Биопотенциал: электрические процессы в живых тканях¶

Биопотенциал (от греч. βίος — жизнь и лат. potentia — сила, возможность) — разность электрических потенциалов, возникающая между различными участками живой клетки, ткани или организма. Биопотенциалы являются одной из фундаментальных характеристик живых систем и лежат в основе таких процессов, как возбуждение нервных и мышечных клеток, передача сигналов в синапсах, работа сердца и головного мозга. Измерение биопотенциалов применяется в медицине, физиологии и биотехнических системах.

¶Физическая природа

Биопотенциалы обусловлены неравномерным распределением ионов (натрия, калия, кальция, хлора) по обе стороны клеточной мембраны и избирательной проницаемостью мембраны для этих ионов. В состоянии покоя внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно относительно наружной — эта разность называется мембранным потенциалом покоя. Его величина для большинства клеток составляет от −40 до −90 мВ.

Основу теории биопотенциалов заложили работы Юлиуса Бернштейна, а затем Алана Ходжкина и Эндрю Хаксли, предложивших в 1952 году натрий-калиевую модель генерации нервного импульса. За эти исследования Ходжкин и Хаксли (совместно с Джоном Эклсом) получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1963 году.

¶Виды биопотенциалов

Различают несколько основных типов биопотенциалов:

• Потенциал покоя — стационарная разность потенциалов на мембране невозбуждённой клетки.
• Потенциал действия — кратковременное изменение мембранного потенциала при возбуждении клетки, распространяющееся в виде импульса.
• Постсинаптические потенциалы — локальные изменения потенциала в области синапса под действием медиаторов.
• Рецепторные потенциалы — возникают в чувствительных клетках при действии раздражителя.
• Электрокардиограмма, электроэнцефалограмма — суммарные биопотенциалы, регистрируемые с поверхности тела.

¶Механизм генерации

Ключевую роль играют ионные каналы — белковые структуры в мембране, избирательно пропускающие ионы. При достижении порогового уровня деполяризации открываются потенциалозависимые натриевые каналы, ионы натрия устремляются внутрь клетки, вызывая лавинообразную деполяризацию. Затем натриевые каналы инактивируются, а открываются калиевые, что приводит к реполяризации. Так формируется потенциал действия длительностью около 1–2 мс.

Распространение потенциала действия по нервному волокну обеспечивается либо непрерывным проведением (в безмиелиновых волокнах), либо скачкообразным (сальтаторным) в миелинизированных, где импульс «перепрыгивает» между перехватами Ранвье. Скорость проведения у млекопитающих достигает 120 м/с.

¶Методы регистрации

Для измерения биопотенциалов применяют:

• Микроэлектродную технику — стеклянные микроэлектроды для внутриклеточной регистрации.
• Поверхностные электроды — для снятия суммарной активности (ЭКГ, ЭЭГ, ЭМГ).
• Патч-кламп — метод регистрации токов одиночных ионных каналов.

Усиление сигналов осуществляется биологическими усилителями с высоким входным сопротивлением, поскольку амплитуда биопотенциалов мала (микровольты — милливольты).

¶Применение

Биопотенциалы имеют широкое практическое значение:

• Клиническая диагностика — электрокардиография, электроэнцефалография, электромиография, вызванные потенциалы.
• Протезирование — управление бионическими протезами по сигналам мышц.
• Нейроинтерфейсы — системы «мозг — компьютер».
• Кардиостимуляция — анализ и коррекция ритма сердца.
• Физиология труда и спорта — оценка функционального состояния.

В России исследования биопотенциалов развивались в работах физиологов И. М. Сеченова, И. П. Павлова, а в области электрофизиологии — В. В. Парина, П. Г. Костюка и других учёных. Институт физиологии им. И. П. Павлова РАН и ряд медицинских центров ведут работы по изучению механизмов генерации и распространения биопотенциалов.

¶Значение в науке и технике

Понимание природы биопотенциалов позволило создать целое направление — электрофизиологию, а на её основе — медицинскую электронику, биоинженерию и нейротехнологии. Современные исследования направлены на расшифровку сигналов мозга, создание нейропротезов и развитие методов неинвазивной диагностики.

¶Интересные факты

• Электрические органы некоторых рыб (электрический скат, угорь) генерируют разряды напряжением до 600–800 В на основе тех же механизмов, что и биопотенциалы обычных клеток.
• Первую запись электрической активности сердца (ЭКГ) выполнил голландский физиолог Виллем Эйнтховен в 1903 году; в 1924 году он получил Нобелевскую премию.
• Электрическая активность мозга была впервые зарегистрирована Гансом Бергером в 1924 году.

Источники: учебники по нормальной физиологии (под ред. В. М. Покровского, Г. Ф. Коротько), работы А. Ходжкина и А. Хаксли, материалы по биофизике мембран, справочные издания по медицинской электронике.