VIII. Tính chất vật lý của hệ tuần hoàn
3.2. Lý thuyết ion màng về hiện tượng điện sinh vật
Theo lý thuyết ion màng, trong quá trình hình thành điện thế sinh vật, các ion ở trong dịch bào và ở môi trường ngoài tế bào (đặc biệt các ion K+, Na+...) cũng như màng tế bào có vai trò quyết định. Cho tới nay lý thuyết này vẫn có nhiều ưu điểm trong việc giải thích các hiện tượng điện sinh vật.
a. Lý thuyết ion màng về điện thế nghỉ.
Bernstein là người đầu tiên đưa ra lý thuyết ion màng về điện thế sinh vật, theo Bernstein thì ở trạng thái tĩnh màng chỉ thấm đối với K+ và không thấm đối với Ion Na+
cũng như các anion liên kết với ion K+. Vì nồng độ các ion K+ trong tế bào lớn hơn ở ngoài màng rất nhiều nên ion K+ không ngừng khuếch tán qua màng. Trong khi đó lực hút tĩnh điện các anion và cation đã giữ chúng ở lại màng và làm cho màng bị phân cực một cách bền vững. Như vậy chính sự phân bố không đồng đều các ion do tính thấm chọn lọc của màng là nguyên nhân tạo ra điện thế nghỉ.
Bảng 4.1. Nồng độ các ion tạo điện thêm nghỉ (Na+, K+, Cl) ở các đối tượng nghiên cứu khác nhau
Ðối tượng nghiên cứu Nồng độ trong dịch bào (mM)
Nồng độ ở môi trường ngoài (mM)
Tỉ số Nồng độ trong dịch bào và Nồng độ ở môi trướng ngoài
Na+ K+ Cl- Na+ K+ Cl- Na+ K+ Cl-
Thần kinh ếch Cơ ếch
Tim chuột cống Cơ vân của chó 37
15 13 12 110 125 140 140 26 1,2 1,2 1,2 110 110
150 150 2,6 2,6 4,0 4,0 77 77 120 120 0,340 0,140 0,087 0,080 42 48 35 35 0,048 0,016 0,010 0,010
Quan điểm của Bernstein đã được Boyle và Conley phát triển: ở trạng thái tĩnh, bộ ba các ion trên được phân bố tại ở 2 phía của màng tế bào giống như sự phân bố các ion ở trường hợp cân bằng Donnan.
Ðiện thế nghĩ U được xác định bởi tỷ số các nồng độ của ion K+ (hoặc của ion Cl-) có khả năng khuếch tán qua màng ở trong và ở bên ngoài tế bào.
Bằng thực nghiệm Boyle và Convey đã chứng minh rằng khi nồng độ ion K+ ở môi trường ngoài có giá trị từ 13 đến 300 mg/lít, các ion Cl- và K+ được phân bố ở hai phía của màng đúng theo qui luật cân bằng Donnan.
Tuy nhiên giả thuyết trên hầu như bị bác bỏ hoàn toàn khi nhờ kỹ thuật đánh dấu phóng xạ người ta phát hiện rằng các ion Na+ cũng có thể xâm nhập qua màng vào trong tế bào được. Mặc đù vậy Deen vẫn nhận xét một cách sâu sắc rằng: Cho dù màng tế bào có thấm các ion Na+, qui luật cân bằng Donnan vẫn có thể ứng dụng đúng cho các quá trình phân bố các ion Na+, K+, Cl- ở hai phía của màng nếu giả thiết rằng các ion Na+ có khả
năng vận chuyển ngược chiều građiêng nồng độ để lọt ra ngoài tế bào với tốc độ đúng bằng tốc độ dòng ion Na+ đi vào trong tế bào. Ý kiến của Deen, đặc biệt là giả thuyết về khả năng vận chuyển ion Na+ ra ngoài tế bào đã được nhiều thực nghiệm xác minh. Deen cùng với Boyle, Convey được xem là đã góp phần quan trọng trong quá trình tìm hiểu bản chất của điện thế nghỉ.
b. Lý thuyết ion màng về điện thế hoạt động.
Bernstein đã giải thích sự xuất hiện của điện thế hoạt động như sau: Khi tế bào ở trạng thái hưng phấn màng tế bào thấm tất cả các loại ion. Vì vậy, điện thế nghỉ; tạo ra do kết quả của sự phân bố không đồng đều các ion ở hai phía của màng sẽ mất đi. Dòng các anion từ trong tế bào ra ngoài làm cho giá trị điện thế nghỉ ở 2 phía của màng sẽ biến đổi từ giá trị điện thế nghỉ xuống giá trị 0 và như vậy điện thế hoạt động bằng điện thế nghỉ về giá trị. Giả thiết này của Bernstein tồn tại mãi cho tới khi Hodgkin, Huxley (1938), Cole và Curtis (1939) phát hiện ra rằng giá trị của điện thế hoạt động lớn hơn giá trị điện thế nghỉ, tức là sau khi khử cực màng hoàn toàn, điện thế hoạt động tiếp tục tăng và đạt tới giá trị nào đó.
Sau này Côle và Cơtis cho rằng tính thấm của màng thay đổi phụ thuộc vào trạng thái của tế bào và đã giải thích được kết quả thí nghiệm của Hodgkin và Huxley mà Bernstein chưa giải thích được: Khi tế bào ở trạng thái hưng phấn tính thấm của màng đối với ion Na+
tăng lên, dòng các ion Na+ từ ngoài đi vào tế bào lớn hơn dòng các ion K+ từ trong tế bào ra ngoài, sự phân cực của màng bị đảo ngược so với lúc nghỉ ngơi và kết quả là điện thế hoạt động lớn hơn điện thế nghỉ về giá trị. Tế bào trở lại trạng thái với sự phân bố của các ion như lúc đầu (nghỉ ngơi) là nhờ quá trình dịch chuyển các ion đó ngược chiều gradien điện hóa nhờ năng lượng của quá trình trao đổi chất.
Phương pháp cố định điện thế: Bản chất của phương pháp là thông qua một vi điện cực đặt trong tế bào và một điện cực ở bên ngoài màng người ta đặt một điện áp khử cực có giá trị được ổn định nhờ bộ khuếch đại có mối liên hệ ngược (hồi tiếp). Ðồng thời thông qua một hệ điện cực khác ta thu nhận và ghi lại dòng điện xuất hiện trong từng trường hợp thí nghiệm. Nhờ phương pháp này Hodgkin, Katz và Huxley (1952) đã giải thích được khá rõ cơ chế của điện thế hoạt động.
Người ta tính được rằng cứ 0.01s, cơ và thần kinh có thể phản ứng với vài triệu xung điện đến kích thích, do vậy ở trong tế bào lượng ion K+ giảm đi, ion Na+ tăng lên đáng kể.
Ðể điều chỉnh cho nồng độ các ion này ở hai phía của màng tế bào có giá trị không đổi, sau mỗi lần kích thích trong cơ và thần kinh phải xảy ra một quá trình vận chuyển K+ và Na+
theo chiều ngược lại. Ðó là quá trình vận chuyển tích cực, ngược chiều với građiên nồng độ mà chúng ta đã nghiên cứu ở bài 3.
c. Hạn chế của thuyết ion màng về hiện tượng điện sinh vật.
- Trong hoạt động điện của cơ và thần kinh, lý thuyết ion màng chưa giải thích được vai trò của ion hóa trị 2 và hóa trị 3, mặc dù có nhiều kết quả thực nghiệm khẳng định vai trò của ion Ca2+ trong quá trình hình thành điện thế hoạt động.
- Thuyết ion màng đã thiếu sót khi cho ràng toàn bộ các ion ở 2 phía của màng ở trạng thái tự do, nghĩa là có thể khuếch tán qua màng. Thực nghiệm đã chứng minh rằng trong cơ có một lượng các ion K+ nhất định ở trạng thái liên kết và chúng không tham gia vào quá trình tạo nên điện thế sinh vật.
Lý thuyết ion màng chưa chú ý đến vai trò của màng: khi tế bào bị kích thích, trong màng xảy ra sự biến đổi về cấu trúc, hình dạng của các phần tử cấu tạo nên màng.
d. Vai trò của các ion Ca++ trong hoạt động điện của tế bào.
Nhiều thực nghiệm đã cho thấy sự tham gia của ion Ca++ vào hoạt động điện của tế bào cụ thể là ion Ca++ tham gia khử cực màng các loại tế bào, kể sau bị kích thích: tế bào cơ trơn, cơ lim, nơron một số loại động vật có xương sống. Tính chất chung đối với những loại tế bào này là sự tồn tại của kênh "Canxi" và điện thế hoạt động có bản chất NatrṩCanxi.
Nhiều nhà nghiên cứu đã giả thiết rằng ở màng tồn tại các kênh dẫn "nhanh và "chậm", khi tế bào bị kích thích các kênh đẫn "nhanh" cho dòng ion Na+ đi vào tế bào và hình thành giai đoạn đầu của điện thế hoạt động, sau đó các kênh dẫn chậm sẽ tiếp tục cho ion Na+, Ca++ đi qua hoàn thành quá trình khử cực. Chính sự có mặt của các nhóm có ái lực khác nhau đối với các ion thấm ở kênh mà kênh có thể cho ion này đi qua và giữ các ion khác lại.
- Bên cạnh đó người ta cho rằng ion Ca++ có tham gia vào cấu trúc lớp ngoài màng tế bào. Khi tế bào ở trạng thái kích thích, lượng ion Ca++ trong màng giảm đi, do đó tính dẫn điện cũng như tính thấm của màng tế bào thay đổi. Ðể hiểu rõ điều này cần nghiên cứu những biến đổi về cấu trúc của protein hoặc phospholipid, là những đại phân tử mà ion Ca++
có thể đến kết hợp, khi tế bào từ trạng thái nghỉ ngơi chuyển sang trạng thái hoạt động (hình 4.11).
II. Ghi điện sinh vật
2.1. Biến đổi tín hiệu không điện thành điện
- Biến đổi quang điện: biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng thông qua tế bào quang điện.
- Quang trở: vật liệu được sử dung có tính chất thay đổi giá trị điện trở khi có ánh sáng chiếu vào.
- Biến đổi điện dung, điện cảm: sử dung sự thay đổi điện dung của tụ điện, từ đó gây ra một biến thiên điện. hay dựa vào hiện tượng thay đổi điện cảm của cuộn dây có lõi sắt khi có sự dịch chuyển tương đối giữa cuộn dây và lõi sắt.
- Biến đổi nhiệt điện: dựa vào hiện tượng nhiệt điện giữa hai kim loại tiếp xúc nhau, hai kim loại khác nhau tiếp xúc nhau sẽ hình thành một hiệu điện thế gọi là hiệu điện thế tiếp xúc. Dòng điện có thể được sinh ra dựa vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối hàn.
- Biến đổi áp điện: một số tinh thể có tính chất tạo nên một hiệu điện thế giữa hai mặt khi có tác dụng cơ học nén hoặc kéo.
2.2. Khuếch đại tín hiệu điện
Thông thường tín hiệu nhận được từ cơ thể rất yếu, để có thể nhận biết được cần phải tăng độ lớn của tín hiệu lên. Việc đó có thể thực hiện được dựa vào mạch khuếch đại tín hiệu.
Mạch khuếch đại cơ bản dùng transitor
Mạch khuếch đại thuật toán
2.3. Một số kỹ thuật ghi điện sinh vật
2.3.1.Ghi bằng dao động kí
2.3.2.Bộ ghi cơ
Hoạt động: một bút vẽ được điều khiển bằng hệ thống điện, hệ thống này nhận tín hiệu thông qua một đầu đo (đầu đo có tác dụng biến đổi tín hiệu không điện thành điện), qua một mạch khuếch đại trước khi đến hệ thống điều khiển.
Có thể sư dụng các phương pháp trên để đo các bộ phận trên cơ thể:
a. Ghi điện tim: để ghi được điện tim ta phải chon hai điểm có độ chênh lệch điện thế lớn. chênh lệch gữa hai điểm trên cơ thể gọi là chuyển đạo điện tim. Các chuyển đạo mấu đo được đặt tên là:
- Chuyển đạo DI ghi hiệu điện thế giữa tay trái và tay phải
- Chuyển đạo DII ghi hiệu điện thế giữa tay phải và chân trái
- Chuyển đạo DIII ghi hiệu điện thế giữa tay trái và chân phải
Ngoài ra còn có các chuyển đạo trước tim và chuyển đạo đơn cực các chi.
b. Ghi điện não
Song điện não là những dao động có tần số, biên độ, hình dạng khác nhau. Có thể phân loại song não theo các quan niệm khác nhau. Dưới đây là một trường hợp phân loại song não:
- Sóng delta: 0,5-0,3Hz trong trường hợp đang ngủ hay bệnh lý, song này thường được ghi ở phần sau của não.
- Sóng teta: 4-7Hz thường gặp ở trẻ con, với người khỏe mạnh khó phát hiện loại song này.
- Sóng alpha: 8-13Hz xuất hiện ở người lớn khỏe mạnh.
- Sóng beta: 14-30Hz ghi được trên đa số người, tuy nhiên trên người khỏe mạnh tỷ lệ này rất nhỏ.
- Sóng gama: 30-50Hz
c. Ghi điện cơ
Ở người khỏe mạnh, dung điện cực kim xuyên vào cơ có thể đo được điện thế hoạt động của một đơn vị vận động co cơ yếu.
d. Ghi điện võng mạc
Theo Dubois Raymond bình thường giữa giác mạc và đáy mắt có một hiệu điện thế tĩnh khoãng 4-10µV. khi chiếu một luồng sang mạnh vào mắt thì làm phát sinh một chuỗi xung điện đặc biệt có thể ghi nhận được. hình dưới đây cho biết điện võng mạc đồ bình thường và bệnh lý.
III. Tác dụng sinh lý và ứng dụng của dòng điện một chiều
1.1.Dòng điện là gì ?
Dòng điện là sự dẫn truyền có hướng của các điện tích trong môi trường vật chất hoặc trong chân không. Trong vật rắn là điện tử tự do, trong chất lỏng và chất khí là các ion.
Trong tự nhiên người ta chia các chất thành 3 loại : dẫn điện, bán dẫn và cách điện. Tùy hướng dẫn truyền của điện tích, ta có dòng điện một chiều khi hướng vận động không đổi và dòng điện xoay chiều khi điện tích luôn thay đổi hướng vận động.
1.2.Cơ chế tác dụng của dòng điện một chiều
Khi dòng điện một chiều đều đi qua cơ thể, giữa các điện cực có một điện trường hằng định làm cho các ion (và các phân tử có ion bám vào) di chuyển, đồng thời có sự di chuyển các phân tử nước về cực âm. Tốc độ di chuyển các ion không đều, ion điện tích ít, trọng lượng nhỏ, ion vô cơ di chuyển nhanh hơn. Tốc độ các ion xuyên qua màng tế bào phụ thuộc vào kích thước ion sau khi đã hút nước, cho nên độ tích điện của các tế bào, tổ chức ở các màng ngăn có sự thay đổi lớn, các ion lớn bị chặn lại, còn các ion kích thước nhỏ thì vận chuyển xa hơn.
Theo thuyết "kích thích do ion", sự tập trung các ion natri và kali ở cực âm (–) làm tăng sự kích thích tế bào do tính thấm màng tế bào tăng. Các ion canxi, magiê tụ tập ở cực dương (+) làm giảm sự hưng phấn tế bào và làm các khe kẽ màng tế bào bịt kín lại. Các ion hyđrô tập trung ở cực âm (–), ion oxy ở cực dương (+). Sự thay đổi mật độ các ion ảnh hưởng đến sự phân tán của các chất dạng keo, làm chúng đẩy hoặc hút nhau mạnh hơn. Các ion hyđrô và nhóm hyđrôxin (OH) quyết định quá trình di chuyển ion từ môi trường ngoài tế bào vào trong tế bào và sự chuyển hóa các ion trong tế bào. Sự thay đổi pH do tăng số lượng các phân tử chất điện giải chưa phân ly cũng kép theo sự thay đổi sức thấm qua màng tế bào.
Sự thay đổi về ion (bố trí, vận động, tính chất …) nói trên là cơ sở cho tác dụng sinh lý của dòng điện một chiều đều :
– Sự thay đổi về ion của các lớp trên cùng của da do dòng điện một chiều gây ra, trước hết gây kích thích các cảm thụ da, tạo nên hiện tượng cảm giác kiến bò, kim châm, nóng rát.
Các cảm giác này được đưa về các trung tâm trong tủy sóng và não. Phản ứng phản xạ tiếp theo là sự giãn mạch ở vùng đặt điện cực kéo dài hàng giờ sau khi cắt dòng điện. Bản thân yếu tố tăng tuần hoàn có tác dụng điều trị cao (tăng dinh dưỡng chuyển hóa, thải trừ các chất có hại …, làm giảm phù nề, giảm đau …) nó còn tạo ra histamin và nhiều chất có tác dụng sinh học như axêtylcholin … làm thay đổi các quá trình chuyển hóa dinh dưỡng và là nguồn gốc của nhiều phản xạ khác.
– Ở các tổ chức nằm trong đường điện di (nói cách khác là đường sức của điện
trường), cũng có sự di chuyển, tập trung ion ở hai mặt các màng ngăn làm tăng sức cản dòng điện và là nguyên nhân kích thích các cơ quan cảm thụ nội trong mạch máu và phủ tạng, đầu mối của nhiều phản xạ phức tạp tạo nên sự điều hòa tuần hoàn dinh dưỡng, điều hòa trương lực cơ xương, cơ phủ tạng và thành mạch, điều hòa bài tiết và tác dụng giảm đau.
– Đáng chú là tác dụng điện một chiều đều, dùng theo cách thông thường trong vật lý trị liệu phụ thuộc đáng kể vào lượng điện tích âm đưa vào cơ thể, nói một cách khác là phụ thuộc vào cường độ, thời gian và bề mặt điện cực. Khi dòng điện quá yếu (dưới ngưỡng) các hiện tượng và tác dụng sinh lý nói trên không quan sát được vì nó chưa đủ gây ra các phản ứng của cơ thể.
1.3.Chỉ định của dòng điện một chiều
– Tăng cường điều hòa hoạt động thần kinh thực vật và các quá trình hoạt động thần kinh cao cấp trong suy nhược thần kinh, mất ngủ, thay đổi tính tình v.v…
– Tăng cường tuần hoàn dinh dưỡng ở một bộ phận chi thể trực tiếp hoặc phủ tạng ở sâu bằng phản xạ gián tiếp qua một tiết đoạn thần kinh, để đạt tới mục đích cuối cùng là phục hồi chức năng hoặc loại trừ quá trình bệnh lý tại bộ phận đó.
– Dùng để đưa các ion thuốc vào cơ thể bằng hiện tượng điện phân thuốc. Phương pháp có ưu điểm là kết hợp và nhân lên nhiều lần tác dụng của thuốc với tác dụng của dòng điện, được sử dụng rất rộng rãi trong điều trị điện.
– Dùng tác dụng gây bỏng tại điện cực âm để đốt các chân lông mi xiêu vẹo, các hạt cơm, nốt ruồi.
1.4.Tác dụng của dòng điện một chiều trong điện châm
Khi cho dòng điện một chiều qua kim châm cứu vào cơ thể, có những đặc điểm sau : – Dòng điện được đưa trực tiếp ngay tới các tổ chức tế bào của cơ thể.
– Dòng điện được đưa ngay vào các huyệt, các nơi của cơ thể có một mẫn cảm đặc biệt, nơi tập trung "khí" theo học thuyết kinh lạc, nơi đó có rất nhiều sợi thần kinh cảm giác và có liên quan đến phủ tạng theo những phát hiện của y học hiện đại.
– Hiện tượng nổi bật nhất trong những hiện tượng nói trên khi ta cho dòng điện qua kim vào cơ thể là hiện tượng điện phân và hiện tượng hủy hoại tổ chức do bỏng hóa học.
Hiện tượng bỏng này xảy ra dọc phần kim đâm vào tổ chức, nhưng do dòng điện rất nhỏ nên các tổn thương không nhiều. Lúc rút kim ra, các tổ chức bị hủy hoại đóng vai trò một vật kích thích đối với huyệt đó trong một thời gian (hàng tuần).
– Tác dụng giảm đau, giảm co thắt tại cực dương và tác dụng hưng phấn, tăng trương lực tại cực âm vẫn tồn tại rõ rệt.
Vì những đặc điểm nêu trên, nhất là những hiện tượng điện phân gây bỏng tổ chức, nên thường chỉ dùng dòng điện một chiều đều cho điều trị các bệnh mạn tính. Châm một lần có tác dụng trong 5 – 7 ngày. Do bệnh mạn tính phải điều trị hàng tháng, thậm chí hàng năm số lần châm cứu như vậy không quá nhiều và bệnh nhân chịu đựng được dễ hơn.