز شدن دریچه هاي فعال پتاسیمی

www.bme711.ir

17

(AP)پتانسیل عمل مشخصه دپالریزاسیون و رپالریزاسیون

www.bme711.ir

18

(AP)پتانسیل عمل وابستگی زمانی رخدادهاي تولید کننده پتانسیل عمل

www.bme711.ir

19

(AP)پتانسیل عمل نمودار هدایت یونی غشاء نسبت به یونهاي سدیم و پتاسیم که منجر به تولید پتاسیل

.عمل می کتد

زمانهاي برگشت ناپذیريمطلق و نسبی

www.bme711.ir

20

انتشار پتانسیل عملنکات مهم

self)سیستم خود تحریک کننده می باشد - 1 excitory)..پتانسیل عمل فقط در یک جهت حرکت می کند - 2.پاسخ نمی دهد APبخاطر تولید محلی سیگنال، سلول دیگر به - 3

www.bme711.ir

21

APثبت یک تحریک کننده الکتریکی یک پالس جریان کوچکی به آکسون وارد می کند،

که این پالس براي تحریک آکسون کافی است

www.bme711.ir

22

سرعت انتشار پتانسیل عمل

www.bme711.ir

23

(a) Charge distribution in the vicinity of the active region of an ummyelinatedfiber conducting an impulse. (b) Local circuit current flow in the myelinated nervefiber.

CellNode of Ranvier

MyelinsheathActive

node

Local closed (solenoidal)lines of current flow

Repolarizedmembrane

Axon

Restingmembrane

External medium

+�

+�

+�

+�

+�

+�

+�

+��+�+

�+�+

+�

+�

+�

+�

+�

+�

+�

+�

�+�+�+

�+�+�+�+�+�+�+�+

+�

+�

+�

+��+�+�+�+�+�+�+�+

+�

+�

+�

Active region

Depolarizedmembrane

(a)

(b)

Direction ofpropagation

Periaxonalspace

Axon + �

www.bme711.ir

24

مدار معادل الکتریکی براي غشاء سلول

:اهداف.، مقاومتی و خازنی را توصیف کندElectromotiveمشخص کردن مدل مداري که ویژگیهاي •مشخص کردن چگونگی تغییرات پتانسیل غشاء با فاصله•

:پیش نیاز.کمک می کند Hodgkin-Huxleyمدل مداري ارائه شده در اینجا به درک مدل • می کند توصیف را ولتاژ به وابسته و زمان به وابسته کانالهاي که مدلی � Hodgkin-Huxley مدل•)عمل پتانسیل براي مدل یک(، مقاومتی و خازنیelectromotive: سلول عصبی سه نوع مشخصۀ الکتریکی غیرفعال دارد •و ) انتخابی: غیرفعال یا فعال(انواع مختلف کانالهاي یونی -1یک دو الیۀ لیپیدي با �غشاء سلول •

پتاسیم -پمپ فعال سدیم

www.bme711.ir

Hodgkin-Huxleyهاکسلی - مدل هاجکین

25

www.bme711.ir

26

Electromotiveویژگیهاي نیروي و سلول غشاء طرف دو در متفاوتی بصورت استراحت، حالت در -Cl و +K+، Na اصلی یون سه •

� می شود غشاء امتداد در بار جداسازي به منجر �شده اند توزیع غیرفعال یونی کانالهاي امتداد در.می دهد نتیجه را )گلدمن رابطۀ طبق( Vm پتانسیل

نیروي � دارد وجود غلظت گرادیان یون هر براي � یونی خاص کانال هر امتداد در •Electromotive می آورد در حرکت به کانال در ثابت نرخی با را یون نیرو، این � می شود ایجاد.

مدل باتري با � .است کانال امتداد در الکتریکی پتانسیل تفاوت � یون براي نرنست پتانسیل •.می شود

www.bme711.ir

27

ویژگیهاي مقاومتی.می کند مقاومت کانال امتداد در الکتریکی بار جابجایی مقابل در � است مقاومت داراي کانال هر •.می شود تبدیل حرارت به الکتریکی انرژي و داریم مقاومت کانال، دیوارۀ با برخورد اثر در• کانالهاي براي( رساناییها چون � .می کنیم استفاده )زیمنس واحد با G( هدایت از راحتی براي •

.است ′G=N×G که می دانیم هستند موازي )یونیG: کلی هدایتN: کانال تعدادG’: کانال هر براي هدایت

www.bme711.ir

28

مدار معادل براي سه یون داده نشان می دهد، نشان را مناسب مقاومت و نرنست پتانسیل که مشابهی معادل مدار با یون هر •

.می شود.می کنیم ترکیب را معادل مدار 3 � استراحت حالت در غشاء براي معادل مدار•

استراحت حالت در عصب از کوچکی ناحیۀ براي غیرفعال کانالهاي مدل

www.bme711.ir

29

پتاسیم -مدل کردن پمپ سدیمغشاء امتداد در بار خالص انتقال :جریان منابع

استراحت حالت در عصب از کوچکی ناحیۀ براي پتاسیم -سدیم پمپ بهمراه غیرفعال کانال سه مدل

www.bme711.ir

30

:مش تحلیل

:1مثال

www.bme711.ir

31

:2مثال

:می یابیم را قبل مثال براي تونن معادل مدار

- The membrane potential is determined by the relative conductances and Nernstpotentials for K and Na .-The Nernst potentials are determined by the active pump that maintains theconcentration gradient.-Cl is usually passively distributed across the membrane.

( ) 00TH Cl TH Cl Cl TH Cl m

TH Cl

V E R R II I V E V

V E

� � � ��� � � � � �� ��

www.bme711.ir

32

ویژگیهاي خازنی از )عایق( غشاء لیپیدي الیۀ دو توسط که هستند الکتریکی هادیهاي سلولی خارج مایع و سیتوپالسم •

خازنی خاصیت � شده اند جدا هم :با است برابر تقریبی بصورت غشاء خازنی ظرفیت• جابجا می توانند غشاء یونی کانالهاي طریق از فقط یونها که است معنی بدین غشاء خازنی خاصیت•

.شوند.می کند عمل باز مدار مثل )استراحت حالت( مانا حالت در خازن •

www.bme711.ir

33

اول مرتبۀ زمانی ثابت � کند طی را زمانی دورۀ یک غشاء ولتاژ در تغییرات می شود باعث خازنی خاصیت-میلی ثانیه 20 تا 1 :نوعی نورون در زمانی ثابت -

.دارد قرار مانا حالت %1 در پاسخ ،τ5 در-:داریم و می کند عمل باز مدار مثل خازن مانا حالت در-

مدار معادل غشاء سلول

www.bme711.ir

34

www.bme711.ir

35

www.bme711.ir

36

www.bme711.ir

37

- Value of time constant is important in the integration of currents (packets ofneurotransmitter) at the synapse; Each packet acts as a current pulse; a longer τ requiresmore time for the membrane to be excited.- The membrane voltage (Vm) due to a series of 15μA current pulses of 6ms duration withthe onsets occurring at 0, 2, 4, 6, and 8 ms.- Since the pulses occur within 5τ of the previous pulses, the effect on Vm is additive,allowing the membrane to depolarize to approximately −45mV;- If the pulses are spaced at intervals > 5τ, then Vm would be a series of pulses aspreviously shown.

www.bme711.ir

38

تغییر در پتانسیل غشاء با فاصله

a circuit model to characterize this effect� add a resistor Ra in the cytoplasm (inside)connecting each section; modeled as a short circuit for the outside resistance

www.bme711.ir

39

www.bme711.ir

40

Theoretical action potential u and membrane ionic conductance changes forsodium (gNa) and potassium (gK) are obtained by solving the differential equationsdeveloped by Hodgkin and Huxley for the giant axon of the squid at a bathingmedium temperature of 18.5 ºC. ENa and EK are the Nernst equilibrium potentialsfor sodium and potassium across the membrane.

www.bme711.ir

41

www.bme711.ir

42

مدار معادل یک سلول تحریک پذیر Hodgkin-Huxleyهاکسلی -مدل هاجکین

www.bme711.ir