Задачи к практическим занятиям

  • 1. В чем состоит принцип эквивалентного генератора? Приведите примеры использования этого принципа.
  • 2. Почему именно обратная задача электрокардиографии является задачей диагностики, а не прямая?
  • 3. Каков механизм образования карты электрических потенциалов на поверхности тела человека?
  • 4. Почему необходимо регистрировать минимум 3 отведения ЭКГ, а не например один?

Автоволновые процессы в активных средах

Автоволновыми процессами называют процессы распространения волн возбуждения в активных средах.

Стимулом к изучению автоволновых процессов явилось открытие в 1959 г. Б.П. Белоусовым автоколебательных процессов при реакции окисления лимонной кислоты броматом с катализатором -ионами церия. Наблюдались периодические переходы церия из трехвалентной в четырехвалентную форму и обратно: Се3+<->Се4+. Процесс сопровождался периодическими изменениями окраски: от 65

розовой к голубой и обратно. Исследования, проведенные А.М. Жаботинским с сотрудниками в 70-е гг., доказали существование автоколебаний и автоволн не только в различных химических системах, но и в биологических процессах, таких, как гликолиз, фотосинтез и др.

В организме волны возбуждения обеспечивают электромеханические сопряжение и координацию сокращений мышечных структур, синхронизацию отдельных частей и систем органов, работу двигательного аппарата, осуществляют многие жизненно важные функции.

Нарушение распространения автоволн может приводить к нарушениям функционирования различных органов и систем организма. Такие нарушения могут возникнуть в проводящей и мышечной системах сердца, в нейронных сетях головного мозга, в гладкомышечных структурах сосудов, в сетчатке глаза и других системах. Показано, что нарушение распространения автоволн в сердце может вызывать различные виды аритмий, а образование источников спиральных и концентрических автоволн - фибрилляцию желудочков. Автоволновые процессы являются одним из характерных проявлений самоорганизации систем.

Автоколебания и автоволны в органах и тканях

Процессы, которые повторяются во времени, называют колебаниями. В биологических объектах наблюдаются колебания различных видов на всех уровнях их организации.

Различают свободные, вынужденные и автоколебания.

Свободные, т.е. колебания, совершающиеся без подвода энергии извне, являются затухающими колебаниями. К ним можно отнести колебания тканей при перкуссии.

Вынужденные - колебания совершаются под воздействием внешней, периодически изменяющейся силы. Такие колебания совершаются, например, голосовыми связками под действием воздушного потока.

Многие важные функции организма осуществляются автоколебательными системами. В этих системах восполнение растрачиваемой энергии происходит за счет внутреннего источника энергии, содержащего в самой автоколебательной системе, а обеспечение необходимой фазы подачи энергии осуществляется при помощи цепей обратной связи. К автоколебательным системам относится, например, синусовый узел сердца. В нем имеется некоторое небольшое количество клеток - «истинных водителей ритма». В таких клетках за фазой реполяризации следует фаза самостоятельной медленной деполяризации, приводящая к повышению мембранного потенциала до порогового уровня и генерации потенциала действия. В таких клетках есть собственный источник энергии - энергия метаболизма клеток.

Многие виды возмущений (механические, электрические, химические и др.) могут передаваться по структурам организма в виде волн.

Волна - это процесс распространения колебаний или отдельных возмущений в пространстве, например, механические, электромагнитные волны.

Основным механизмом передачи потенциалов действия в живом организме является распространение волн возбуждения. Волны возбуждения распространяются по нервным волокнам и мышцам сердца, а также по клеткам скелетной мускулатуры, мочевого пузыря, кровеносных сосудов и др. структурам.

Процесс распространения волн возбуждения в тканях организма имеет ряд особенностей по сравнению с механическими и электромагнитными волнами. Во-первых, эти волны распространяются по активным средам.

Активная среда - это среда, состоящая из большого числа отдельных элементов (например, клеток), каждый из которых является автономным источником энергии. Элементы активной среды имеют контакт между собой и могут передавать импульс возбуждения от одной клетки к другой.

Примером активной среды в организме являются нервные волокна и нейронные сети, мышечные структуры сердца, гладкомышечные волокна сосудов, желудка, а также другие ткани. В таких средах распространяются волны возбуждения, называемые автоволнами. Автоволны - это самоподдерживающиеся волны возбуждения в активной среде, сохраняющие свои характеристики постоянными за счет распределенных в среде источников энергии. Характеристики волны - период, длина волны, скорость распространения, амплитуда и форма - в установившемся режиме зависят только от локальных свойств активной среды и не зависит от начальных условий.

Механические и электромагнитные волны в неактивной среде переносят энергию от источника возмущения. Интенсивность волны при этом уменьшается по мере удаления от источника возмущения, то есть волна затухает.

Электрические импульсы возбуждения - потенциалы действия распространяются по нервным и мышечным волокнам без затухания, так как в каждой точке возбудимой активной среды, до которой дошло возбуждение, заново генерируется потенциал действия. Мышечные и нервные волокна являются средами с распределенными источниками энергии метаболизма клеток.

Считается, что при распространении волны в активных средах не происходит переноса энергии. Энергия не переносится а освобождается, когда до участка АС доходит возбуждение. Можно провести аналогию с пожаром в степи. Пламя распространяется по области с распределенными запасами энергии (по сухой траве). Каждый последующий элемент (сухая травинка) зажигается от предыдущего. И таким образом распространяется фронт волны возбуждения (пламя) по активной среде (степи). В реальной системе некоторая часть ДЕ собственной энергии элемента расходуется на возбуждение последующего элемента, который в свою очередь выделяет собственную энергию Е. При этом в активных средах будет выполняться неравенство: АЕ«Е.

Для описания процесса распространения нервного импульса по аксону представим полный ток через мембрану Im:

д2<Ры дх2

(2.5)

где Fj - сопротивление аксоплазмы на единицу длины. Тогда с учетом (2.5) зависимость <рм (x,t) описывается уравнением:

1 . д2,<Рм _ т ? т I т I п п

“ - 'К + W + 7ут + L <2*6)

где С - емкость мембраны, приходящаяся на единицу длины волокна, li - ионные токи через мембрану.

Воспользовавшись уравнением Ходжкина-Хаксли, получаем для аксона:

7i'^L=C^r + gNa(<P«~ + ^(«Рм - ;ут • (2.7)

Уравнения, описывающие распространения волны возбуждения по структурам сократительного миокарда, существенно усложняется тем, что в кардиомиоците потенциал действия формируется дополнительно медленными входящими токами, сложными процессами сопряжений токов в нем.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >