Электрические явления в биологических системах обусловлены существованием и движением ионов в водной среде, разделённой полупроницаемыми мембранами. Основными переносчиками заряда в организмах являются ионы калия (K⁺), натрия (Na⁺), кальция (Ca²⁺), хлора (Cl⁻) и др. Эти ионы формируют электрические потенциалы и токи, лежащие в основе работы нервной, мышечной и некоторых эпителиальных тканей.
Ключевым понятием является мембранный потенциал — разность потенциалов между внутренней и внешней сторонами клеточной мембраны. В покое этот потенциал называется потенциалом покоя и обусловлен асимметричным распределением ионов и активной работой ионных насосов, в частности натрий-калиевого насоса (Na⁺/K⁺-АТФазы).
Мембранный потенциал создаётся за счёт:
Стабильное существование потенциала покоя требует постоянной работы активных ионных насосов, особенно Na⁺/K⁺-АТФазы, которая за один цикл выкачивает три иона натрия наружу и закачивает два иона калия внутрь клетки.
Потенциал действия — это кратковременное, быстрое изменение мембранного потенциала, происходящее при возбуждении клетки. Он лежит в основе передачи нервных импульсов и мышечного сокращения.
Стадии потенциала действия:
Потенциал действия распространяется вдоль мембраны без затухания, что особенно важно для аксонов нервных клеток.
В нейронах потенциал действия распространяется по аксону до синапса, где передача сигнала может происходить либо посредством нейромедиаторов (химический синапс), либо напрямую через ионные каналы (электрический синапс). Миелинизация аксона позволяет ускорить распространение импульса за счёт “скачкообразного” проведения — потенциал действия возникает только в перехватах Ранвье.
Мышечное сокращение инициируется потенциалом действия, который активирует кальциевые каналы саркоплазматического ретикулума, вызывая высвобождение ионов Ca²⁺, необходимых для взаимодействия актина и миозина. Электрическая активность мышц регистрируется методом электромиографии (ЭМГ).
Кардиомиоциты имеют собственный ритмический автоматизм. Потенциалы действия здесь отличаются от нейрональных: они включают длительную плато-фазу, обусловленную входом Ca²⁺. Электрическая активность сердца регистрируется методом электрокардиографии (ЭКГ).
Электрические токи, возникающие при суммарной активности большого количества клеток, могут быть зарегистрированы на поверхности тела. Эти токи отражают физиологическое состояние организма и являются важными диагностическими показателями.
ЭКГ — отображает суммарную электрическую активность сердца. Изменения в интервалах, амплитуде и форме зубцов позволяют судить о наличии ишемии, гипертрофии, аритмии и других нарушений.
ЭЭГ (электроэнцефалография) — отражает электрическую активность мозга. Частотный спектр ЭЭГ (дельта, тета, альфа, бета, гамма-ритмы) используется для диагностики эпилепсии, комы, нарушений сна.
ЭМГ — регистрирует потенциалы действия, возникающие в скелетной мускулатуре, и помогает диагностировать поражения периферических нервов и мышцы.
Живые ткани обладают определёнными электрическими параметрами:
Различные ткани имеют разные значения сопротивления: например, кровь и мышцы хорошо проводят ток, а кости и жир имеют высокое сопротивление.
Использование электрических явлений в медицине реализуется через методы электростимуляции, электрофореза, диагностики биоэлектрических сигналов, дефибрилляции и других.
Электростимуляция применяется:
Дефибрилляция — кратковременное воздействие сильного электрического импульса для восстановления нормального сердечного ритма при фибрилляции желудочков.
Электрофорез — метод доставки лекарственных веществ в ткани с помощью постоянного электрического тока.
Мембрана клетки может быть представлена в виде электрической схемы, включающей:
Такой подход позволяет количественно описывать процессы возбуждения, распространения импульсов, вычислять временные константы, пороги возбуждения и другие параметры.
Измерение биоэлектрических сигналов требует применения высокочувствительной аппаратуры, экранирования от шумов, правильной установки электродов.
Типы электродов:
Характеристики сигнала: амплитуда, частота, форма, длительность. Сигналы проходят стадию усиления, фильтрации и цифровой обработки.
Физиологическое действие электрического тока зависит от:
Электрические ожоги, остановка сердца, фибрилляция — основные угрозы при поражении током. Меры защиты включают заземление, автоматическое отключение, изоляцию проводов.
Электрический потенциал влияет на:
Активное изучение электрогенеза в стволовых клетках и электротаксиса (направленного движения клеток под действием электрического поля) открывает перспективы в регенеративной медицине.
Современные направления исследований в области биоэлектричества включают:
Исследование и практическое применение электрических явлений в живых организмах являются краеугольным камнем современной медицинской физики и физиологии.