Stimolazione artificiale del cuore

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1 Stimolazione artificiale del cuore Il ciclo del cuore: Impulso elettrico di stimolazione da parte di un gruppo di fibre nervose il nodo sinoatriale, Stimolatori artificiali Pacemaker impiantati chirurgicamente aiutano alcuni soggetti cardiopatici Questi stimolatori sono circuiti alimentati da una batteria e producono impulsi in sostituzione di quelli naturali (attualmente attraverso micropocesori è possibile variare dall esterno i parametri del pacemaker come ad esempio la frequenza dello stimolo) 1

2 sempio di Pacemaker: frequenza tipica 75 impulsi al minuto prodotti per mezzo di un condensatore da 0.4µF che si carica molto rapidamente attraverso un piccola resistenza r mentre si scarica attraverso una grande risistenza R secondo lo schema : r interruttore ε C R T Al cuore Quando la carica sul condensatore C si riduce a Q o e 1 =0.37Q o i transistors T inviano al cuore un breve impulso di stimolazione oltre a dare inizio alla ricarica del condensatore attraverso la resistenza r. Si determini : la costante di tempo del circuito di scarica RC (trascurare il breve tempo per la ricarica del condensatore attraverso r) la resistenza R 2

3 Trasmissione di un impulso nervoso lungo un assone Dendrite Nucleo Impulso nervoso Guaina mielinica Trasmissione chimica Stimolo Corpo della cellula Assone Nodi di Ranvier Terminazioni nervose dell Assone In sistemi biologici l informazione viene trasmessa attraverso fibre nervose chiamate assoni Come tutte le altre cellule anche la cellula nervosa è separata dall ambiente da una menbrana che pero` nel caso della cellula nervosa presenta delle particolarita`. Sono presenti protuberanze chiamate dendriti e una struttura lunga e sottile, l assone, che sono attacchati al corpo cellulare. L assone ha tipicamente un diametro che varia da 1 20 µm e può essere lungo fino a un metro La guaina mielinica riduce la capacita` della menbrana aumentandone la sua resistenza elettrica; nei nodi di Ranvier avviene l amplificazione degli impulsi nervosi. 3

4 Resistenza e capacita` di un assone Il funzionamento di un assone è simile a quello di un cavo elettrico con un isolante difettoso Si assume che l assone sia costituito da una menbrana cilindrica contenente un fluido conduttore l assoplasma La resistenza dell assone: R=ρ a l/πr 2 con ρ a =2Ωm e r=5µm Resistenza della menbrana per unita` di area Rm=40Ω/m 2 i assone i disp La menbrana presenta inoltre una capacita` poiché cariche di segno opposto si accumulano sui due lati di essa; la capacita` per unita` di area Cm=50µF/m 2 4

5 Come si tramette lo stimolo nervoso La parte interna di un assone quando non è stimolato si trova ad un potenziale più basso del fluido interstiziale circostante: ΔV=Potenziale di riposo (90mV) V = 90 mv Sono polarizzate Questa ddp è dovuta alla competizione tra: la tendenza a diffondere attraverso la membrana cellulare delle sostanze che si trovano a diversa concentrazione all interno ed all esterno della cellula e per cui la membrana è permeabile. Questa forza tenderebbe ad eguagliare le concentrazioni ma. gli ioni sono dotati di carica elettrica, dunque esercitano tra loro forze repulsive che contrastano il passaggio per diffusione 5

6 Concentrazioni e potenziali all interno e all esterno di un tipico assone di mammifero a riposo V i =90mV C = 4 C altri = 163 C = 155 C = 12 V o =0 per convenzione C = 120 C altri =29 C = 4 C = 145 NB: le concentrazioni sono date in moli/m 3 6

7 Il e sono molto più concentrati all esterno mentre è più concentrato all interno. L eccesso di ioni negativi sui positivi dentro la cellula risulta essere solo 1/ circa del numero di ioni negativi della cellula. Uguale numero di ioni in eccesso è presente nel liquido interstiziale Ic= Correnti ioniche dovute alla differenza di concentrazione Ip= Correnti ioniche dovute alla differenza di potenziale 7

8 La concentrazione esterna di rimane molto elevata nonostante il flusso netto verso l interno della cellula il sodio viene continuamente riportato fuori a spese dell energia metabolica Il flusso risultante è nullo Il flusso risultante è verso l esterno poiché Ic Ip meccanismo che riporta il potassio entro la cellula e mantiene le sue concentrazioni non equilibrate 8

9 La differenza di potenziale all equilibrio i flussi dovuti alle differenze di concentrazione e di potenziale risultino esattamente equilibrati: equazione di Nernst : l energia potenziale di uno ione q(vivo) deve essere uguale al lavoro necessario a trasferirlo nella regione a concentrazione più alta q(vivo)=k B T ln(c o /c i ) lo ione è in equilibrio Confrontare la ddp all equilibrio per con il potenziale di riposo osservato ΔV=90mV Il potenziale di riposo e le concentrazioni ioniche osservate implicano un flusso passivo di ioni dentro l assone e di ioni fuori dall assone; il mantenimento di questi squilibri è dovuto al meccanismo del trasporto attivo a spese di energia metabolica. Il valore e il segno del potenziale della cellula è determinato in gran parte dalla diversa permeabilita` della membrana dei riguardi del e del 9

10 Quando arriva al nervo uno stimolo, un impulso di corrente viaggia lungo l assone e il transitorio di potenziale ad esso associato è denominato Potenziale d azione La permeabilita` al aumenta rapidamente producendo un flusso verso l interno e il caratteristico impulso del Potenziale d azione 10

11 1. Viene ricevuto uno stimolo dai dendriti della cellula; aumenta la permeabilita` agli ioni 2. Oltre una certa soglia il potenziale all interno della cellula aumenta fino a cambiare di segno (depolarizzazione) e si arriva a valori positivi dell ordine di 30 40mV 3. Si chiude il canale di immissione di e aumenta la permeabilita` per il 4. Fase di iperpolarizzazione che assicura che il segnale stia procedendo in una direzione 5. Il potenziale si riporta alla situazione di riposo 11