UNIDAD TEMÁTICA Nº 1 Tema: Fenómenos Bioeléctricos Cátedra Electromedicina Docentes: Ing. Edgardo Marino Ing. Juan José Salerno

RANGO DE LOS FENÓMENOS BIOELÉCTRICOS El conocimiento de los rangos dinámicos de los fenómenos biológicos es una necesidad primaria tanto para el proyectista como para el reparador; Es fundamental establecer las necesidades de: constantes de tiempo, sensibilidad y respuesta en frecuencia de los equipos para: diseñar o elegir los transductores eléctricos adecuados. Respecto de las constantes de tiempo requeridas estas pueden variar entre unos 5 mseg para fenómenos rápidos, como por ejemplo potenciales nerviosos sensoriales, hasta respuestas en C.C. a 0,1 Hz para temperatura. La sensibilidad varía entre 1 µV para E.E.G. y 1mv ó hasta 1 v en el caso de utilizar transductores.

CARACTERÍSTICA DE LA SEÑAL PRIMARIA Y TRANSDUCTORES REQUERIDOS Aplicación Característica de la señal Transductor requerido E.C.G. Electrocardiografía Rango de frecuencia: 0,05 a 1.000 Hz (usual 0,05 a 100 Hz) Tensión 10 µv a 5 mv Electrodos de contacto directo con gel, pasta o crema. Los electrodos de agua son menos ruidosos. Frecuencia Cardiaca Rango: 25 a 600 ppm Normal: 60 a 90 ppm Obtenida del E.C.G., presión arterial o amplificadores de onda. Ondas de Pulso Arterial o Venoso 0,05 a 60 Hz Fuente de luz y fotocélula para dedo o lóbulos de oreja. Transductor piezoeléctrico Flujo Sanguíneo Rango flujo: 300 ml/seg Rango frecuencia: 0 a 100 Hz Electrodos de contacto directo: flujómetros impedanciométricos. Emisor-receptor piezoeléctrico para flujómetros doppler. Flujómetro electromagnético. E.E.G. Rango frecuencia: 0,1 a 100 Hz Rango tensión: 2 a 400 µv Electrodos de superficie o aguja

CARACTERÍSTICA DE LA SEÑAL PRIMARIA Y TRANSDUCTORES REQUERIDOS Aplicación Característica de la señal Transductor requerido Potenciales intracerebrales Duración de pulso: 0,6 mseg a 0,1 seg Rango tensión: 10 µv a 100 mv Electrodos tipo aguja de profundidad E.M.G. (Electromiografía) Rango en frecuencia: 5 a 2.000 Hz Rango tensión: 20 a 5.000 µv Electrodos de superficie o aguja Espirografía Rango en frecuencia: 0 a 50 Hz Espirómetro con salida electrónica (transductor diferencial de presión) turbina tacométrica Frecuencia respiratoria 0 a 50 ciclos/minuto (humano) Salida del canal de función respiratoria.

CARACTERÍSTICA DE LA SEÑAL PRIMARIA Y TRANSDUCTORES REQUERIDOS Aplicación Característica de la señal Transductor requerido Temperatura Rango en frecuencia: C.C a 1 Hz Alambre. Diodo. Termocupla. Termistor. Pletismografía (Medición de volumen de tejidos) Rango en frecuencia: 0 a 30 Hz Electrodos de superficie o aguja

POTENCIALES ELECTROBIOLÓGICOS POTENCIAL DE REPOSO Toda célula viviente, animal o vegetal, produce y mantiene una diferencia de potencial entre su interior y el medio líquido que la rodea que denominaremos potencial de reposo o potencial de reposo de transmembrana: ya que es la membrana celular la que separa el medio extracelular. El rango de los potenciales de reposo que podemos encontrar en la naturaleza va de 40 a 120 mv, siendo siempre el interior celular negativo con respecto al exterior.

EXCITABILIDAD CELULAR Y POTENCIAL DE ACCIÓN Todas las células del organismo responden de alguna manera a cualquier estímulo, pero sean cuales fueran los efectos finales (contracción muscular, secreción de una hormona, secreción de soluciones electrolíticas tales como sudor o lágrimas, etc.) subyacente a ellos habrá siempre un intercambio iónico entre el interior celular y el exterior (líquido intersticial) que alterará el potencial de reposo de manera mas o menos ostensible según la célula de que se trate. Las células pueden clasificarse como: “Muy Excitables” ( M.E.) o “Poco Excitables” (P.E.)

Las “M.E.” son aquellas que responden produciendo un gran efecto ante estímulos apropiados únicos y leves. Ellas son las células nerviosas y musculares. Las “P.E.” son las que para producir un efecto ostensible necesitan estímulos apropiados fuertes o bien iterativos (células glandulares o epiteliales)

“Todos los métodos de registro de la actividad eléctrica del organismo, actualmente en uso, captan las variaciones de potencial que se producen como consecuencia de los potenciales de acción de las células nerviosas y musculares agrupadas en tejidos”.

ORIGEN DE LOS POTENCIALES BIOLÓGICOS La génesis de cualquier potencial biológico debe buscarse en la diferencia de concentración iónica a uno y otro lado de la membrana celular.

ORIGEN DE LOS POTENCIALES BIOLÓGICOS La membrana celular es permeable aunque con distintos valores de conductibilidad al: K+, Na+, Cl ˉ, Mg++ Ca++;

ORIGEN DE LOS POTENCIALES BIOLÓGICOS En cambio es impermeable a todos los aniones grandes como: Proteína, Fosfato monoácido y Bicarbonato.

ORIGEN DE LOS POTENCIALES BIOLÓGICOS La experimentación muestra que los únicos iones que deben tenerse en cuenta como “formadores del potencial de reposo” y así mismo como “generadores del potencial de acción” son el Clˉ, el K+ y el Na+.

ORIGEN DE LOS POTENCIALES BIOLÓGICOS El Mg++ y el Ca++ influyen con su mayor o menor concentración en la permeabilidad que presenta la membrana al Na+, pero la permeabilidad de esta hacia ellos mismos es pequeña, de aquí es que no se los considera en la formación de potenciales eléctricos.

ORIGEN DE LOS POTENCIALES BIOLÓGICOS El K+ es el ion más importante en el interior de la célula así como lo es el Na+ en el medio extracelular. El Clˉ si bien tiene un papel más secundario en la generación de los potenciales es el que logra el equilibrio de la tendencia de lograr iguales concentraciones a ambos lados de la membrana.

POTENCIALES DE EQUILIBRIO Durante los procesos biológicos no sólo se genera un potencial eléctrico por diferencia de concentración sino que aparecen otros fenómenos, resultando todo un poco más complejo . Con la actuación de iones negativos de la solución más concentrada en nuestro caso Cl ̄ se genera un campo eléctrico que frena el ulterior paso de Na+. Estos dos grupos iónicos se aplicarán contra la membrana formando un capacitor. El potencial eléctrico generado tiene un límite que llamamos “Potencial de Equilibrio”.

POTENCIALES DE EQUILIBRIO

POTENCIALES DE EQUILIBRIO Los potenciales de equilibrio tienden a disminuir hasta desaparecer como consecuencia de la acumulación de cargas en ambas soluciones que llegan a frenar, por atracción o repulsión electrostática, la circulación electrónica.

POTENCIALES DE DIFUSIÓN Ahora bien tal como sucede en la realidad, la membrana celular resulta ser permeable también al ion Cl ̄. Si la permeabilidad no es la misma para el Na+ que para el Cl ̄ se generará el siguiente fenómeno: “Suponiendo que la membrana sea más permeable al Cl ̄que al Na+, apenas formado el sistema difundirá más Cl ̄ que Na+ desde el lado más concentrado al de menos concentración. Entonces se generará en el lado de menor concentración una carga negativa que frenará algo el ingreso de más Cl ̄ por rechazo electrostático, así como forzará el ingreso de más Na+ hasta que las velocidades de traspaso de ambos iones sean constantes (velocidades de equilibrio).

POTENCIALES DE DIFUSIÓN Estos diferentes flujos de Na+ y Cl ̄, en el equilibrio inducirán una diferencia de potencial que llamaremos “Potencial de Difusión” y que resultan ser entonces “Una medida de la permeabilidad de la membrana a las “movilidades” de los iones en ella”.

LA BOMBA DE NA-K Un potencial de difusión tal como pensamos que sea, un potencial biológico, tenderá a decaer rápidamente pues los iones involucrados en él tratarán de concentrarse igualmente a ambos lados de la membrana. En consecuencia para que estos potenciales no decaigan y desaparezcan, habrá que obrar sobre los sistemas para mantener constante el gradiente de concentración de los iones involucrados

LA BOMBA DE NA-K Para ello Se podrá ir agregando estos iones en cantidades adecuadas del lado más concentrado (o bien extraerlos del menos concentrado) Se podrá ir bombeando iones del lado menos concentrado al más concentrado

LA BOMBA DE NA-K Este último fenómeno lo encontramos en la célula, donde existe en la membrana celular un mecanismo que funciona a expensas de la energía metabólica ( 8.000 cal/mol) que proviene de la pérdida de un radical fosfato del ATP (trifosfato de adenosina), que en estado de reposo expulsa Na+ e introduce K+ en proporción: 2 K+ : 3 Na+ a 2 K+ : 5 Na+

LA BOMBA DE NA-K

LA BOMBA DE NA-K Esta ‘Bomba de Na-K” obliga al Na+ a mantenerse en una concentración 15 veces menor en el interior que en el exterior y al K+ a alcanzar una concentración 30 veces mayor dentro que fuera. Esta situación es la que origina un “Potencial de difusión mantenido” que será el “Potencial de Reposo” mencionado al comenzar en capítulo. En los ejemplos de soluciones salinas nos referimos al Na+, para el caso de los iones de K+ se produce exactamente el mismo efecto de difusión presentado para los iones de Na+. El ingreso de K+ a la célula por intermedio de la Bomba de Na-K se realiza para mantener constante la concentración de los mismos.

FENÓMENOS INTEGRADOS HALLADOS DURANTE LA ACTIVIDAD ELÉCTRICA CELULAR. Cuando una célula recibe un estímulo apropiado (eléctrico, por ejemplo) entre los fenómenos más significativos que se suceden mencionaremos:

FENÓMENOS INTEGRADOS HALLADOS DURANTE LA ACTIVIDAD ELÉCTRICA CELULAR. Cuando una célula recibe un estímulo apropiado (eléctrico, por ejemplo) entre los fenómenos más significativos que se suceden mencionaremos: Brusco cambio de permeabilidad de la membrana hacia el Na+ (10.000 veces) en un lapso de 0,5 mseg. Este cambio parece estar mediado por el Ca++

FENÓMENOS INTEGRADOS HALLADOS DURANTE LA ACTIVIDAD ELÉCTRICA CELULAR. Cuando una célula recibe un estímulo apropiado (eléctrico, por ejemplo) entre los fenómenos más significativos que se suceden mencionaremos: Brusco cambio de permeabilidad de la membrana hacia el Na+ (10.000 veces) en un lapso de 0,5 mseg. Este cambio parece estar mediado por el Ca++ Generación automática de potenciales de acción (propios de la reacción surgida ante el estímulo)

FENÓMENOS INTEGRADOS HALLADOS DURANTE LA ACTIVIDAD ELÉCTRICA CELULAR. Cuando una célula recibe un estímulo apropiado (eléctrico, por ejemplo) entre los fenómenos más significativos que se suceden mencionaremos: Brusco cambio de permeabilidad de la membrana hacia el Na+ (10.000 veces) en un lapso de 0,5 mseg. Este cambio parece estar mediado por el Ca++ Generación automática de potenciales de acción (propios de la reacción surgida ante el estímulo) Aumento de la permeabilidad hacia el K+ (20 a 40 veces)

FENÓMENOS INTEGRADOS HALLADOS DURANTE LA ACTIVIDAD ELÉCTRICA CELULAR. Cuando una célula recibe un estímulo apropiado (eléctrico, por ejemplo) entre los fenómenos más significativos que se suceden mencionaremos: Brusco cambio de permeabilidad de la membrana hacia el Na+ (10.000 veces) en un lapso de 0,5 mseg. Este cambio parece estar mediado por el Ca++ Generación automática de potenciales de acción (propios de la reacción surgida ante el estímulo) Aumento de la permeabilidad hacia el K+ (20 a 40 veces) Inactivación de la Bomba Na-K, por lo cual los iones fluyen libremente según las leyes de la difusión, generando los potenciales de acción.

FENÓMENOS INTEGRADOS HALLADOS DURANTE LA ACTIVIDAD ELÉCTRICA CELULAR. Cuando una célula recibe un estímulo apropiado (eléctrico, por ejemplo) entre los fenómenos más significativos que se suceden mencionaremos: Brusco cambio de permeabilidad de la membrana hacia el Na+ (10.000 veces) en un lapso de 0,5 mseg. Este cambio parece estar mediado por el Ca++ Generación automática de potenciales de acción (propios de la reacción surgida ante el estímulo) Aumento de la permeabilidad hacia el K+ (20 a 40 veces) Inactivación de la Bomba Na-K, por lo cual los iones fluyen libremente según las leyes de la difusión, generando los potenciales de acción. No hay variación de la permeabilidad hacia el Cl

FENÓMENOS INTEGRADOS HALLADOS DURANTE LA ACTIVIDAD ELÉCTRICA CELULAR. Cuando una célula recibe un estímulo apropiado (eléctrico, por ejemplo) entre los fenómenos más significativos que se suceden mencionaremos: Brusco cambio de permeabilidad de la membrana hacia el Na+ (10.000 veces) en un lapso de 0,5 mseg. Este cambio parece estar mediado por el Ca++ Generación automática de potenciales de acción (propios de la reacción surgida ante el estímulo) Aumento de la permeabilidad hacia el K+ (20 a 40 veces) Inactivación de la Bomba Na-K, por lo cual los iones fluyen libremente según las leyes de la difusión, generando los potenciales de acción. No hay variación de la permeabilidad hacia el Cl Proceso de despolarización y repolarización ( 2 mseg): proceso durante el cual los cambios de permeabilidad retornan a los valores originales y en consecuencia el potencial de membrana comienza a disminuir hasta alcanzar el potencial de reposo, momento en que comienza a funcionar la Bomba de Na-K.

REGISTRO DE LOS POTENCIALES BIOLÓGICOS La relación temporal entre los cambios de conductancia de la membrana de una célula y el potencial de acción derivado puede ser medida de dos formas, obteniendo dos potenciales que son expresión del mismo fenómeno: Potencial intracelular o monofásico: para realizar la medición se utiliza un electrodo extracelular y otro intracelular (el descripto hasta el momento). Potencial extracelular o bifásico: en este caso los dos electrodos son extracelulares; Es decir se colocan los dos electrodos por fuera de la membrana, siendo este potencial el obtenido en la mayoría de los procedimientos electrodiagnósticos y al que vamos a referirnos en los capítulos posteriores.