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生物电学

时间:2019-06-20    点击: 次    来源:网络    作者:佚名 - 小 + 大

生物电学


生物电学是研究生物和人体的电学特征——生物电活动规律的科学。生

物电学研究是深入认识人体生理活动规律和病理、药理机制的基础之一,同

时也为医学的临床诊断和治疗不断研究出新的方法和技术。

对人体和生物电活动的研究已有很长历史。当前,在各种学科协作配合

下,一方面对生物电产生机制和活动规律的研究已深入到生物大分子的水

平;另一方面,在临床医学应用上正发展着更多的新技术和新仪器。

人体电活动现象及其微观来源

人体要维持正常的生命活动,就需要在体内及与周围环

境不断进行物质的交换、能量的转化及信息的传递,这一切过程都离不

开生物电活动。举一个例子,一个路上的行人,看到一辆汽车迎面驶来,就

急忙躲避,这一简单动作就包含了一系列复杂的生物电活动。首先,由汽车

反射的光线通过眼球进入视网膜,光引起了视细胞上蛋白质分子构像变化,

把光能转换成电能,使视细胞膜发生周期性的同位变化,形成可传播的电信

号——动作电位。经过视觉神经把汽车的开头位置、运动状态等各种信息输

入到中枢神经,在大脑中经过亿万个细胞的电活动,对所输入的信息进行分

析、综合、判断,作出需要躲避的决定,然后,把动作指令以发放序列动作

电位的方式经运动神经传送到腿部,通过神经——肌肉接头,由动作电位引

起肌纤维的收缩运动,并使许多肌肉发生协调动作,从而实现了躲避汽车的

宏观行为。

人体内充满了电荷,但大部分不能像金属中的自由电子那样在导体中快

速运动,而是以离子、离子基因和电偶极子的形式存在。例如,组成蛋白质

的 20 种氨基酸中,有 13 种氨基酸在水中能产生离子基因或表现出电偶极子

特性,遗传物质 DNA 大分子也存在离子基因和偶极子。正是靠着这些电的相

互作用,才能使生物大分子保持一定的空间构像,行使特殊的生命功能。例

如,遗传密码的复制、生物大分子的合成、新陈代谢过程中酶和底物的诱导

——契合作用等,都依赖于离子基因和偶极子的电的相互作用。目前,对这

种相互作用的具体细节和规律尚了解不多。

在一些生命活动中,存在着瞬时的电子输运过程。便如,人体细胞内合

成 ATP 以储存能量的过程中、出现电子沿着分子链传输的现象。在外界能量

(如辐射)作用和体内能量转化过程中,都能瞬时产生自由电子和质子(氢

离子),它们在水溶液和大分子之间运动,完成某些功能或损害正常的生命

活动。

各种无机离子如 K”、 N”、 Ce 一、Ca”” Mg””Cu““ Fe””等,

在人体内大量存在,参与各种各样的生命活动。它们有的被束缚于一些生物

大分子上,成为大分子的活性中心。还有许多种离于分散在体液、血液和细

胞内、外液中,它们一方面保持着人体碱度的平衡,保证细胞有正常的生存

环境,同时执行着调节生命活动的使命。另外 K”、Na”、Ce”、Ca“”等

离子是心脏、神经系统和骨骼肌、平滑肌等组织和器官电活动的基础,由于

这些离子在细胞膜内外分布不平衡,导致细胞膜两侧的正、负电荷不相等,

使膜呈现出外正内负的电位差。在各种刺激作用下,膜对离子的通透性会发

生瞬时变化,使不同的离子发生跨膜输运,由于输运的时间、数量和方向不

同,造成细胞膜内外电位差发生脉冲式的变化,即产生动作电位。

人体内的水分子利用其电偶极子的特性,影响着许多生物大分子的结构

和功能,例如,蛋白质和酶在水溶液中,⑤过与水分子的电的和其他类型的


力的相互作用,形成特定的空间构像,表现出专一的生物活性,一旦脱水,

原来的空间构像被破坏而变成了“死”物质。水也和溶液中的离子发生电的

相互作用,使离子外包围着若干层的水分子,称水合 0 用。这些离子直接参

与某种生命活动时,有的需要这些水 5 子同时存在,有的则需要摆脱掉水分

子的电的影响。

综上所述,人体各种电特性和电活动的来源,主要是 d 生物大分子、离

子、水和少量瞬态的自由电子的电学特什回其运动产生的,对它们的特性和

功能的研究,是当前有关学科的重要前沿课题。

人体器官电活动图

由兴奋性细胞组成的人体组织和器官,如脑、心脏、骨骼肌和平滑肌、

视网膜等,在生命活动中,由于细胞动作电位不断地发生和传播从而形成复

杂的电流回路和电场分布。我们可以在这些组织和器官所在部位的体表测量

出一定的电位变化,为了解该组织和器官的生理和病理提供重要的信息。下

面分别说明一些组织和器官电活动图产生的原理、测量方法及在临床医学上

的应用。

心脏有节奏的收缩扩张,受位于右心房的特殊肌细胞的自发兴奋的电信

号控制,即窦房结以大约 72 次/秒的频率进行自发专极化活动,所产生的动

作电位通过神经传导到两个心房,使心房肌细胞专极化引起心房收缩把血液

注入心室;接着动作电位传播到房室结,由希式束和蒲肯野把动作电位送到

两个心室,使心室肌专极化发生收缩运动,推动血液进入体循环和肺循环,

并按此顺序周而复始。同时,窦房结的起搏频率还受植物神经系统的调控,

根据身体内和外部的刺激作出反应,使起搏频率加快或减慢。

1876 年玛瑞(Marey)最早发现心脏收缩时伴有电反应,这种电反应的

复杂形式不同于骨骼肌电反应形式,引起了大家的注意。心脏在跳动时甚至

在皮肤表面上也能产生 1~2 毫伏的电压。1903 年爱因索文(Einthoven)发

明了弦线电流计,促进了心肌动作电流的深入研究。借助弦线电流计可以记

录整体内心脏电活动,并在临床上迅速获得广泛的应用。爱因索文为测定心

脏动作电流确定了三种标准导程:即为右手——左手;为右手——左脚;为

左手——左脚。

三种导程记录出的心脏电活动由许多波组成,按各波先后出现的顺序分

别命名为 P 波、Q 波、R 波、S 波、T 波。这一系列的电位变化称为心电图(缩

写为 ECG)。其中 P 波代表左、右心房肌兴奋产生和体表电位变化,由于兴

奋中窦房结向心房各处扩布时电势方向不同,互相抵消甚多,故波形小而圆

钝。

P~R 间期或 P~Q 间期代表心房开始兴奋到心室开始兴奋所需时间间

隔,一般约为 0.12~ 0.2 秒左右。QRS 波群代表左、右心室肌兴奋传布过程

中的体表电位变化,波群的时程代表肌兴奋传布所需的时间,约为 0.06~0.l

秒。在兴奋由心房传到房室结再经房室束下传的一段时间内,心电图记录不

到电位变化,只有当室间隔左侧开始专极化并向其右和上方传布时,可记录

到 Q 波。随后,兴奋继续向心尖部分传布,并从心室壁内膜向外膜传布,对

应的电势向量由心房指向心尖,可记录到向上的高 R 波。最后兴奋传到左心

室后侧底部与室间隔底部时,电势向量指向心底,记录到向下的 S 波。

S~T 段正常时接近一等电位线,这段时间反映心室各部分均处于兴奋状

态。S~T 段与等电位线的偏移称损伤电位,是心肌受损伤的反映。T 波反映

心室复极化过程的体表电位变化,T 波一般向上这一事实反映了心室先兴奋

的部位后复极化,而后兴奋的部位先复极化。


为适应临床上对心脏疾病的诊断和心脏功能的监护、遥测。近年来已发

展了许多成套的心电监测自动化仪器设备。关于心电图异常的各种心脏疾患

的关系,临床医生已积累了十分丰富的诊断经验和资料。

肌肉的一个运动单位包括来自脑干或脊髓的单个分枝的神经元和 25~

2000 个肌纤维。神经元通过运动终极的肌肉细胞连接,当神经元把脑或脊髓

发出的动作电位传到肌细胞后,使肌细胞专极化并产生收缩。用同轴针形电

极插入皮下,可测量单个运动单位的电活动,若用面电极放在皮肤上,测得

的是多个运动单位的电活动。当肌肉放松时,肌电图上只有人体或仪器的干

扰和噪音,肌肉轻度用力时,肌电波是分立的;肌肉强直收缩时,由于参与

活动的运动单位多,频率增高,各波形互相干扰,不再能分辨单个肌电波。

除记录自发肌电活动外,用电刺激肌肉运动单位也可得到肌电图。其优

点是:刺激时间确定,所有肌纤维几乎能同时起动,也可电刺激传感神经,

将信息传入中枢神经,再通过观察肌肉的反射反映来研究反射系统的功能。

肌电图(EMG)是临床神经生理学检查的重要方法之一,在神经、内科、

骨科、职业病诊断和运动医学等方面有广泛作用。

脑包括大脑、小脑和脑干。大脑两个半球表面的一层结构叫大脑皮质,

是人类进行思维活动的物质基础。大脑皮质是灰质,由神经元组成,这些神

经元分别集中形成各种神经中枢。例如听、视、语言、感觉等神经中枢,神

经中枢的基本活动形式是反射活动。脑电波(缩写为 EEG)是神经中枢细胞

在反射活动中有节律的交变放电,是神经细胞电活动的综合。

在大脑皮质中产生的电位要经过脑脊液、脑膜、头盖骨、皮下组织等传

到头皮表面。在头皮表面放置电极,可探查出大量脑细胞电活动形成的电位

或电位差随时间的变化。

关于大脑皮层上电活动的发现,起始于 1875 年俄国人达尼里夫斯基,他

用声音刺激狗的听觉器官时,首次观察到狗的大脑皮层上出现生物电流。同

年美国人卡通也发现暴露的兔脑上能产生电变化。1924 年德国人伯格用两根

白金刺入精神病患者的头皮并与颅骨相触,记录到了人类的首例脑电图。到

30 年代后期,脑电图技术开始应用于临床,记录方法也不断改进。将电极置

于头皮之上便可记录出脑电图。

在脑电图中可记录到几种自发脑电波形,按频率范围可将它们分类如

下:

慢波 0.5~3.5 赫

θ中慢波 4~7 赫

a 波 8~13 赫

β快波 13 赫以上

各种波都可在皮层的不同区域引出,但不同区域波幅创大小有差别。

a 波在人清醒、安静并闭眼时出现,其波幅随时间周期性地变化,睁眼

后 a 波立即消失。人困倦可测到θ波,睡眠时可记录到 波。一般认为,快

波是皮层处于特殊紧张活动状态时主要脑活动的表现,慢波是睡眠状态脑活

动的表现。

大脑的结构和功能十分复杂,对脑电波与各种脑细胞电活动的明确对应

关系目前所知不多。因此,为了给基础研究和临床诊断提供更多的信息和依

据,近年来国内外已广泛开展了脑电波信号分析和信息提取的研究。这种研

究以信号处理的方法原理为依据,利用计算机为工具,设计出各种程序进行

分析、处理和运算,以期得出有价值的结果。

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