Bg ly sinh phan 1 7501

TRƯỜN G ĐẠI HỌC VÕ TRƯỜNG TOẢN KHOA DƯỢC  BÀI GIẢNG MÔN HỌC LÝ SINH Đơn vị biên soạn: KHOA DƯỢC XÁC NHẬN BCN KHOA DƯỢC Hậu Giang – Năm 2018 MỤC LỤC Chương 11: CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC.106  11.1 Nguyên lý thứ nhiệt động học ứng dụng y học 106  11.2 Nguyên lý thứ hai nhiệt động học ứng dụng y học 108  Chương 12: VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT TRONG CƠ THỂ SINH VẬT 113  12.1 Các tượng vận chuyển vật chất thể sinh vật .113  12.2 Sự vận chuyển vật chất qua màng tế bào .121  Chương 13: LÝ SINH TUẦN HOÀN VÀ LÝ SINH HÔ HẤP .134  13.1 Lý sinh tuần hoàn 134  13.2 Lý sinh hô hấp 146  Chương 14: ỨNG DỤNG CỦA SÓNG ÂM VÀ SIÊU ÂM TRONG Y HỌC .154  14.1 Ứng dụng sóng âm 154  14.2 Ứng dụng siêu âm 162  Chương 15: CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN TRÊN CƠ THỂ SỐNG 168  15.1 Hiện tượng điện sinh vật - chế phát sinh lan truyền 168  15.2 Cơ chế dẫn truyền sóng hưng phấn từ thần kinh đến 175  15.3 Tác dụng dòng điện lên thể ứng dụng điều trị 184  Chương 16: QUANG SINH HỌC 189  16.1 Cơ chế hấp thụ ánh sáng phát sáng 189  16.2 Tác dụng ánh sáng lên thể sống 199  16.3 Mắt dụng cụ bổ trợ 203  16.4 Laser ứng dụng y học .216  Chương 17: Y HỌC PHÓNG XẠ VÀ HẠT NHÂN 226  17.1 Tia phóng xạ 226  17.2 Tác dụng sinh học xạ ion hoá 234  17.3 Ứng dụng tia phóng xạ y học an tồn phóng xạ 237  Chương 18: BỨC XẠ RƠNGHEN (TIA X) VÀ ỨNG DỤNG .243  18.1 Hiện tượng xạ tia x ứng dụng y học 243  18.2 Kỹ thuật chụp cắt lớp vi tính ứng dụng 248  Chương 19: PHƯƠNG PHÁP CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN 253 19.1 Cơ sở vật lý phơng pháp cộng hởng từ hạt nhân 253 19.2 Chụp ảnh cắt lớp cộng hởng từ hạt nhân 259  TÀI LIỆU THAM KHẢO .264  Chương 11 CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC 11.1 NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC 11.1.1 Hệ nhiệt động (Hệ thống nhiệt động) Mọi tập hợp vật xác định hồn tồn số thơng số vĩ mô độc lập với nhau, gọi hệ vĩ mô hay hệ nhiệt động (gọi tắt hệ) Tất vật bên hệ gọi mơi trường Mọi hệ chia làm hai loại: Hệ cô lập hệ không cô lập Hệ cô lập hệ không trao đổi vật chất với mơi trường bên ngồi Hệ khơng lập gồm hệ kín hệ mở - Hệ kín hệ khơng trao đổi vật chất, có trao đổi với mơi trường bên ngồi - Hệ mở hệ trao đổi vật chất lượng với môi trường bên ngồi Hệ sinh vật hệ mở ln ln trao đổi vật chất lượng với môi trường xung quanh Tuy nhiên, hệ sinh vật khác với hệ mở khác ba điểm - Cơ thể sinh vật dạng tồn đặc biệt protit chất khác tạo thành thể - Cơ thể có khả tự tái tạo - Cơ thể có khả tự phát triển 11.1.2 Nguyên lý thứ nhiệt động học Theo định luật bảo toàn chuyển hóa lượng ta có: “Năng lượng khơng tự nhiên sinh không tự nhiên mà biến đổi từ dạng sang dạng khác” Năng lượng hệ bao gồm động năng, nội hệ W = W d + Wt + U (11.1) Trong đó: Động (Wd) phần lượng ứng với chuyển động có hướng hệ Thế (Wt) ứng với phần lượng tương tác hệ trường lực 106 Nội (U) lượng bên hệ bao gồm động phân tử, nguyên tử, điện tử nguyên tử phần lượng hạt nhân nguyên tử Nội hàm trạng thái trạng thái khác có giá trị khác * Phát biểu nguyên lý Độ biến thiên lượng tồn phần ΔW hệ q trình biến đổi có giá trị tổng cơng A nhiệt lượng Q mà hệ nhận trình biến đổi Biểu thức: ΔW = A + Q (11.2) Theo định luật bảo toàn hệ Wd + Wt = const nên ΔW = ΔU ΔU = A + Q Phát biểu nguyên lý cách khác ta có độ biến thiên nội hệ có giá trị cơng nhiệt mà hệ nhận q trình biến đổi Hệ quả: Nếu ký hiệu A, Q công nhiệt mà hệ nhận được, ký hiệu A’, Q’ cơng nhiệt mà hệ sinh A’ = -A; Q’ = -Q dẫn đến ΔU = A + Q suy Q = ΔU + A’ Vậy nhiệt truyền cho hệ q trình có giá trị độ biến thiên nội hệ công hệ sinh q trình Trong hệ lập: A = Q = → ΔU = → U = const Ta nói nội hệ lập bảo toàn Nếu Q = → A = - ΔU Nghĩa không cung cấp nhiệt cho hệ, mà hệ muốn sinh cơng nội hệ phải giảm 11.1.3 Áp dụng nguyên lý thứ cho hệ thống sống Hoạt động sinh công thể khác với máy nhiệt thơng thường, sinh thay đổi hệ thống sống nhờ q trình sinh hóa thể Tính chất sinh nhiệt tính chất tổng quát hệ thống sống, đặc trưng cho tế bào có chuyển hóa Những chức sinh lý kéo theo sinh nhiệt Nguồn gốc nhiệt lượng cung cấp cho người thức ăn Thức ăn thể sử dụng thông qua trình đồng hóa để cải tạo tổ chức tạo thành chất dự trữ vật chất, lượng thể, phát sinh nhiệt để trì nhiệt độ 107 thể chống lại nhiệt môi trường xung quanh dùng để sinh công hoạt động sống Nguyên lý áp dụng hệ thống sống viết dạng sau: ΔQ = ΔE + ΔA + ΔM Trong đó: (11.3) ΔQ nhiệt lương sinh q trình đồng hóa thức ăn ΔE lượng môi trường xung quanh ΔA công mà thể thực ΔM lượng dự trữ Đây phương trình trình cân nhiệt thể người Người ta thấy lượng thức ăn cung cấp lượng tỏa Nhiệt lượng sinh thể chia làm hai loại: lượng sơ cấp nhiệt lượng thứ cấp Nhiệt lượng sơ cấp xuất kết phân tán lượng nhiệt trình trao đổi vật chất phản ứng hóa sinh (xảy khơng thuận nghịch) Nhiệt lượng tỏa sau thể hấp thu thức ăn vào oxy Nhiệt lượng thứ cấp xuất q trình oxy hóa thức ăn dự trữ liên kết giàu lượng (ATP) Khi liên kết đứt, chúng giải phóng lượng để thực cơng cuối biến thành nhiệt Nhiệt lượng tỏa đứt liên kết giàu lượng dự trữ thể để điều hòa hoạt động chủ động thể quy ước nhiệt thứ cấp Đối với thể sống bình thường: lượng lượng dự trữ vào thể khoảng 50% Khi bệnh lý lượng lượng giảm xuống Phần lượng thể tỏa dạng nhiệt lượng sơ cấp chiếm phần lớn Tỷ lệ phụ thuộc vào tỷ lệ cường độ tỏa nhiệt cường độ sinh nhiệt Đối với động vật máu nóng nhiệt độ mơi trường thấp thân nhiệt, nhiệt tỏa môi trường, để cân nhiệt thể phải sinh nhiệt Nhiệt lượng nhiệt lượng loại hai sản co tiêu dần lượng dự trữ thể (tiêu mỡ động vật ngủ đông) 11.2 NGUYÊN LÝ THỨ HAI NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC 11.2.1 Nguyên lý thứ hai nhiệt động học dịch chuyển Entropi hệ thống sống 108 Nhược điểm nguyên lý không cho biết chiều diễn biến q trình biến đổi từ nhiệt cơng, cho biết liên quan lượng chúng chúng tham gia vào trình cho trước Nguyên lý độc lập khắc phục hạn chế nguyên lý 1, xác định chiều diễn biến trình vĩ mơ cho phép đánh giá khả sinh công hệ nhiệt động khác 11.2.1.1 Khái niệm Entropi Xét hệ bình kín chia làm hai phần A B vách ngăn, có phần tử giống Ban đầu phần tử A có cách xếp - Nếu phân tử A, phân tử B có cách phân phối Số phân tử phần Số cách phân phối (W) Xác suất toán học p A B (Xác suất nhiệt động) 1/64 6/64 15 15/64 3 20 20/64 15 15/64 6/64 1/64 - Xác suất nhiệt động cho ta số cách thực phân phối phân tử, đại lượng ln ≥ - Xác suất tốn học p, cho biết khả xảy phân phối 109 Ta thấy hệ ln ln có xu hướng chuyển từ trạng thái có cách phân phối sang trạng thái có nhiều cách phân phối (W lớn) Người ta dùng W hay lnW làm đại lượng để xác định chiều diễn biến trình tự nhiên Định nghĩa 1: Entropi S định nghĩa sau: Đại lượng S = klnW entropi hệ k số Bonzman Qua ví dụ minh họa ta thấy chiều hướng diễn biến trình theo chiều tăng entropi Định nghĩa 2: Gọi T nhiệt độ hệ, δQ nhiệt lượng mà hệ trao đổi, S entropi hệ Hệ trạng thái entropi (S) hệ cho biến thiên entropi từ trạng thái (1) đến (2) có giá trị tích phân δQ ∫T → ΔS = S − S1 = ∫ δQ T hay dS = δQ T (11.4) Nhận xét: - S hàm trạng thái nghĩa hàm phụ thuộc vào trạng thái đầu trạng thái cuối mà không phụ thuộc vào trình thay đổi trạng thái - S đại lượng có tính cộng nghĩa S = S1 + S2 + tổng phần riêng biệt - S = S0 + ∫ δQ T S xác định sai số So giá trị S gốc tính tốn, quy ước So = T = 0K Đơn vị S J/K Ý nghĩa entropi (S) cho ta biết khái niệm mức độ hỗn loạn hệ Khi hệ nhận nhiệt chuyển động phân tử, nguyên tử tăng tương ứng với S tăng ngược lại hệ tỏa nhiệt S giảm 11.2.1.2 Năng lượng tự Từ biểu thức: dS = δQ T suy ra: δQ = TdS Công mà hệ thực viết: δA = δQ - dU = TdS - dU δA = - [dU - TdS] = - [dU - dTS] = -d[U - TS] Đặt U - TS = F (F lượng tự hệ) → δA = -dF 110 U = F + TS (11.5) Năng lượng tự dạng đặc biệt lượng, quy ước gọi tên phần nội hệ dùng để thực cơng đó, nói khác đặc trưng cho khả sinh cơng hệ TS gọi lượng liên kết, khả sinh cơng 11.2.1.3 Ngun lý nhiệt động học Nguyên lý có số cách phát biểu sau: - Tính trật tự hệ lập giữ nguyên giảm dần - Khơng thể tồn tự nhiên chu trình mà kết biến nhiệt thành công, khơng để lại dấu vết mơi trường xung quanh - Không thể chế tạo động vĩnh cửu loại tức động chuyển động tuần hồn, cho ta cơng cách nhận nhiệt lượng làm lạnh từ nguồn (TomXơn) - Trong hệ lập q trình kéo theo việc tăng entropi tự diễn biến, giới hạn tự diễn biến chúng trạng thái có trị số cực đại entropi (Nguyên lý tăng S) 11.2.2 Áp dụng nguyên lý cho hệ thống sống 11.2.2.1 Trạng thái dừng hệ thống sống - Ta áp dụng nguyên lý vào hệ thống sống hệ thống sống hệ mở đặc biệt, xảy trao đổi vật chất lượng với mơi trường bên ngồi - Trong hệ lập: trạng thái cân thiết lập sau phản ứng hay trình biến đổi kết thúc, hệ không thay đổi theo thời gian - Đối với hệ thống sống ta dùng khái niệm trạng thái dừng trạng thái tính chất hệ khơng thay đổi, thơng số hóa lý, đại lượng động học bảo tồn (ví dụ độ pH, To ) bảo toàn 11.2.2.2 Sự biến đổi entropi hệ thống sống Tại trạng thái dừng S hệ có giá trị không đổi, chuyển từ trạng thái dừng đến trạng thái dừng khác, S thay đổi lượng: ΔS = S2 - S1 Đối với hệ mở trao đổi vật chất, lượng với mơi trường ngồi Chia S thành hai phần: dS = dSi + dSe 111 (11.6) dSi phần thay đổi S tương tác bên hệ (dSi dương) dSe phần thay đổi S tương tác bên ngồi (dSe có giá trị dương, âm 0) - Khi dSe = 0, dS = dSi phần thay đổi S toàn hệ thống xác định tăng S bên hệ - Khi dSe > 0, dS > S ln ln tăng - Khi dSe < có trường hợp: + | dSe | < | dSi | → dS = dSi + dSe > +| dSe | > | dSi | → dS < ⇒ S giảm, tính trật tự tăng + |dSe| = |dSi| → ds = trường hợp ứng với trạng thái dừng trạng thái có S = const Từ cơng thức dS = dSi + dSe, chia vế cho dt, ta có: dS dSi dSe = + dt dt dt (11.7) Phương trình gọi phương trình Prigơgin Ở trạng thái dừng suy dS =0 dt (11.8) dSi dS =− e ≠0 dt dt (11.9) Biểu thức cho thấy: trạng thái dừng, tốc độ tăng entropi thể tốc độ trao đổi entropi với mơi trường xung quanh khác Tóm lại: Để trì sống cần phải trao đổi vật chất lượng với mơi trường ngồi Nói khác mơi trường ngồi điều kiện tồn hệ thống sống 112 Chương 12 VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT TRONG CƠ THỂ SINH VẬT 12.1 CÁC HIỆN TƯỢNG VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT CƠ BẢN TRONG CƠ THỂ SINH VẬT Để đảm bảo cho thể sống hoạt động phát triển phải khơng ngừng diễn trình vận chuyển vật chất Các trình dù đựơc diễn dạng vi mơ (như vận chuyển vật chất qua màng tế bào) hay dạng vĩ mô (như vận chuyển máu hệ tuần hồn, vận chuyển khí hệ hơ hấp ) nhiệm vụ chúng mang chất cần thiết tới quan, phận, mô tế bào đào thải chất thải, chất có hại cho sống Quá trình vận chuyển vật chất trình phức tạp xảy theo nhiều chế phụ thuộc nhiều yếu tố: - Bản chất phần tử vận chuyển: Kích thước, điện tích, độ hồ tan - Hoạt động thể Tuy nhiên tất trình vận chuyển xảy theo chế vật lí giải thích quy luật vật lí Phần đây, đề cập đến tượng vận chuyển vật chất thể sống, giải thích vận chuyển vật chất qua màng tế bào, vận chuyển máu khí thể sống 12.1.1 Các phân tử, ion dung dịch thể sinh vật 12.1.1.1 Các phân tử ion thể - Mọi thể sinh vật chứa số vơ lớn phân tử ion, phân bố xếp cách có trật tự cao - Mỗi phân tử ion thể đứng yên (một cách tương đối) chuyển động (thành dòng hay hỗn loạn) - Các ion dạng đơn giản ion K+, Na+, Cl- ion thường vận động cách linh động chúng tạo xung quanh chúng điện trường dày đặc - Các ion dạng phức tạp , chúng phân tử bị ion hoá Loại ion thường đứng yên tương đối tế bào Ví dụ phân tử H2O, H2, C6 H6 , Hemoglobin 113 - Các ion K+, Na+, Cl- ion đóng vai trị chủ yếu hoạt động điện tế bào tổ chức sống - Nồng độ ion nói phía màng ln ln có chênh lệch đáng kể Chẳng hạn nồng độ K+ tế bào lớn K+ màng khoảng 40 lần, cịn nồng độ Na+ Cl- ngồi lớn bên tế bào khoảng 10 lần - Màng tế bào có tính thấm lọc lựa ion Cụ thể: trạng thái nghỉ có K+ qua lại màng dễ dàng, cịn Na+ Cl- khơng qua màng - Khi tế bào trạng thái hưng phấn, tức bị kích thích từ trạng thái nghỉ ngơi sang trạng thái làm việc, tính thấm màng thay đổi cách đột ngột ion Na+ trạng thái nghỉ, tính thấm màng K+: Na+:Cl- = 1: 0,04: 0,45; trạng thái hoạt động tỷ lệ 1: 20: 0,45 Nghĩa tính thấm màng Na+ tăng 500 lần 15.1.2.2 Cơ chế điện nghỉ - Ở nội dung lý thuyết ion màng ion hai phía màng có chênh lệch nồng độ Vì vậy, ln có xu hướng ion K+ từ ngồi tế bào ion Na+, Cl- từ vào tế bào theo tượng khuyếch tán mà chưa tính đến vai trị màng theo chiều Gradien nồng độ - Ở nội dung thứ lý thuyết ion màng nói tính thấm màng có tính chất lọc lựa, trạng thái nghỉ có K+ qua lại màng, nên ion khuếch tán từ tế bào nơi có nồng độ cao phía ngồi màng nơi có nồng độ thấp (dưới tác dụng Grandien nồng độ) Cũng có nghĩa có dịng điện tích dương dịch chuyển từ tế bào ngồi màng Do tính trung hồ điện tế bào, tổ chức bị phá vỡ, kết lượng điện tích phía ngồi màng tăng lên cịn tế bào giảm xuất chênh lệch điện phía màng mà giá trị chênh lệch gọi điện nghỉ 15.1.2.3 Cơ chế điện hoạt động Khi tế bào trạng thái hưng phấn tính thấm tế bào Na+ tăng gấp 500 lần ion Na+ từ phía ngồi nơi có nồng độ cao ạt tràn vào tế bào tác dụng Gradien nồng độ, làm cho lượng điện tích dương bên tế bào tăng chênh lệch điện tích phía màng bị triệt tiêu Điều có nghĩa xuất chênh lệch điện có chiều ngược với chiều điện nghỉ, độ chênh lệch điện xuất tế bào trạng thái hưng phấn gọi điện hoạt động Điều giải thích nói hồn tồn phù hợp với kết quan sát thực nghiệm Nghĩa điện 174 hoạt động biến đổi đột ngột của điện nghỉ tế bào bị kích thích từ trạng thái nghỉ ngơi chuyển sang trạng thái hoạt động 15.1.2.4 Hạn chế lý thuyết ion màng - Lý thuyết ion màng khơng rõ theo chế mà tính thấm màng lại thay đổi đột ngột với ion K+, Na+ giai đoạn điện hoạt động - Lý thuyết ion màng chưa ý đến vai trị ion hố trị ion Ca++ - Thuyết ion màng thiếu sót cho tồn ion hai phía màng trạng thái tự do, nghĩa khuyếch tán qua màng (thí nghiệm chứng minh: có lượng K+ trạng thái liên kết chúng khơng tham gia q trình tạo nên điện sinh vật) - Thuyết ion màng chưa ý đến vai trị màng Khi tế bào bị kích thích màng có biến đổi cấu trúc, hình dạng phân tử cấu tạo nên màng 15.2 CƠ CHẾ DẪN TRUYỀN SÓNG HƯNG PHẤN TỪ THẦN KINH ĐẾN CƠ 15.2.1 Khái niệm hưng phấn Hưng phấn chuyển từ trạng thái nghỉ ngơi sang trạng thái hoạt động Hưng phấn bao gồm hai chế: chế tiếp nhận kích thích thị quan chế chuyển tín hiệu kích thích thành tín hiệu điện, truyền não để xử lý thơng tin phát tín hiệu thực phản ứng trả lời Tín hiệu kích thích đa dạng chủ yếu tín hiệu vật lý (nhiệt, ánh sáng, áp suất ) tín hiệu hóa học (hoocmon, mùi vị, ) Chức chuyển tín hiệu kích thích thành tín hiệu điện (tức sóng hưng phấn) dẫn truyền sóng hưng phấn noron thực Thực phản ứng trả lời quan, mô, tế bào mức độ phân tử Trong hệ sinh vật, từ sinh vật đơn bào tới sinh vật đa bào có mức độ tiến hóa khác xa tồn tính hưng phấn để thích nghi với thay đổi môi trường sống 15.2.2 Khái niệm ngưỡng hưng phấn Ngưỡng hưng phấn xác định cường độ nhỏ thời gian kích thích ngắn để tạo nên hưng phấn.Cường độ nhỏ kích thích để tạo phản ứng trả lời gọi reobaz Thời gian ngắn kích thích reobaz để tạo phản ứng trả lời thời gian có ích (hình 15.7) Trong thực nghiệm xác định thời 175 Hình 15.7 Tương quan cường độ thời gian kích thích gian có ích khó nên Lapicque lấy thời gian ứng với reobaz để đo ngưỡng Thời gian kích thích, gọi thời trị Đường biểu diễn tương quan cường độ thời gian kích thích đường hipecbol, ứng với phương trình Weiss đưa i= năm 1901: a +b t (15.1) i: cường độ kích thích, t: thời gian kích thích a: số ứng với đường thẳng thời gian chạy song song với trục tung b: số ứng với đường thẳng cường độ chạy song song với trục hoành Nếu cường độ i = 2b, nghĩa reobaz phương trình có dạng: a +b t 2b = b= a t t= a b Thời trị thay đổi tùy theo mơ Ví dụ người thời trị duỗi dài gấp từ 1,5 đến lần so với gập 15.2.3 Cơ chế dẫn truyền sóng hưng phấn dây thần kinh Thí nghiệm Hodgkin Katz chứng minh dịng điện hưng phấn xuất dây thần kinh bị kích thích có chất ion Hodgkin Katz rõ K+ có vai trị việc trì điện tĩnh cịn Na+ lại có vai trị việc hình thành nên điện hoạt động (tức sóng hưng phấn) Tùy thuộc vào chất dây thần kinh có mielin bao bọc hay khơng, đường kính sợi trục, chức noron mà có tốc độ dẫn truyền sóng hưng phấn khác (xem bảng) Bảng 15.1 Kiểu sợi thần kinh tốc độ dẫn truyền sóng hưng phấn dây thần kinh Anpha Đường kính sợi (μ) 10 - 20 Beta 7-5 15 - 30 40 - 90 Sợi thu cảm (sờ mó) Gamma 4-8 - 15 30 -45 Sợi hướng tâm từ Denta 2,5 - 5-9 15 - 25 Sợi thu cảm da (nóng, lạnh) B 1-3 2-6 3-5 C 0,3 - 1,5 0,3 - 0,8 0,5 - Kiểu sợi Tốc độ truyền (m/s) Biến nhiệt Đồng nhiệt (20oC) (37oC) 20 - 40 60 - 120 Chức Sợi vận động Sợi tiền hạch dinh dưỡng Sợi hậu hạch giao cảm Kết bảng cho thấy động vật đồng nhiệt (chim, thú, người) có tốc độ truyền dẫn sóng hưng phấn dây thần kinh nhanh so với động vật biến 176 nhiệt (ếch, cá, lưỡng thê) Các sợi thần kinh dẫn truyền cảm giác đau đớn có tốc độ dẫn truyền chậm (0,7 - 1,3 m/s), sợi hướng tâm dẫn truyền cảm giác sờ mó có tốc độ cao đạt 50 m/s, cịn sợi hướng vận động có tốc độ dẫn truyền nhanh đạt tới 160 m/s Sợi trục thần kinh dây dẫn điện sợi trần (khơng có mielin bao bọc) dịch bào tương bên sợi trục có điện trở Rt cịn màng noron có điện trở Rm Đối với dây thần kinh có mielin bao bọc mielin chất cách điện tốt nên noron tiếp xúc với mơi trường ngồi qua eo Ranvie Khi noron tiếp nhận kích thích qua eo Ranvie dòng điện hưng phấn bị suy giảm truyền điện bên qua eo Ranvie Khi bị kích thích xuất xung điện hoạt động điện cực kích thích (cực âm) ký hiệu Vo Do bị tiêu hao phần lượng điện để thắng điện trở bào tương sợi trúc bị rò qua màng noron nên giá trị điện hoạt động bị giảm dần Điện trở bào tương nhỏ điện họat động bị giảm điện trở màng noron lớn thị điện hoạt động bị giảm Ngược lại, điện trở bào tương lớn điện hoạt động bị giảm nhiều điện trở màng noron nhỏ điện hoạt động bị giảm nhiều Các nhà khoa học xác định giá trị điện hoạt động sau phát sinhlà Vo, truyền theo sợi trục thần kinh quãng đường x có giá trị Vx tính theo cơng thức: − Vx = V0 e x Rm Rt (15.2) Rm: điện trở màng noron tỷ lệ thuận với điện trở riêng cm2 màng (ký hiệu rm) tỷ lệ nghịch với bán kính sợi trục thần kinh (ký hiệu r) Rm = rm 2πr (15.3) Rt: điện trở bào tương tỷ lệ thuận với điện trở riêng 1cm3 bào tương (ký hiệu rt) tỷ lệ nghịch với bình phương bán kính sợi trục (r) Rt = rt πr (15.4) 177 Các nhà khoa học tính động vật thuộc lớp thú, sợi trục dây thần kinh có mielin bao bọc có bán kính r = 15μm, rm = 5000 Ω/cm2 rt = 50 Ω/cm3, điện hoạt động Vo truyền mm (là khoảng cách eo Ranvie) cịn lại giá trị Vx tính theo cơng thức: Vx = Vo.0,5 (15.5) Nếu điện cực kích thích đặt eo Ranvie thứ (gọi Ranvie 1) làm phát sinh điện hoạt động Vo = 100mV truyền đến eo Ranvie thứ hai (gọi Ranvie 2) 50mV Thực nghiệm xác định eo Ranvie có ngưỡng kích thích điện 20mV Do đó, dịng điện hưng phấn, tức điện hoạt động phát sinh eo Ranvie có giá trị 100mV truyền đến eo Ranvie 50mV kích thích eo Ranvie phát sinh điện hoạt động có độ lớn 100mV Hưng phấn Hình 15.8 Dẫn truyền hưng phấn dây thần kinh khơng có mielin bao bọc A C: Vùng noron trạng thái tĩnh (trong âm, dương) B: Vùng noron trạng thái hưng phấn (trong dương, âm) c: sợi trục noron 2: dòng điện hưng phấn 3: hướng truyền dòng điện hưng phấn hệ thần kinh trung ương Cứ lặp lại vậy, dòng điện hưng phấn hay xung điện hoạt động có độ lớn 100mV truyền theo noron cảm giác hệ thần kinh trung ương để phát tín hiệu truyền theo noron vận động đến mô hay quan thực phản ứng trả lời Đối với dây thần kinh mielin bao bọc, kích thích vùng vùng màng phân cực đảo cực nên có điện tích trái dấu với vùng xung quanh cịn trạng thái tĩnh (hình 80) Tại vùng hưng phấn xuất dòng điện hưng phấn lại kích thích vùng lân cận lại tạo dòng điện hưng phấn giống dòng điện hưng phấn phát sinh vùng bị kích thích Sự xuất dòng điện hưng phấn sau bị kích thích lan truyền suốt 178 chiều dài dây thần kinh cách liên tục Vì vậy, tốc độ dẫn truyền dịng điện hưng phấn dây thần kinh khơng có mielin bao bọc thường chậm tiêu hao nhiều lượng Đối với dây thần kinh có mielin bao bọc, mielin chất cách điện tốt nên màng noron tiếp nhận kích thích eo Ranvie màng noron phân cực đảo cực (tức sinh điện hoạt động) eo Ranvie (Hình 15.9) Hình 15.9 Dẫn truyền hưng phấn dây thần kinh có mielin bao bọc R1 R3: eo Ranvie eo Ranvie trạng thái tĩnh R2: eo Ranvie trạng thái hưng phấn bị kích thích 1: sợi trục noron 2: bao mielin 3: dòng điện hưng phấn 4: hướng truyền dòng điện hưng phấn hệ thần kinh trung ương Theo hình 15.9, kích thích eo Ranvie màng noron hưng phấn dẫn tới bị đảo cực (trong có điện tích dương (+), ngồi có điện tích âm (-), có điện tích trái dấu với eo Ranvie Ranvie trạng thái tĩnh (trong có điện tích âm (-), ngồi có điện tích dương (+) Tại eo Ranvie xuất điện hoạt động (tức dòng điện hưng phấn) dòng điện hưng phấn truyền đến eo Ranvie giảm khoảng nửa lớn ngưỡng gây kích thích nên tạo hưng phấn eo Ranvie 3, tức lại tạo điện hoạt động có độ lớn giống điện hoạt động phát sinh lúc ban đầu ưo Ranvie Dòng điện hưng phấn lan truyền theo kiểu "nhảy" từ eo Ranvie đến eo Ranvie lân cận với khoảng cách bước nhảy milimet, theo hướng hệ thần kinh trung ương nên có tốc độ truyền nhanh tiêu hao lượng so với dây thần kinh khơng có mielin bao bọc Như hình 15.8, dòng điện hưng phấn truyền theo hướng từ vùng 179 B đến vùng C, cịn hình 15.9, dịng điện hưng phấn "nhảy" từ eo Ranvie sang eo Ranvie theo hướng hệ thần kinh trung ương (hoặc tủy sống) dây thần kinh hướng tâm theo hướng từ tủy sống hay hệ thần kinh trung ương tới mô hay quan để thực phản ứng trả lời với dây thần kinh ly tâm Mặc dù vậy, với dây thần kinh trần, phía ngồi màng noron có dịng điện truyền từ vùng C vùng B (hình 15.8), từ eo Ranvie eo Ranvie (hình 15.9) khơng gây hưng phấn màng noron trơ tuyệt đối pha phân cực đảo cực (khoảng 1ms) trơ tương đối pha tái phân cực (khoảng 3ms) nên khơng tiếp nhận kích thích Như vậy, kích thích vùng B xuất dịng điện hưng phấn truyền đến kích thích vùng phía trước C hưng phấn lại xuất dễ dàng truyền đến vùng C lại quay vùng B màng noron khơng tiếp nhận kích thích Đối với dây thần kinh động vật máu nóng, thời gian trơ tuyệt đối kéo dài khoảng 0,002 giây - 0,0004 giây Nếu ta lấy vận tốc dẫn truyền trung bình dây thần kinh nhóm A 60 m/s, truyền từ eo Ranvie sang eo Ranvie quay trở eo Ranvie 2, quãng đường 2mm, tính thời gian có 0,3ms, nhỏ 1ms nên eo Ranvie trơ tuyệt đối nên khơng tiếp nhận kích thích Do vậy, dòng điện hưng phấn truyền dây thần kinh theo chiều xác định Do màng noron có tính trơ nên màng noron khơng thể phát sinh xung điện hoạt động cách liên tục thời gian trơ dài số lượng tối đa xung điện hoạt động màng noron phát sinh đơn vị thời gian ngược lại Vedenski đưa khái niệm tính linh hoạt chức để biểu thị khả hưng phấn tổ chức sống Noron có tính linh hoạt chức cao có khả truyền số lượng tối đa xung điện hoạt động đơn vị thời gian nhiều Ngược lại, số lượng tối đa xung điện hoạt động truyền đoen vị thời gian tính linh hoạt chức noron thấp Ví dụ, noron vận động có thời gian trơ mili giây tối đa chúng truyền 500 xung điện hoạt động giây Các noron trung gian có thời gian trơ nhỏ mili giây nên chúng có 180 thể truyền tối đa 1000 xung điện hoạt động giây Rõ ràng noron trung gian có tính linh hoạt chức cao so với noron vận động 15.2.4 Cơ chế bàn giao hưng phấn qua xinap 15.2.4.1 Cấu tạo xinap Cấu trúc xinap (Hình 15.10) Các vị trí tận sợi trục noron tiếp xúc với noron khác với tế bào gọi xinap Cấu trúc xinap thể hình gồm màng trước xinap, khe xinap màng sau xinap Các xinap phần phình to mút nhánh sợi trục norn trước Trong cúc xinap chứa thành phần quan trọng nhất, Hình 15.10 bóng xinap Bên bóng xinap chứa chất mơi giới Giữa màng trước xinap màng sau xinap khe xinap, rộng khoảng 150A0 xinap noron noron, rộng khoảng 500A0 xinap noron - Màng sau xinap có thụ quan (receptor) chuyên biệt để nhận biết chất môi giới 15.2.4.2 Bàn giao hưng phấn qua xinap theo chế vật lý Dòng điện hưng phấn muốn truyền từ noron trước sang noron sau phải vượt qua màng trước xinap, khe xinap màng sau xinap Cả ba thành phần có điện trở Theo Katz, sau dịng điện hưng phấn vượt qua ba điện trở thuộc cấu trúc xinap điện hoạt động từ giá trị ban đầu khoảng 120mV, đến màng sau xinap khoảng 0,01mV Thực nghiệm xác định, ngưỡng kích thích màng sau xinap để gây hưng phấn từ 20mV đến 40mV Số liệu Katz đưa không phù hợp với thức nghiệm Để giải thích chế truyền xung điện hoạt động qua xinap theo chế vật lý, nhà khoa học cho màng trước, màng sau khe xinap có cấu trúc đặc biệt nên có điện trở bé Do vậy, xung điện hoạt động dễ dàng vượt qua ba thành phần điện trở nên đến màng sau xinap giá trị điện hoạt động truy có bị giảm lớn 40mV Với giá trị vượt ngưỡng gây hưng phấn, kích thích màng sau xinap làm cho màng 181 sau xinap phân cực đảo cực nên lại phát sinh xung điện hoạt động có giá trị 120mV tiếp tục truyền theo sợi trục noron sau Tuy nhiên, giả thiết ba thành phần cấu trúc xinap có điện trở nhỏ, thực nghiệm cịn chưa xác định 15.2.4.3 Bàn giao hưng phấn qua xinap theo chế hóa học Năm 1912 1921, Levi tiến hành thí nghiệm buộc hai tim lập vào ống thơng tim có chứa dung dịch sinh lý để hai tim thơng với Khi kích thích dây mê tẩu tim tim đập chậm yếu, có ngừng đập Đồng thời tim hau đập chậm yếu, có ngừng đập tim Nếu kích thích dây giao cảm tim làm cho tim tim hai đạp nhanh đập mạnh Levi xác định dây mê tẩu bị kích thích phát sinh chất axetincolin có tác dụng kìm hãm cịn dây giao cảm kích thích phát sinh chất adrenalin ếch cịn noradrenalin người có tác dụng thúc đẩy tăng nhịp đập tim Thí nghiệm Levi khẳng định kích thích, hưng phấn xuất với tham gia chất môi giới, truyền từ tim sang tim hai Cúc xinap, noron trạng thái tĩnh, có tổng hợp axetincolin từ axetat colin Lúc đầu axetat kết hợp với coenzym A tạo thành axetin KoA Nhờ xúc tác enzyme colinnaxetilase, xảy phản ứng axetin KoA với colin tạo thành axetincolin coenzymA (KoA) Axetincolin sau tổng hợp tích lũy lại bóng xinap có đường kính 0,02 - 0,03μ, nằm rải rác bào chất cúc xinap Khi dòng điện hưng phấn truyền đến cúc xinap gây tác dụng kích thích làm cho bóng xinap phóng thích axetincolin vào khe hở xinap Ở chuột, xung điện hoạt động truyền đến cúc xinap noron - kích thích bóng xinap giải phóng vài triệu phân tử axetincolin vào khe hở xinap Các phân tử axetincolin vượt qua khe hở xinap khoảng 0,5ms Axetincolin làm thay đổi tính thấm màng sau xinap màng sau xinap nhạy cảm trước tác động axetincolin Từ thay đổi tính thấm màng sau xinap dẫn đến phân cực đảo cực, phát sinh điện hoạt động có độ lớn giống xung điện hoạt động truyền đến màng trước xinap Nếu xinap noron noron xung điện hoạt động phát sinh màng sau xinap, tiếp tục truyền theo sợi trục noron sau Đồng thời màng sau xinap giải phóng enzyme axetincolinesterase để xúc tác cho phản ứng: 182 Axetincolin + H2O → axetat + colin Một phân tử enzyme axetincolinesterase 25oC, giây thủy phân 300.000 phân tử axetincolin Như vậy, phân tử enzyme cần 1/300.000 giây phân hủy xong phân tử axetincolin nên giải phóng tồn chất axetincolin cũ khe xinap, trước có xung điện hoạt động truyền tới, lại có đợt axetincolin vào khe xinap Ngưỡng gây kích thích màng sau xinap axetincolin cần nồng độ vô nhỏ từ 10-16 đến 10-15M Các xinap giải phóng chất mơi giới axetincolin xinap kích thích kích thích màng sau xinap làm phát sinh xung điện hoạt động giống xung điện hoạt động truyền đến màng trước xinap Trong sống tồn xinap ức chế giải phóng chất mơi giới ức chế làm ức chế màng sau xinap, không làm phát sinh xung điện hoạt động màng sau xinap (tức không tạo hưng phấn màng sau xinap) Trường hợp xảy xinap noron - tim ếch Levi phát kích thích dây mê tẩu dẫn đến giải phóng chất ức chế axetincolin có tác dụng ức chế nhịp đập tim làm cho tim đập chậm yếu Kết nghiên cứu khẳng định, hiệu ứng hưng phấn ức chế màng sau xinap chất môi giới định mà chất thụ quan màng sau xinap định Do vậy, axetincolin kích thích xinap noron - lại ức chế xinap noron - tim Hiện nhà khoa học xác định số chất môi giới tác dụng chúng (xem bảng) Bảng 15.2 Chất môi giới Tác dụng Axetincolin Kích thích ức chế Adrenalin Kích thích ức chế Noradrenalin Kích thích ức chế Dopamin Kích thích ức chế Serotonin Kích thích ức chế Glixin ức chế Enxephalin v.v ức chế 183 15.3 TÁC DỤNG CỦA DÒNG ĐIỆN LÊN CƠ THỂ VÀ ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU TRỊ Chúng ta biết rằng: thể sinh vật môi trường chứa đầy dung dịch điện ly, nói cách khác thể sinh vật môi trường chứa đầy hạt mang điện Vì tác dụng điện trường, bên thể xảy loạt hiệu ứng trình biến đổi Tính chất ứng dụng nhiều phương pháp chẩn đốn chữa trị thơng dụng, có kết cao y học 15.3.1 Các loại dòng điện dùng điều trị Trong kỹ thuật, người ta thường phân thành dòng chiều dòng xoay chiều dịng chiều (hay nói xác dịng khơng đổi) dịng nguồn pin, ắc quy sinh Dịng có đăc điểm có cường độ dịng khơng thay đổi theo thời gian, dòng xoay chiều dòng điện mà cường độ dòng điện biến đổi theo thời gian Sự biến đổi theo quy luật điều hồ hình sin dạng xung điện với tần số khác Có thể đưa vài ví dụ: - Dịng xoay chiều hình sin - Xung cưa (xung Faradic) - Xung vuông (Ganvanic) Trong y học người ta thường vào tần số dao động dòng điện để phân chia thành: 15.3.1.1 Dòng hạ tần: Bao gồm dòng chiều dòng xoay chiều có tần số 1000 Hz 15.3.1.2 Dịng trung tần: Là dịng điện biến thiên có tần số dao động khoảng từ 1000 → 300000 Hz 15.3.1.3 Dòng cao tần: Là dịng điện biến thiên có tần số dao động khoảng từ 300000 Hz lên tới hàng ngàn MHz Trong dải cao tần người ta phân chia thành: - Sóng ngắn: dịng điện biến thiên có tần số < 30MHz tức bước sóng cỡ 10m trở lên - Sóng siêu ngắn: dịng điện biến thiên có tần số > 30 MHz < 400 MHz tức bước sóng cỡ 70 cm - 10 m 184 - Sóng cực ngắn: dịng điện biến thiên có tần số > 400 MHz < 2500 MHz tức có bước sóng cỡ 10 - 70 cm 15.3.2 Tác dụng dòng điện lên thể ứng dụng điều trị 15.3.2.1 Tác dụng dòng chiều * Điện giải liệu pháp: Chúng ta biết: thể sinh vật môi trường chứa đầy dung dịch điện ly, bao gồm ion dương ion âm Trong vật lý kỹ thuật, biết: cho dòng điện chiều chạy qua dung dịch điện ly, bên dung dịch điện cực xuất phản ứng hoá học mà kết tạo chất vùng đặt điện cực Tính chất gọi tác dụng điện hố dịng điện chiều Trong y học, tác dụng điện hố dịng điện chiều ứng dụng phương pháp chữa bệnh có tên gọi điện giải liệu pháp: Người ta đặt điện cực trực tiếp lên vị trí cần điều trị thể, thiết lập điện trường khơng đổi cách chọn điện cực có tính chất hố học khác nhau, người ta tạo vùng đặt điện cực loại acid, bazơ hay phức hợp hoá chất cần thiết để điều trị bệnh tương ứng * Ion hoá liệu pháp: Dưới tác dụng điện trường tạo điện cực trái dấu, bên dung dịch xuất dịng ion chuyển dời phía điện cực Trong ion âm chuyển dời cực dương ngược lại Tính chất ứng dụng phương pháp điều trị y học có tên gọi: Ion hố liệu pháp Mục đích phương pháp sử dụng dòng điện chiều để đưa ion thuốc cần thiết vào thể (chẳng hạn phương pháp điện châm, thuỷ châm, ) Lưu ý: Cần tránh tác dụng điện hố dịng điện chiều cách quấn điện cực bơng có tẩm dung dịch dẫn điện (KCl) * Ganvany liệu pháp: Dòng chiều truyền qua thể gây tác dụng sinh lý đặc hiệu như: làm giảm ngưỡng kích thích sợi vận động, giảm tính đáp ứng thần kinh cảm giác, có tác dụng làm giảm đau, gây giãn mạch phần thể điện cực, tăng cường dinh dưỡng vùng có dịng điện chạy qua 185 Đó nguyên tắc phương pháp điều trị sử dụng dòng điện chiều: Ganvany liệu pháp 15.3.2.2 Tác dụng dòng điện xoay chiều * Tác dụng dòng điện xoay chiều hạ tần trung tần: Khác với dòng điện chiều, dòng điện xoay chiều hạ tần trung tần có cường độ thay đổi tăng giảm nên có tác dụng làm co giãn có tác dụng tâp luyện cho làm lực tăng cường Tác dụng thể rõ dịng điện xoay chiều có tần số khoảng 40Hz - 180 Hz Chính dịng hạ tần thường sử dụng để kích thích chống teo Ngồi bị co giật lưu thơng máu tăng cường, dinh dưỡng phát huy Đối với dịng trung tần có tần số từ 5000 Hz trở lên, tác động kích thích vận động thể rõ rệt tác dụng kích thích cảm giác, nói khác bị co khơng có cảm giác đau Các loại xung vng có tần số thích hợp vùng trung tâm cịn sử dụng để gây “choáng điện”, nghĩa gây co giật nhân tạo (kích thích điện xuyên qua sọ) Đây phương pháp điều trị hiệu nghiệm số bệnh tâm thần có chu kỳ Những xung vng có biên độ 150 V kéo dài 1-2/1000s kích thích tim từ ngồi lồng ngực Chúng thường dùng cách có kết tốt trường hợp tim ngừng đập giai đoạn tâm trương Trong trường hợp đau tim kéo dài, ngày bệnh nhân mang theo người máy đảm bảo nhịp tim thường xuyên, máy Pace-Maker loại máy phát xung điện kích thích có kích thước nhỏ, chạy pin điện cực kích thích bố trí màng tim * Tác dụng dòng cao tần: Dòng cao tần tác dụng vào thể khơng gây tượng điện phân khơng kích thích thần kinh Năng lượng dịng cao tần biến thành nhiệt khu vực có dịng điện qua Tác dụng nhiệt dòng cao tần tăng cường lưu thông máu, làm dịu đau, tăng cường chuyển hoá vật chất, thư giãn thần kinh cơ, Do dịng cao tần thường sử dụng để điều trị bệnh viêm thần kinh, số bệnh da đau khớp nơng 186 Ngồi hiệu ứng nhiệt dịng cao tần cịn dùng để cắt đốt nhiệt, phương pháp dùng để tiêu diệt tổ chức sống thể mà không gây chảy máu, không gây mủ sẹo nhỏ trắng khơng dính 15.3.3 Những nguy hiểm điện - đề phòng tai nạn điện gây Dòng điện nhiều yếu tố vật lý khác, tác động vào thể với mức độ thích hợp cho kết dương tính, phù hợp với mục đích lợi ích người Tuy nhiên trường hợp tai biến bất ngờ, điện tác động lên thể ngưỡng cho phép điện trở thành mối nguy hiểm cho sức khoẻ tính mạng người theo chế sau: - Cơ chế gây nguy hiểm thứ tác dụng nhiệt dòng điện: Khi dòng điện chạy qua thể → hiệu ứng Jun → đoạn thể có dịng điện chạy qua tỏa nhiệt lượng lớn (Q = RI2t) → gây bỏng Mức độ bỏng phụ thuộc vào độ ẩm da, cường độ dòng điện (0,1 A/cm2 ngưỡng gây bỏng) thời gian - Cơ chế gây nguy hiểm thứ tác dụng kích thích thần kinh: Đặc biệt dòng điện xoay chiều tần số thấp (trong có dịng điện sinh hoạt) Khi cường độ dịng điện đủ lớn thần kinh bị kích thích mạnh liên tục làm cho ý thức người bị nạn khơng cịn khả điều khiển Vì thế, đa số trường hợp chạm tay vào dịng điện khép co mạnh duỗi người bị nạn thường giữ chặt vào vật dẫn điện, không tự ý rút tay lúc đầu não nhận thức gặp nạn Những tai nạn chết người điện giật đa số thường xảy đột ngột Người bị nạn ngã xuống không kịp kêu sau vài giây, chậm vài phút nạn nhân chết Có nguyên nhân tử vong là: - Do bị ngừng thở, xảy theo chế: + Các hô hấp bị co cứng + Thần kinh hơ hấp bị kích thích đoạn - Do tim ngừng đập đột ngột giai đoạn tâm trương-trong trường hợp mổ tử thi khơng có xung huyết nội tạng không phát dấu vết cụ thể để giải thích chế tai nạn 187 * Đề phòng tai nạn điện: Nguyên tắc để đề phịng giảm bớt mức độ nguy hiểm tai nạn điện là: - Giảm bớt điện áp nhỏ đến mức - Tăng điện trở tiếp xúc: nguyên tắc không chân đất vận hành thiết bị điện, tay chân giầy dép phải khô ráo, tốt loại thiết bị điện phải bọc vỏ nhựa gỗ, núm chỉnh công tắc tránh làm kim loại - Thực nối đất tốt cho tất máy thiết bị - Thực biện pháp cách ly chỗ nguy hiểm vật cách điện lưới kim loại có nối đất - Tăng cường giáo dục rộng rãi ý thức đề phòng tai nạn điện Chú ý đặt bảng tín hiêu báo hiệu nguy hiểm nơi trọng yếu có khả gây tai nạn 188