Bioelektrische Signale
Bioelektrische Signale
Bioelektrische Signale
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Biosignalerfassung<br />
Olaf Eick<br />
Themen der Vorlesung<br />
• <strong>Bioelektrische</strong> <strong>Signale</strong><br />
– Entstehung/Ursprung<br />
– Aktionsimpuls und Weiterleitung<br />
– Impulsübertragung über Synapsen<br />
• Formen bioelektrischer <strong>Signale</strong><br />
– EKG, EEG, ERG, EMG, MEG, ENG<br />
• Ableittechniken, Elektroden<br />
– Grenzflächenphänomene<br />
– Meßverfahren und Verstärkerschaltungen<br />
• Herzschrittmacher<br />
• Defibrillator
Literaturempfehlung<br />
• “Medizintechnik”, Rüdiger Kramme, Springer Verlag<br />
• “Medical Instrumentation-Application and Design”,<br />
Webster, Wiley & Sons<br />
Vorlesung “Biosignalerfassung”<br />
- <strong>Bioelektrische</strong> <strong>Signale</strong>-<br />
Olaf Eick
Biosignale<br />
<strong>Bioelektrische</strong> <strong>Signale</strong>
Ursprung bioelektrischer <strong>Signale</strong><br />
ZNS<br />
• Informationsnetz<br />
– Sinneseindrücke und Muskelaktivitäten sind mit<br />
ZNS und untereinander verbunden<br />
• Sinneszellen, Nervenzellen und Muskelzellen<br />
sind elektrisch aktiv und sind Quelle, Leiter<br />
sowie Empfänger bioelektrischer <strong>Signale</strong><br />
• Etwa 100 Milliarden Nervenzellen im Körper<br />
Ursprung bioelektrischer <strong>Signale</strong>
Aufbau einer Nervenzelle<br />
• Zellkörper<br />
– Zellkern<br />
– Zellbestandteile (Stoffwechsel)<br />
• Dendriten<br />
– Aufnahme von Nervensignalen anderer<br />
Zellen<br />
• Axodendritische Synapsen<br />
– Kopplung zwischen verschiedenen Zellen<br />
• Axone<br />
– Bis zu einem Meter lange Nervenfaser<br />
• markhaltig/marklos<br />
Zellaufbau
Zellaufbau<br />
• Zellkern<br />
– DNA mit Chromosomen<br />
• Endoplasmatische Reticulum<br />
– Bildung von Polypeptiden<br />
(Proteine aus vielen Aminosäuren)<br />
• Mitochondrien<br />
– ATP-Bildungsstelle<br />
• Vesikel<br />
– enthalten Proteine<br />
• Lysosomen<br />
– enthält lysierende Fermente<br />
(unspezifische Abwehr)<br />
Zellaufbau<br />
• Cytosol<br />
– Hälfte des Zellvolumens<br />
– 20 Gewichtsprozent Eiweiß<br />
(gelatineartig)<br />
– In wäßriger Phase sind Moleküle<br />
gelöst (anorganische und<br />
organische Ionen)
Zellmembran<br />
Zellmembran<br />
• Lipiddoppelschichten<br />
– Phospolipide<br />
– Glykolipide<br />
– Cholesterin
Intra- und extrazelluläre<br />
Ionenkonzentrationen<br />
Austauschprozesse<br />
• Diffusion ist für die meisten Moleküle in wäßriger Lösung<br />
der wichtigste Austauschprozess über kleine Entfernungen<br />
• Dies gilt auch für die Zelle, soweit die Diffusion nicht<br />
durch Membranen behindert wird<br />
• Viele Stoffe können frei durch die Lipidmembran<br />
diffundieren<br />
– H 2 O, O 2 und CO 2<br />
– lipidlösliche Stoffe<br />
– kleine polare Moleküle wie Äthanol und Harnstoff (Zucker nicht !)
Schema der Diffusion<br />
Schema der Diffusion<br />
• Konzentrationsunterschiede gleichen<br />
sich durch Diffusion aus<br />
• Bei 2 flüssigkeits- oder gasgefüllten<br />
Räumen, in denen ein Stoff die<br />
Konzentrationen c 1 und c 2 hat, und<br />
die durch eine Schicht mit der Fläche<br />
A und der Dicke d getrennt sind, ist<br />
der Fluß des Stoffes m in der Zeit t<br />
nach dem ersten Fickschen<br />
Diffusionsgesetz gegeben !<br />
dm / dt<br />
A<br />
= D Δc<br />
d
Austauschprozesse<br />
• Für geladene Moleküle ist die Lipidschicht praktisch<br />
impermeabel<br />
• Für Nicht-Elektrolyte ist es üblich, in die<br />
Diffusionsgleichung die Charakteristika der Membran und<br />
des zu diffundierenden Stoffes durch die Permeabilität P<br />
zusammenzufassen<br />
Permeabilitäten<br />
dm/dt = P A Δc
Diffusion durch Membran<br />
Diffusion durch Membran<br />
• Ionen, Zucker, Aminosäuren<br />
und Nucleotide kreuzen die<br />
Membran durch eingelagerte<br />
Transportproteine<br />
• Transportprotein ist durch einen<br />
1 nm großen wassergefüllten<br />
Kanal durchzogen<br />
• Substanzen diffundieren entlang<br />
des Konzentrationsgradienten
Diffusion durch Membran<br />
• Geladene Moleküle werden durch<br />
Kanalpotential beeinflusst<br />
• Kanäle sind spezifisch für<br />
verschiedene Ionen<br />
– Kalium- Natrium- und<br />
Calciumkanäle<br />
• Selektivität durch Ladungen und<br />
Bindungsstellen an Wänden der<br />
Kanäle<br />
Diffusion durch Membran<br />
• Kanäle können spontan und<br />
hochfrequent zwischen offenen<br />
und geschlossenen Zuständen<br />
wechseln<br />
• K + -Kanäle: Ströme von etwa 2pA<br />
während einiger Millisekunden<br />
(einige 1000 Ionen)
Energieprofil eines Kanals<br />
Energieprofil eines Kanals<br />
Die Abszisse ist der Weg durch den Kanal von einer Außenlösung mit der Ionenkonzentration<br />
ca und dem Potential 0, zu der Innenlösung mit ci und dem Potential E. Die Ordinate gibt das<br />
Energieniveau des Ions an der betreffenden Stelle des Kanals an, ein Gipfel bedeutet eine<br />
Permeationsschranke, die ein Ion nur mit viel Energie überwinden kann, und eine Senke einen<br />
relativ stabilen Zustand, eine Bindung.
Energieprofil eines Kanals<br />
Trotz der hindernden Energiegipfel kann ein Ion passieren, wenn sich das Energieprofil<br />
innerhalb des Kanals spontan und zyklisch verschiebt, das Ion kann plötzlich auf der anderen<br />
Seite des Gipfels liegen und permeieren. Je nach Ladung, Größe und Wasserhülle des Ions und<br />
möglichen Bindungen an Wandstrukturen wird das Energieprofil durch den Kanal für<br />
verschiedene Ionen unterschiedlich sein, wodurch die Selektivität der einzelnen Kanaltypen<br />
erklärt werden könnte.<br />
Gleichgewichtspotential<br />
Nernst-Gleichung<br />
E<br />
ion<br />
=<br />
RT<br />
zF<br />
ln<br />
c<br />
c<br />
ex<br />
in
Gleichgewichtspotential<br />
Nernst-Gleichung<br />
• Durch Diffusion von geladenen Molekülen werden<br />
elektrische Ladungen transportiert<br />
• Ein elektrisches Feld entsteht, daß dem<br />
Konzentrationsgefälle entgegenwirkt<br />
• Nernst-Gleichung erlaubt Berechnung des<br />
Gleichgewichtszustandes<br />
E<br />
ion<br />
=<br />
RT<br />
zF<br />
ln<br />
c<br />
c<br />
ex<br />
in<br />
Aktionsimpuls
Im Intrazellulärraum ist die K-Konzentration ca. 30 mal höher als extrazellulär, bei Na ist<br />
das Verhältnis umgekehrt. Beim Eintreten einer Erregung ändert sich die<br />
Membranpermeabilität, und positiv geladene Na-Ionen können rasch aufgrund des<br />
elektrochemischen Gradienten durch die Membran in die Faser einfließen (Phase 0).<br />
Das Aktionspotentialplateau stellt sich aufgrund der sinkenden Membranleitfähigkeit für<br />
Natrium und Kalium ein. Darauf folgt die Repolarisation, die Wiederherstellung des<br />
normalen Ruhepotentials.
Zur Aufrechterhaltung des normalen Konzentrationsgradienten der Na und K-Ionen ist ein<br />
aktives Transportsystem nötig. Über diese Natrium-Kalium-Pumpe muß das in die Zelle<br />
eingeströmte Na abgegeben und äquivalente Menge Kalium zugeführt werden.<br />
Kleine Übungsaufgabe zum<br />
Thema "Aktionspotential"
Gegebene Größen: c ex (Kalium):4mmol/l; c in (Kalium): 155 mmol/l; : 1<br />
Gegebene Konstanten: R: 8.314 J mol -1 K -1 ; F: 9.648 10 4 C mol -1 ; e: 1.602 10 -19 C;<br />
ε 0 : 8.8 10 -12 As/Vm<br />
Gegebene Formeln:<br />
E<br />
ion<br />
=<br />
RT<br />
zF<br />
c<br />
ln<br />
c<br />
ex<br />
in<br />
Nernst-Gleichung<br />
ε A<br />
Q = C U; C 0<br />
ε<br />
(Kapazität eines Plattenkondensators); Kugeloberfläche A=4πr 2<br />
d<br />
Annahmen: Kugelige Zelle mit einer Membrandicke d: 10 -9 m und einem<br />
Durchmesser D: 10μm, dessen Kapazität sich wie die eines Plattenkondensators<br />
verhält.<br />
=<br />
Permeabilität<br />
1) Berechnen Sie unter Anwendung der Nernst-Gleichung die<br />
Gleichgewichtsspannung über der Zellmembran aufgrund des Kalium<br />
Konzentrationsunterschiedes<br />
2) Berechnen Sie die Anzahl der Elementarladungen, die für diese<br />
Potentialdifferenz im Überschuß vorhanden sein müssen<br />
Leichtigkeit,<br />
mit der Teilchen durch eine Membran diffundieren könne !<br />
P =<br />
μRT<br />
dF<br />
μ: Membranbeweglichkeit des Ions<br />
d: Dicke der Membran
Goldmann-Gleichung<br />
E<br />
m<br />
=<br />
RT<br />
F<br />
ln<br />
P<br />
P<br />
K<br />
K<br />
[ K<br />
[ K<br />
+<br />
+<br />
]<br />
]<br />
i<br />
a<br />
+ P<br />
+ P<br />
Na<br />
Na<br />
[ Na<br />
[ Na<br />
+<br />
+<br />
]<br />
i<br />
]<br />
a<br />
+ PCl[<br />
Cl<br />
+ P [ Cl<br />
Cl<br />
−<br />
]<br />
a<br />
]<br />
−<br />
i<br />
Mit Hilfe der so definierten Permeabilität kann das Membranpotential E m<br />
berechnet werden,<br />
wenn gleichzeitig K + , Na + , und Cl - -Ionen fließen, wobei die Membran für diese die<br />
Durchlässigkeit P K<br />
, P Na<br />
und P Cl<br />
hat.<br />
Na-Pumpe
Na-Pumpe<br />
• Membranproteine<br />
transportieren Ionen über die<br />
Membran entgegen dem<br />
Konzentrations- oder<br />
elektrischen Gradienten<br />
• Verbrauch von<br />
Stoffwechselenergie<br />
• Na-K-Pumpe verbraucht ca.<br />
30-70% des Zell-<br />
Energiebedarfs<br />
Na-Pumpe<br />
• An Innenseite wird ATP in<br />
ADP gespalten und Energie frei<br />
• 3 Na + aus der Zelle und<br />
gleichzeitig 2 K + in die Zelle -><br />
1 Ladung pro Pumpzyklus<br />
• 150 bis 600 Na + werden pro<br />
Sekunde umgesetzt
Impulsübertragung<br />
Fortleitung in markhaltigen Nerven<br />
Impulsübertragung<br />
• Normale Zellmembran in kurzen<br />
Abschnitten (Ranvier-<br />
Schnürringe)<br />
• Dazwischen liegen Internodien<br />
aus vielen Schichten, die<br />
Membranwiderstand erhöhen<br />
• Nahezu verlustfreie Ausbreitung<br />
des AP entlang Internodien<br />
• Erhöhung der Leitungszeit
Übertragungsgeschwindigkeit<br />
Erregungsübertragung von Zelle zu Zelle<br />
Präsynaptisches<br />
Neuron<br />
Synaptischer<br />
Spalt<br />
Postsynaptische<br />
Zellmembran
Erregungsübertragung von Zelle zu Zelle<br />
1. Acetylcholin (ACh) wird durch einen Aktionsimpuls in der Synapse durch die Membran in<br />
den interzellulären Bereich zwischen den beiden Nerven freigesetzt (präsynaptisches Neuron).<br />
Dort diffundiert es zu dem anderen Neuron (postsynaptisches Neuron), erhöht dort die<br />
Kaliumpermeabilität, die zu einer Überschreitung der Schwellspannung und damit zu einem<br />
Aktionsimpuls führt.<br />
Erregungsübertragung von Zelle zu Zelle<br />
2. Das Enzym Cholinesterase im Zellzwischenraum zerlegt ACh wieder in Cholin und<br />
Essigsäure, die vom präsynaptischen Neuron aufgenommen werden. Dort wird wieder ACh<br />
synthetisiert und bereitgehalten. Die Synapsen befinden sich sowohl zwischen Nerven und<br />
Muskelfasern (motorische Endplatten), als auch zwischen Nervenfasern.
Acetylcholin<br />
O<br />
+<br />
H 3 C -C -O -CH 2 -CH 2 -N -(CH 3 ) 3