Potenciales bioeléctricos y señales fisiológicas Bases de Electromedicina IBM122 Ingeniería...

Potenciales bioeléctricos y señales fisiológicas

Bases de Electromedicina IBM122

Ingeniería Biomédica

Prof. Antonio Glaría EE MSc [email protected]


…una célula se caracteriza, en primer lugar, por una barrera o

membrana semipermeable que establece un límite de difusión y

permeabilidad que discrimina entre un interior químico (o sí

mismo) y los medios libremente difusivos en el ambiente externo

(no-sí mismo)...

Francisco Varela, 2001


Un potencial de Membrana por difusión requiere que:

La membrana sea semipermeable, permitiendo que los iones de una carga atraviesen los canales iónicos más fácilmente que los iones de la carga opuesta.

La concentración de los iones difusibles sea mayor en un lado de la membrana con respecto al otro; en el sí-mismo, respecto del no-sí-mismo.

Meq/lt

[Na+] [K+] [Cl-] [A-]

LIC 10 40 4 91

LEC 142 4 103 123


Ley de Fick:

JD= -D d[C(x)]/dxJD: Densidad de Corriente por

difusión [A/m2]

D: Constate Difusión

[C(x)]: Concentración(x)

d[C(x)]/dx: gradiente de concentración

x: distancia en dirección de JD


Movimiento de Partículas en Campo Eléctrico:

JE= - z [C(x)] * dV/dxJE: Densidad de Corriente por Campo eléctrico [A/m2]

: Movilidad, z: Valencia del ión

-DV/dx: gradiente potencial: campo eléctrico

[C(x)]: Concentración(x)

x: distancia en dirección de JE

Ley de Einstein: D/= kT/qK: Constante de Boltzman

T: temperatura absoluta [ºK]

q: Carga del ión


Equilibrio Electroquímico:JD=-J E

(o porque el paracaidista no muere)

por lo tanto:-D d[C]/dx = Z [C] * dV/dx

de dondedV/dx= -((kT/q[C])*d[C]/dx,

integrando

Vei = -k T/q ln([C]i /[C]e )


Potencial de la Membrana en reposoCanales K+ abiertosJD([K+]) = -JE([K+])

Equilibrio para el K+

Fuerte desequilibrio para el Na+


Ejercicio Solo hay canales K+ abiertos

Ecuación de Nernst: Vmb=-KT/q ln([K+]i/[K+]e)

@ 37 ºC, q=1: Vmb= -61log([K+]i/[K+]e) [mV]

Según concentraciones de tabla:

Vmb=-61 log(40/4)= -61[mV]

Ejercicio Propuesto

Sólo hay canales Na+ abiertos.

Si [Na+]e= 140 mEq/lt y

Vmb = - 61 log([Na+]i/[Na+]e)= 70[mV]

¿Cuál es la concentración del ión Na+

en el medio intracelular?

Característica conductoras de la Membrana celular

Matriz fluida de fosfolipídos (cabeza hidrofílica,

colas hidrofóbicas): alto dieléctrico; muy

aislante.

Efecto capacitivo

Proteínas canal de Membrana: Conductividad alta

y variable. Efecto Resistivo. Controlado Vmb


Relación del Potencial de acción con los potenciales de Nernst para

el Potasio y el Sodio.“En reposo la membrana … es

muy permeable al potasio, y sólo ligeramente al Sodio. Un cálculo del potencial de Nernst para el Potasio mostró que es sólo unos milivolts más negativo que el potencia de reposo de la membrana. Durante el potencial de acción, el potencial se invierte (hasta +45[mV], en la figura) , aproximándose así al potencial de Nernst para el Sodio. Sin embargo, el potencial de inversión no es tan cercano al de Nernst para sodio, como el potencial de reposo lo es para el potencial de Nernst del Potasio”.


Relación del Potencial de acción con los potenciales de Nernst para el Potasio y

el Sodio.(continuación)

“La razón de este hecho es que la relación de la permeabilidad del Sodio con la del Potasio, incluso en el máximo del potencial de acción (20:1) nunca aumenta tanto como la proporción de la permeabilidad del Potasio con la del Sodio durante el estado de reposo (75:1)” A.Guyton “Tratado de Fisiología Médica”.(Interamericana, México, 2001)


Pote

ncia

l de M

b p

ara

ion

izació

n d

e K

Cl e

n K

+ - C

L-. E

cu

ació

n d

e G

old

man

Potenciales bioeléctricos y señales fisiológicasPotencial de Membrana para las ionización de Na +, K+ y CL-

Mientras mayor permeabilidad de la membrana a un ión, más relevante es éste para equilibrio D/E, en el Potencial de Membrana. En reposo PK >>> Pna (75:1) o

que PCl.

Domina [K+]Cuando Membrana se despolariza a valores cercanos al umbral: PNa>> PK (20:1) o

que PCl. Domina Na+. Se produce Potencial de acción


Potencial de acciónImpulsos nerviosos, transmisión de señales de información de una parte a otra del sistema nervioso. Se lleva a cabo por medio de potenciales de acción, que son cambios repentinos tipo pulsátil del potencial de membrana , que duran app 1 [ms]. Por razones que se comentarán, el potencial de acción se propaga a lo largo de las fibras nerviosas originando señales nerviosas.El P.A. puede ser “despertado” por casi cualquier factor que aumente repentinamente la permeabilidad de la membrana a los iones Sodio. Estos factores pueden incluir estimulación eléctrica, compresión mecánica de la fibra, aplicación de sustancias químicas, o cualquier otro fenómeno que altere el estado normal de reposo de la membrana


Potencial de acciónDespolarización y repolarización durante potencial de acción.Conductancias al Sodio y al Potasio durante las diferentes fases del potencial de acciónProceso regenerativo de retroalimentación positiva que abre canales de Sodio responsables de la despolarización: Ley del Todo o NadaMecanismo de repolarización: cierre de canalesa de Sodio y apertura de canales de PotasioCantidad de iones que atraviesan la membrana durante potencial de acción: para causar un aumento de 135 [mV] (desd -91 [mV] en reposo hasta +45[mV] en máximo del potencial de acción entre 1 de cada 100 mil y 1 de cada 500 mil iones del interior celular se intercambien. Cambios leves de [Na+]Propagación del Potencial de Acción


Modelo eléctrico de membrana

VNa+ y VK+: potenciales equilibrio de Na+ y K+

Cm: dieléctrico fosfolípidos de membrana

RNa+ y RK+: proteinas canal de Na+ y K+

Re: resistencia del medio extra celular

Ri: resistencia del medio intracelular


Modelo eléctrico de la membrana: Simula Bloqueo Anódico y facilitación

catódica V-/+=Vmb –/+ Vcc(1-e(-1/RC)t), para

tmax>t>0 Simula codificación axonal en PPS:

F[pps] = 1/(-RC ln((Vcc+ Vmb – Vu)/Vcc)


Uniones sináptica y neurotransmisores Liberación cuántica de Neurotrasnmisor Receptores de NT y Canales Na+/Ca++

activados por NT. Acción directa o por segudno mensajero. Metabolización del NT en la hendidura

sináptica. Potenciales Postsinápticos (excitatorios o

inhibitorios) Acumulación/Desacumulación de NT Ecuación de tren de cargas de

condensador con fuga:Vq= Gq(e-aq(t-dq) – e-bq(t-dq))u(t-dq)

Vcc = Sq

M

=1(Vq)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Serie1


Plasticidad SinápticaEn el comunicado de prensa del Nobelförsamlingen del Instituto Karolinska del Estocolmo, de fecha 9 de Octubre del 2000 se indica que se otorgó el premio Nobel en Fisiología y Medicina a Carlsson Arvid, Paul Greengard y Eric Kandel. Al trecer científico se lo recompensa por “sus descubrimientos sobre la forma en que la eficiencia sináptica puede ser modificada, y sobre los mecanismos moleculares involucrados en dicha modificación. Usando el sistema nervioso de un caracol marino como modelo, él demostró como los cambios de la función sináptica resultan centrales en el aprendizaje y la memoria”.

Eric Kandel


Plasticidad SinápticaEn el otro extremo, Santiago

Ramón y Cajal, también laureado Nobel de Fisiología y Medicina, conjeturaba hace ya casi 100 años, que “la determinación de la serie de procesos moleculares de que las neuronas son asiento durante la actividad intelectual, exige como cuestión previa una histología cabal y completa de los focos y vías cerebrales, así como ideas precisas sobre esos cambios de conexión (entre neuronas) o conmutaciones extremadamente complejas que deben de preceder a cada variación dinámica, asociativa, emocional o motriz”. En Glaría A. “Máquinas que aprenden” Segundo Prefacio, E-libro, 2001

Eric Kandel

Potenciales BioeléctricosUso generalmente en investigación básica. Alta invasividadCasos límite de uso en Medicina

(v.gr. eplepsias intratables)Técnicas: Registros unicelulares i/e, registros de corrientes en parches, registros multicanal. A veces, registros multicelulares

Potenciales BiomédicosUso en diagnóstico clínicoDisminuir invasividadRegistros de actividad eléctrica de órganos o partes de órganos. Modelos de dipolos en volúmenes conductores

Potenciales bioeléctricos y biomédicos

Potenciales bioeléctricos y biomédicos

Potenciales bioeléctricos y señales fisiológicas Bases de Electromedicina IBM122 Ingeniería...

Documents

Transcript of Potenciales bioeléctricos y señales fisiológicas Bases de Electromedicina IBM122 Ingeniería...