bioelectromagnetismo. bioelectricidad estudia el origen y manifestación de fenómenos eléctricos...

BIOELECTROMAGNETISMO

BIOELECTRICIDAD

Estudia el origen y manifestación de fenómenos eléctricos en organismos vivos así como la forma de registrarlos y analizarlos utilizando técnicas apropiadas.En los organismos vivos la conducción de corriente es de naturaleza iónica, mientras que en los metales es de naturaleza electrónica (corriente de electrones).

IK

INa

Conducción de iones Conducción de electrones

CONCENTRACIÓN DE IONES

ION

CONCENTRACIÓN (mEq/L)

Líquido extracelular

(LEC)

Líquido intracelular

(LIC)

K+

Na+

Cl-

5140120

140105

POLARIZACIÓN DE LA MEMBRANA CELULAR

• Toda célula animal o vegetal se caracteriza por tener una membrana semipermeable y selectiva que demarca el límite de separación entre estructura interna y el medio que lo rodea (líquido).

• Tanto el interior como el exterior de la célula son soluciones electrolíticas

+ + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + + + +

+ +

+ +

+

+ -

-

- -

- -

- -

+ +

+ +

+ +

Líquido intracelular (LIC)

Líquido extracelular (LEC)

TRANSPORTE DE IONES A TRAVÉS DE LA MEMBRANA CELULAR

• DIFUSIÓN PASIVA

• DIFUSIÓN FACILITADA

• TRANSPORTE ACTIVO

DIFUSIÓN

• Difusión pasiva es el proceso por el cual se expande un gas o una substancia en solución debido al movimiento caótico de sus partículas desde zonas de mayor a zonas de menor concentración.

• Difusión facilitada es la que tiene lugar a través de moléculas portadoras desde zonas de mayor concentración de iones a otras de menor concentración; no se requiere energía.

ESQUEMA DE DIFUSIÓN PASIVA

CANAL PROTEICO

CANALES IÓNICOS

Cada población de canales iónicos selectivos de Na+, K+ o Cl-

puede representarse como una batería en serie con un conductor

TRANSPORTE ACTIVO

• Cuando el transporte de partículas se hace de zonas de menor a zonas de mayor concentración y requiere gasto de energía.

• Ocurre en contra del gradiente electroquímico.

• Requiere de un transportador.• Está limitado por la velocidad y es saturable. • Requiere de ATP para obtener energía.

ESQUEMA DE TRANSPORTE ACTIVO DEL LIC AL LEC

ESQUEMA DE TRANSPORTE ACTIVO DEL LEC AL LIC

BOMBA DE Na+/K+ ATPasa

• Se encuentra en todo tipo de célula• Es una proteina integral (transmembranaria)• Transporta corriente• En reposo contribuye a 45% de nuestros

gastos energéticos• Es responsable de las concentraciones intra y

extra celulares de Na+ y K+

POTENCIAL DE REPOSO• Potencial de membrana es la diferencia de potencial entre

el interior y exterior de la célula, tanto en reposo como en los distintos estados de activación. En ausencia de excitación se llama potencial de reposo.

• El potencial de reposo se mide introduciendo un microelectrodo a través de la membrana celular y aplicando otro en la superficie.

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

++ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

KCl

_+

V

Es producido por:

• DIFUSIÓN PASIVA DEL K a través de un canal proteico

• DIFUSIÓN PASIVA DEL Na a través de canales proteicos pero con menos permeabilidad que el K

La combinación de ambos generan un POTENCIAL NETO de aproximadamente – 80 mV

• BOMBA Na-K: Saca 3 Na+ y mete 2 K+.

FENÓMENOS DE EXCITACIÓN CELULAR

Cualquier fenómeno que aumente la permeabilidad al Na producirá la apertura de los canales de Na automáticamente.

Pueden ser:• Fenómenos mecánicos• Fenómenos químicos• Fenómenos eléctricos

Los ESTABILIZADORES DE LA MAMBRANA inhiben la excitabilidad (hipercalcemia, hipocalemia, procaína,Tetracína) por disminución de activación de canales de Na

POTENCIAL DE ACCIÓN

• Potencial de acción, es el cambio del potencial de membrana por efecto de un estímulo eléctrico, mecánico, químico o térmico y tiene lugar en el punto de la membrana en el que ha tenido lugar el estímulo.

• Al valor del potencial de membrana al cual se genera el potencial de acción se llama umbral.

• El potencial de acción se debe a la sucesión de dos etapas denominadas DESPOLARIZACIÓN Y REPOLARIZACIÓN:

POTENCIAL DE ACCIÓN

ECUACIÓN DE NERST• El movimiento de iones a través de la membrana celular se

debe a la acción de dos tipos de fuerzas: a)gradiente de concentración; b) gradiente eléctrico.

• La relación entre estas fuerzas se da por la ecuación de Nernst:

donde EA es el potencial de equilibrio del ion A, kB la constante de Boltzmann, T la temperatura absoluta, q la carga eléctrica del ion, Ce y Ci las concentraciones del ion en el líquido intracelular y extracelular respectivamente.

i

eBA C

CLn

qTk

E

ECUACIÓN DE GOLDMAN• El potencial de membrana (Em) de una célula es el resultado

de la actividad de dos o más iones; cada ion influye en este potencial en forma proporcional a sus concentraciones intra y extra celular y a sus permeabilidades. Este potencial se calcula con la ecuación de Goldman:

donde las PA son las permeabilidades de los iones A; kB, T y q

tienen los mismos significados que en la ecuación de Nernst y los términos entre corchetes representan las concentraciones de los inones Na, K y Cl en los líquidos intracelular (i) y extracelulares (e).

eCliNaiK

iCleNaeKB

ClPNaPKP

ClPNaPKPLn

qTk

E

ECUACIÓN DE GOLDMAN

• En el caso de una permeabilidad extremadamente alta para un solo ion, la ecuación de Goldman se reduce a la ecuación de Nernst.

• En reposo, la relación entre permeabilidades es:PK :PNa:PCl = 1 : 0,05 : 0,45

• Durante el potencial de acción la misma relación es:PK : PNa : PCl = 1 : 20 : 0,45

CIRCUITO ELÉCTRICO EQUIVALENTE DE LA MEMBRANA CELULAR

CÉLULA NERVIOSA

La NEURONA o célula nerviosa representa la unida estructural y funcional del sistema nervioso. Presenta una región receptora o de entrada de señales de información (soma y dendritas), una región conductora o de transmisión (axón) y una región de salida relacionada en general con la salida de un producto (terminación sináptica).

ESQUEMA DE CÉLULA NERVIOSA

1 mm 1μm

Vain

a d

e m

ieli

na

Nod

o d

e R

an

vier

Cu

erp

o c

elu

lar

Nú

cleo S

ináp

sis

Term

inaci

on

es

nerv

iosa

s

Den

dr

ita

Axó

n

• Los axones tienen un diámetro comprendido entre 1 y 20 μm y pueden ser bastante largos. Por ejemplo, los nervios que controlan los músculos del pie tienen sus cuerpos celulares en la columna vertebral y sus axones pueden medir un metro.

• Las células de Schwann forman la vaina de mielina y tienen una longitud de 1 mm.

• La vaina permite que un pulso nervioso se propague más largo trecho sin amplificación, reduciendo la energía metabólica que necesita la célula nerviosa.

ELEMENTOS ELÉCTRICOS DE LA CÉLULA NERVIOSA

• El axoplasma es un líquido conductor a través del cual puede viaja una corriente iaxón y también puede escapar a través de la membrana una corriente iperd.

• La resistencia R de una longitud L de axón de área A es:

donde ρa es la resistividad del axoplasma.

AL

R a

Liaxó

nR

r

iperd

Rm

++

+

__

_

Cm

CORRIENTES ELÉCTRICAS Y CAPACIDAD ELÉCTRICA POR UNIDAD DE ÁREA Cm

ELEMENTOS ELÉCTRICOS DE LA CÉLULA NERVIOSA

• La resistencia R’ de una membrana de área S es

donde Rm es la resistencia de la unidad de área de la membrana a la corriente de pérdida.• La capacidad de un trozo de membrana de área S es

C = Cm (2π rL) donde Cm es la capacidad por unidad de área del axón.• El Parámetro espacial es la distancia λ para la cual las

resistencias R y R’ son iguales:

a2rmR

S

RR m,

PARÁMETROS ELÉCTRICOS DEL AXÓN

MAGNITUDAXÓN CON

MIELINA

AXÓN SIN MIELINA

Resistividad del axoplasmaCapacidad por unida de área de la membrana, Cm

Resistencia por unidad de área de membrana, Rm

Radio, r

2 ohm m5 x 10-5 F/m2

40 ohm m2

5 μm

2 ohm m10-2 F/m2

0,2 ohm m2

5 μm

CRONAXIA

IMPULSO NERVIOSO

Es una perturbación físico – química producido por un estímulo que actúa sobre una célula nerviosa y que es transportado o conducido a lo largo del axón hasta su terminación.

MODELO DE HODGKING-HUXLEY DE LA MEMBRANA CELULAR

Las conductancias gNa y gK varían con el tiempo; EM es el potencial de membrana..

MODELO DE HODGKIN-HUXLEY DE LA MEMBRANA CELULAR

• Conductores internos y externos: LIC y LEC• gNa, gK y gCl son las conductancias de los iones de Na, K y Cl, en

virtud de las cuales estos iones pueden moverse a través de sus canales sin interferencia.

• ENa, EK y ECl son equivalentes a los potenciales de equilibrio para cada ion a través de la membrana.

• INa, IK e ICl son las corrientes iónicas

Iion = gion(EM – Eion)

• CM es la capacitancia de la membrana

Icap = CM(dEM/dt)

POTENCIAL DE ACCIÓN DE ACUERDO AL MODELO DE HODGKING-HUXLEY

ECUACIÓN DE ONDA DEL IMPULSO NERVIOSO

)()()(2

342

2

2LLNaNaKKm VVgVVhmgVVng

tV

CxVa

SINÁPSIS Y TRANSMISIÓN DEL IMPULSO NERVIOSO

CLASES DE SINÁPSIS

(a) química, (b) eléctrica y (c) mixta

EVENTOS MOLECULARES DE UNA SINÁPSIS QUÍMICA

ELEMENTOS ELÉCTRICOS DEL CORAZÓN

• Nodo sinoauricular (nodo SA)• Vías auriculares internodales• Nodo aurículoventricular(nodo AV)• Haz de His y sus ramas• Sistema de Purkinje• El nodo SA es el marcapaso del corazón y su

frecuencia de descarga determina la frecuencia a la que late el corazón.

DIAGRAMA DE LOS ELEMENTOS ELÉCTRICOS DEL CORAZÓN

POTENCIAL DE ACCIÓN DEL MÚSCULO CARDIACO

CONTROL DEL LATIDO CARDIACO: la célula miocárdica contráctil

La entrada de calcio en el sarcoplasma procedente del retículo sarcoplásmico (R.S) y del exterior celular produce la contracción del músculo cardiaco. La relajación se produce por bombeo de calcio al R.S. o al exterior

POTENCIALES DE ACCIÓN DE DIFERENTES TEJIDOS CARDIACOS

POTENCIALES DE ACCIÓN DEL SISTEMA CONDUCTOR DEL CORAZÓN

CAMPO ELÉCTRICO DEL CORAZÓN SOBRE LA SUPERFICIE DEL TORAX, REGISTRADO POR

AUGUSTUS WALLER (1887).

Las curvas (a) y (b) representan las líneas equipotenciales positivas y negativas respectivamente.

Estas indican que el corazón es un dipolo que tiene polos positivo en (A) y negativo en (B) respectivamente.

La línea (c) representa las líneas de de corriente

DIPOLO ELÉCTRICO Y CAPA DIPOLAR

CAMPO ELÉCTRICO Y LÍNEAS EQUIPOTENCIALES DE UN DIPOLO

MOMENDO DE DIPOLO ELÉCTRICO

pc 4

cos 2

o

r

pV

VECTOR DERIVACIÓN

El potencial Φ en el punto P debido a cualquier dipole p puede escribirse como

El vector c es el vector derivación. Note que el

valor del vector derivación es una proyección de la derivación y el volumen conductor y no depende de la magnitud ni de la dirección del dipolo p

zzyyxx pcpcpc

pc

COMPONENTES TRIDIDMENSIONALES DEL MOMENTO DIPOLAR

• Desde el interior de la pared ventricular, los diferentes

lugares de activación originan un frente de onda que se

propaga a través de la masa ventricular hacia el exterior

de la pared. • Este proceso resulta de la activación célula a célula.

• Después que se despolariza cada región ventricular se produce la repolarización de las mismas.

PROPAGACIÓN EN LA PARED VENTRICULAR

ELECTROCARDIOGRAMA

• El ECG es el registro de los potenciales del corazón durante el ciclo cardiaco.

• La onda P representa la despolarización auricular, el espacio PQ la conducción en el haz de His y el complejo QRS más la onda T la actividad ventricular. La onda P dura normalmente 0.10 s y su amplitud es 0.10 a 0.30 mV. Aumenta en la hipertrofia auricular y desaparece en la fibrilación auricular (trazado irregular).

ELECTROCARDIOGRAMA(Continuación)

• El intervalo PQ varía entre 0.08 y 0.18 s. Valores superiores indican alteraciones en la conducción aurículo ventricular.

• El complejo QRS dura 0.08 s. La onda Q representa la actividad del tabique interventricular. La onda R tiene una altura de 0.7 a 1.8 mV en la II derivación. En las derivaciones bipolares de los miembros R es predominante.

ELECTROCARDIOGRAMA(Continuación)

• El intervalo ST varía de una persona a otra dependiendo de la frecuencia y de la edad.

• La onda T se debe a la repolarización ventricular, su duración y amplitud varían entre 0.12 y 0.25 s y entre 0.2 y 1.0 mV respectivamente. La onda T es positiva en las derivaciones I y II y negativa en la tercera.

• La onda U a la repolarización de los músculos papilares.

REGISTRO ELECTOROCARDIOGRÁFICO

UNIDAD ASHMAN

• La abscisa del ECG representa el tiempo y la ordenada el potencial eléctrico.

• La división de tiempo más pequeña en el ECG es 0,04 s y la del potencial 0,1 mV.

• El área del cuadrado más pequeño es 4 µVs (microvoltio segundo). A esta magnitud se denomina unidad Ashman

DERIVACIONES DEL ELECTROCARDIOGRAMA

• La curva ECG se obtiene mediante tres electrodos colocados al cuerpo: uno en la muñeca izquierda, otro en la derecha y otro en la pierna izquierda. A estos electrodos se les llama L, R y F y se puede medir la diferencia de potencial entre cada par de ellos.

DI = VL - VR

DII = VF - VR

DIII = VF - VL

de donde DI + DII - DIII = 0

DERIVACIONES BIPOLARES DEL ECG

DERIVACIONES BIPOLARES Y TRIÁNGULO EINSTHOVEN

DERIVACIONES UNIPOLARES DEL ECG

• El borne central de Wilson (CT) se forma conectando una resistencia de 5 K a cada uno de los electrodos de las extremidades y luego a un alambre común; el CT es el punto común.

• De acuerdo a las leyes de Kirchhoff ninguna corriente pasará através de un voltímetro de alta impedancia, puesto que: IR + IL + IF = 0.

Ubicación del borne central de Wilson en el centro del triángulo de Einthoven en el

espacio de imagen.

CIRCUITO DEL BORNE CENTRAL DE WILSON (CT).

DERIVACIONES UNIPOLARES DEL ECG

DERIVACIONES PRECORDIALES

Para medir los potenciales próximos al corazón, Wilson introdujo 12 derivaciones precordiales en 1944.

Estas derivaciones son: V1 – V6 situadas en mayor número sobre sobre el tórax izquierdo como se ve en la figura.

EL SISTEMA DE 12 DERIVACIONES

El sistema ECG comunmente más usado es el de 12 derivaciones, las cuales son:

654321 ,,,,,

,,

,,

VVVVVV

aVaVaV

IIIIII

FLR

Proyección del sistema de 12 derivaciones del ECG en tres planos ortogonales.

(Se asume que el volumen conductor es una esfera homogénea con la fuente cardiaca ubicada en el centro)

IMPORTANCIA DEL ELECTROCARDIOGRAMA

La actividad eléctrica del corazón es de tal magnitud que puede registrarse desde distintos lugares de la superficie corporal. El electrocardiograma (ECG) proporciona información muy valiosa acerca de :

• Orientación anatómica del corazón• Tamaño relativo de las cámaras• Trastornos del ritmo y de la conducción• Existencia y evolución de isquemias• Alteración de los electrolitos

SEÑALES ELÉCTRICAS DEL OJOI. ELECTRORETINOGRAMA

• Es el registro de los cambios de potencial eléctrico del ojo cuando la retina se expone a un destello de luz.

• Se obtiene colocando adecuadamente un electrodo en la córnea y el otro en la oreja o en la parte posterior del cráneo.

Electrodo

Lente de contacto

Ojo

Electrodo de referencia

Dispositivo electrónico

ESQUEMA DE ELECTRORETINOGRAMA

SEÑALES ELÉCTRICAS DEL OJOII. ELECTROOCULOGRAMA

• Es el registro de los cambios de potencial eléctrico debido al movimiento del ojo.

• Se obtiene colocando dos electrodos cerca del ojo. El potencial cero del EOG se muestra en la posición mostrada en la figura y se refiere a la posición 0º.

• La figura muestra los cambios de potencial debido a los movimientos horizontales del globo ocular.

• El EOG proporciona información sobre la orientación del ojo, su velocidad y aceleración angular; se han hecho estudios para determinar los efectos que producen las drogas sobre el movimiento del ojo, el sueño y el examen visual.

ESQUEMA DE LA OBTENCIÓN DEL ELECTROOCULOGRAMA

0ºÁngulo visual

Potencial de reposo

de la retina

θElectrodoElectrodo

+

_

POTENCIAL DE LA RETINA VERSUS ÁNGULO VISUAL

-10º

10º

Ángulo visual θ

Pote

ncia

l re

lati

vo

-10

10

5º -5º

-5

5

POTENCIALES ELÉCTRICOS DEL CEREBRO

Electrodos de 10 a 50 KΩfabricados en Cloruro de Plata

SISTEMA ESTANDAR INTERNACIONAL 10-20 PARA UBICACIÓN DE ELECTRODOS DE EEG

A =Lóbulo de oreja, C = Centro, Pg = Nasofaríngeo, P = ParietalF = Frontal, Fp = Polo frontal, O = occipital

ONDAS ELECTROCARDIOGRÁFI

CAS

DEPENDENCIA DEL EEG DEL NIVEL DE CONCIECIA DEL PACIENTE

BIOMAGNETISMO

• Estudia los campos magnéticos generados por los seres vivos para obtener información que permita comprender los sistemas biológicos para realizar diagnóstico clínico y crear nuevas terapias.

• Estudia la respuesta del organismo a la acción de campos magnéticos diversos.

FUENTES DE CAMPOS MAGNÉTICOS DEL CUERPO HUMANO

MAGNETOCARDIOGRAFÍA

• Toda corriente eléctrica produce un campo magnético en el espacio que lo rodea.

• El campo magnético cardiaco es producido durante la despolarización del corazón.

• La MAGNETOCARDIOGRAFÍA estudia los campos magnéticos del corazón.

• El registro de los campos magnéticos del corazón se llama MAGNETOCARDIOGRAMA.

• El campo magnético es alrededor de 5 x 10-5 tesla (T).

MAGNETOCARDIOGRAFÍA(continuación)

• Para medir estos campos se usan ambientes aislados y detectores muy sensibles, como el SQUID (mecanismo superconductor de interferencia quántico) que opera a 5 ºK y detecta campos de 10-

14 T.• La figura muestra un arreglo experimental y la

sonda detectora casi tocando a la persona. El campo se mide en varios puntos del pecho moviendo el dispositivo.

MAGNETÓMETRO SQUID

MAGNETÓMETRO SQUID

CAMPOS PRODUCIDOS POR CONDUCTORES ELÉCTRICOS Y MAGNÉTICOS

ESQUEMA DE LA GENERACIÓN DE LA COMPONENTE X DEL MCG

SEMEJANZA ENTRE LOS REGISTROS ECG Y MCG DEL COMPLEJO QRS

COMPARACIÓN DE ECG Y MCG

COMPARACIÓN DE MEG Y EEG

ILUSTRACIÓN DEL PRINCIPIO POR EL CUAL LA PERFORMANCE DE

DIAGNÓSTICO AUMENTA USANDO MEDIDAS MAGNÉTICAS

BIOELECTROMAGNETISMO

Estudia los campos eléctricos, magnéticos y electromagnéticos que tienen lugar en los tejidos biológicos e incluyen:• El comportamiento de los tejidos excitables• Las corrientes y potenciales en el volumen corporal• El campo magnético dentro y fuera del cuerpo• La respuesta de células excitables a estímulos de campos eléctricos y magnéticos• Las propiedades eléctricas y magnéticas intrínsecas de los tejidos

ATP (adenosín trifosfato)

• Interviene en los procesos de intercambios de energía en las células.

• Esta formada por adenina, ribosa y tres grupos fosfatos, que contienen enlaces de alta energía entre los grupos fosfato; al romperse dichos enlaces se libera la energía almacenada.

FOSFORILACIÓN

• Proceso en el cual el ATP se hidroliza a ADP, rompiéndose un solo enlace y quedando libre un grupo fosfato que se transfiere a otra molécula.

• Solo en algunos casos se rompen dos enlaces resultando AMP + 2 grupos fosfato.

TRANSPORTE ACTIVO PRIMARIO

• Bomba de 3Na+/2K+ ATPasa:– Su inhibición (> [Na+] en el LIC) por glucósidos

cardiacos aumenta la fuerza contráctil del corazón.

• Bomba de Ca++ ATPasa: mantiene baja la [Ca] en el LIC (10 -7 M).

• Bomba de H+/K+ ATPasa: bombea [H+] del LIC a la luz del estómago.– Su inhibición reduce la [H+]

TRANSPORTE ACTIVO SECUNDARIO

COTRANSPORTE (glu, aa)

Na+

glu

3Na+

2K+

glu

TRANSPORTE ACTIVO SECUNDARIO

CONTRATRANSPORTE (3Na+/2Ca++) fenómenos de

contracción muscular.

(Na+/H+) previene la acidificación del LIC.

Ca++

3Na+

Na+

H+

EXTENSIÓN DEL CONCEPTO DE VECTOR CARDIACO

INSTANTÁNEO

Derivación unipolar: Mide el voltaje entre un electrodo explorador y otro considerado indiferente.

Derivación bipolar: formada por un par

de derivaciones y es la medida de voltaje entre dos puntos cualesquiera

pc

pcc

V

pc

ij

ji

jiij

ii

)(

DERIVACIONES AUMENTADAS DE GOLDBERGER

Goldberger observo que las señales de las derivaciones de las extremidades pueden ser aumentadas omitiendo que la resistencia de del borne central de Wilson está conectada al electrodo de medida

Las tres derivaciones mencionadas anteriormente pueden ser reemplazadas por un nuevo conjunto de derivaciones llamadas derivaciones aumentadas por el aumento de la señal.

La señal aumentada es 50% más grande que la señal con el borne central de Wilson seleccionado como referencia.

22

222

2

/

/

/

LRFaVCTLL

LRFaVCTRR

LRFaVCTFF

L

F

F

V

V

V

. Localización de los vectores derivación de

Goldberger en el espacio de imagen.

CIRCUITOS DE GOLDBERGER