Bioelektrische Signale

Biosignalerfassung
Olaf Eick
Themen der Vorlesung
• Bioelektrische Signale
– Entstehung/Ursprung
– Aktionsimpuls und Weiterleitung
– Impulsübertragung über Synapsen
• Formen bioelektrischer Signale
– EKG, EEG, ERG, EMG, MEG, ENG
• Ableittechniken, Elektroden
– Grenzflächenphänomene
– Meßverfahren und Verstärkerschaltungen
• Herzschrittmacher
• Defibrillator

Literaturempfehlung
• “Medizintechnik”, Rüdiger Kramme, Springer Verlag
• “Medical Instrumentation-Application and Design”,
Webster, Wiley & Sons
Vorlesung “Biosignalerfassung”
- Bioelektrische Signale-
Olaf Eick

Biosignale
Bioelektrische Signale

Ursprung bioelektrischer Signale
ZNS
• Informationsnetz
– Sinneseindrücke und Muskelaktivitäten sind mit
ZNS und untereinander verbunden
• Sinneszellen, Nervenzellen und Muskelzellen
sind elektrisch aktiv und sind Quelle, Leiter
sowie Empfänger bioelektrischer Signale
• Etwa 100 Milliarden Nervenzellen im Körper
Ursprung bioelektrischer Signale

Aufbau einer Nervenzelle
• Zellkörper
– Zellkern
– Zellbestandteile (Stoffwechsel)
• Dendriten
– Aufnahme von Nervensignalen anderer
Zellen
• Axodendritische Synapsen
– Kopplung zwischen verschiedenen Zellen
• Axone
– Bis zu einem Meter lange Nervenfaser
• markhaltig/marklos
Zellaufbau

Zellaufbau
• Zellkern
– DNA mit Chromosomen
• Endoplasmatische Reticulum
– Bildung von Polypeptiden
(Proteine aus vielen Aminosäuren)
• Mitochondrien
– ATP-Bildungsstelle
• Vesikel
– enthalten Proteine
• Lysosomen
– enthält lysierende Fermente
(unspezifische Abwehr)
Zellaufbau
• Cytosol
– Hälfte des Zellvolumens
– 20 Gewichtsprozent Eiweiß
(gelatineartig)
– In wäßriger Phase sind Moleküle
gelöst (anorganische und
organische Ionen)

Zellmembran
Zellmembran
• Lipiddoppelschichten
– Phospolipide
– Glykolipide
– Cholesterin

Intra- und extrazelluläre
Ionenkonzentrationen
Austauschprozesse
• Diffusion ist für die meisten Moleküle in wäßriger Lösung
der wichtigste Austauschprozess über kleine Entfernungen
• Dies gilt auch für die Zelle, soweit die Diffusion nicht
durch Membranen behindert wird
• Viele Stoffe können frei durch die Lipidmembran
diffundieren
– H 2 O, O 2 und CO 2
– lipidlösliche Stoffe
– kleine polare Moleküle wie Äthanol und Harnstoff (Zucker nicht !)

Schema der Diffusion
Schema der Diffusion
• Konzentrationsunterschiede gleichen
sich durch Diffusion aus
• Bei 2 flüssigkeits- oder gasgefüllten
Räumen, in denen ein Stoff die
Konzentrationen c 1 und c 2 hat, und
die durch eine Schicht mit der Fläche
A und der Dicke d getrennt sind, ist
der Fluß des Stoffes m in der Zeit t
nach dem ersten Fickschen
Diffusionsgesetz gegeben !
dm / dt
A
= D Δc
d

Austauschprozesse
• Für geladene Moleküle ist die Lipidschicht praktisch
impermeabel
• Für Nicht-Elektrolyte ist es üblich, in die
Diffusionsgleichung die Charakteristika der Membran und
des zu diffundierenden Stoffes durch die Permeabilität P
zusammenzufassen
Permeabilitäten
dm/dt = P A Δc

Diffusion durch Membran
Diffusion durch Membran
• Ionen, Zucker, Aminosäuren
und Nucleotide kreuzen die
Membran durch eingelagerte
Transportproteine
• Transportprotein ist durch einen
1 nm großen wassergefüllten
Kanal durchzogen
• Substanzen diffundieren entlang
des Konzentrationsgradienten

Diffusion durch Membran
• Geladene Moleküle werden durch
Kanalpotential beeinflusst
• Kanäle sind spezifisch für
verschiedene Ionen
– Kalium- Natrium- und
Calciumkanäle
• Selektivität durch Ladungen und
Bindungsstellen an Wänden der
Kanäle
Diffusion durch Membran
• Kanäle können spontan und
hochfrequent zwischen offenen
und geschlossenen Zuständen
wechseln
• K + -Kanäle: Ströme von etwa 2pA
während einiger Millisekunden
(einige 1000 Ionen)

Energieprofil eines Kanals
Energieprofil eines Kanals
Die Abszisse ist der Weg durch den Kanal von einer Außenlösung mit der Ionenkonzentration
ca und dem Potential 0, zu der Innenlösung mit ci und dem Potential E. Die Ordinate gibt das
Energieniveau des Ions an der betreffenden Stelle des Kanals an, ein Gipfel bedeutet eine
Permeationsschranke, die ein Ion nur mit viel Energie überwinden kann, und eine Senke einen
relativ stabilen Zustand, eine Bindung.

Energieprofil eines Kanals
Trotz der hindernden Energiegipfel kann ein Ion passieren, wenn sich das Energieprofil
innerhalb des Kanals spontan und zyklisch verschiebt, das Ion kann plötzlich auf der anderen
Seite des Gipfels liegen und permeieren. Je nach Ladung, Größe und Wasserhülle des Ions und
möglichen Bindungen an Wandstrukturen wird das Energieprofil durch den Kanal für
verschiedene Ionen unterschiedlich sein, wodurch die Selektivität der einzelnen Kanaltypen
erklärt werden könnte.
Gleichgewichtspotential
Nernst-Gleichung
E
ion
=
RT
zF
ln
c
c
ex
in

Gleichgewichtspotential
Nernst-Gleichung
• Durch Diffusion von geladenen Molekülen werden
elektrische Ladungen transportiert
• Ein elektrisches Feld entsteht, daß dem
Konzentrationsgefälle entgegenwirkt
• Nernst-Gleichung erlaubt Berechnung des
Gleichgewichtszustandes
E
ion
=
RT
zF
ln
c
c
ex
in
Aktionsimpuls

Im Intrazellulärraum ist die K-Konzentration ca. 30 mal höher als extrazellulär, bei Na ist
das Verhältnis umgekehrt. Beim Eintreten einer Erregung ändert sich die
Membranpermeabilität, und positiv geladene Na-Ionen können rasch aufgrund des
elektrochemischen Gradienten durch die Membran in die Faser einfließen (Phase 0).
Das Aktionspotentialplateau stellt sich aufgrund der sinkenden Membranleitfähigkeit für
Natrium und Kalium ein. Darauf folgt die Repolarisation, die Wiederherstellung des
normalen Ruhepotentials.

Zur Aufrechterhaltung des normalen Konzentrationsgradienten der Na und K-Ionen ist ein
aktives Transportsystem nötig. Über diese Natrium-Kalium-Pumpe muß das in die Zelle
eingeströmte Na abgegeben und äquivalente Menge Kalium zugeführt werden.
Kleine Übungsaufgabe zum
Thema "Aktionspotential"

Gegebene Größen: c ex (Kalium):4mmol/l; c in (Kalium): 155 mmol/l; : 1
Gegebene Konstanten: R: 8.314 J mol -1 K -1 ; F: 9.648 10 4 C mol -1 ; e: 1.602 10 -19 C;
ε 0 : 8.8 10 -12 As/Vm
Gegebene Formeln:
E
ion
=
RT
zF
c
ln
c
ex
in
Nernst-Gleichung
ε A
Q = C U; C 0
ε
(Kapazität eines Plattenkondensators); Kugeloberfläche A=4πr 2
d
Annahmen: Kugelige Zelle mit einer Membrandicke d: 10 -9 m und einem
Durchmesser D: 10μm, dessen Kapazität sich wie die eines Plattenkondensators
verhält.
=
Permeabilität
1) Berechnen Sie unter Anwendung der Nernst-Gleichung die
Gleichgewichtsspannung über der Zellmembran aufgrund des Kalium
Konzentrationsunterschiedes
2) Berechnen Sie die Anzahl der Elementarladungen, die für diese
Potentialdifferenz im Überschuß vorhanden sein müssen
Leichtigkeit,
mit der Teilchen durch eine Membran diffundieren könne !
P =
μRT
dF
μ: Membranbeweglichkeit des Ions
d: Dicke der Membran

Goldmann-Gleichung
E
m
=
RT
F
ln
P
P
K
K
[ K
[ K
+
+
]
]
i
a
+ P
+ P
Na
Na
[ Na
[ Na
+
+
]
i
]
a
+ PCl[
Cl
+ P [ Cl
Cl
−
]
a
]
−
i
Mit Hilfe der so definierten Permeabilität kann das Membranpotential E m
berechnet werden,
wenn gleichzeitig K + , Na + , und Cl - -Ionen fließen, wobei die Membran für diese die
Durchlässigkeit P K
, P Na
und P Cl
hat.
Na-Pumpe

Na-Pumpe
• Membranproteine
transportieren Ionen über die
Membran entgegen dem
Konzentrations- oder
elektrischen Gradienten
• Verbrauch von
Stoffwechselenergie
• Na-K-Pumpe verbraucht ca.
30-70% des Zell-
Energiebedarfs
Na-Pumpe
• An Innenseite wird ATP in
ADP gespalten und Energie frei
• 3 Na + aus der Zelle und
gleichzeitig 2 K + in die Zelle ->
1 Ladung pro Pumpzyklus
• 150 bis 600 Na + werden pro
Sekunde umgesetzt

Impulsübertragung
Fortleitung in markhaltigen Nerven
Impulsübertragung
• Normale Zellmembran in kurzen
Abschnitten (Ranvier-
Schnürringe)
• Dazwischen liegen Internodien
aus vielen Schichten, die
Membranwiderstand erhöhen
• Nahezu verlustfreie Ausbreitung
des AP entlang Internodien
• Erhöhung der Leitungszeit

Übertragungsgeschwindigkeit
Erregungsübertragung von Zelle zu Zelle
Präsynaptisches
Neuron
Synaptischer
Spalt
Postsynaptische
Zellmembran

Erregungsübertragung von Zelle zu Zelle
1. Acetylcholin (ACh) wird durch einen Aktionsimpuls in der Synapse durch die Membran in
den interzellulären Bereich zwischen den beiden Nerven freigesetzt (präsynaptisches Neuron).
Dort diffundiert es zu dem anderen Neuron (postsynaptisches Neuron), erhöht dort die
Kaliumpermeabilität, die zu einer Überschreitung der Schwellspannung und damit zu einem
Aktionsimpuls führt.
Erregungsübertragung von Zelle zu Zelle
2. Das Enzym Cholinesterase im Zellzwischenraum zerlegt ACh wieder in Cholin und
Essigsäure, die vom präsynaptischen Neuron aufgenommen werden. Dort wird wieder ACh
synthetisiert und bereitgehalten. Die Synapsen befinden sich sowohl zwischen Nerven und
Muskelfasern (motorische Endplatten), als auch zwischen Nervenfasern.

Acetylcholin
O
+
H 3 C -C -O -CH 2 -CH 2 -N -(CH 3 ) 3