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Heiko Breiner
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1 Biosignalerfassung Olaf Eick Themen der Vorlesung Bioelektrische Signale Entstehung/Ursprung Aktionsimpuls und Weiterleitung Impulsübertragung über Synapsen Formen bioelektrischer Signale EKG, EEG, ERG, EMG, MEG, ENG Ableittechniken, Elektroden Grenzflächenphänomene Meßverfahren und Verstärkerschaltungen Herzschrittmacher Defibrillator

2 Literaturempfehlung Medizintechnik, Rüdiger Kramme, Springer Verlag Medical Instrumentation-Application and Design, Webster, Wiley & Sons Vorlesung Biosignalerfassung - Bioelektrische Signale- Olaf Eick

3 Biosignale Bioelektrische Signale

4 Ursprung bioelektrischer Signale ZNS Informationsnetz Sinneseindrücke und Muskelaktivitäten sind mit ZNS und untereinander verbunden Sinneszellen, Nervenzellen und Muskelzellen sind elektrisch aktiv und sind Quelle, Leiter sowie Empfänger bioelektrischer Signale Etwa 100 Milliarden Nervenzellen im Körper Ursprung bioelektrischer Signale

5 Aufbau einer Nervenzelle Zellkörper Zellkern Zellbestandteile (Stoffwechsel) Dendriten Aufnahme von Nervensignalen anderer Zellen Axodendritische Synapsen Kopplung zwischen verschiedenen Zellen Axone Bis zu einem Meter lange Nervenfaser markhaltig/marklos Zellaufbau

6 Zellaufbau Zellkern DNA mit Chromosomen Endoplasmatische Reticulum Bildung von Polypeptiden (Proteine aus vielen Aminosäuren) Mitochondrien ATP-Bildungsstelle Vesikel enthalten Proteine Lysosomen enthält lysierende Fermente (unspezifische Abwehr) Zellaufbau Cytosol Hälfte des Zellvolumens 20 Gewichtsprozent Eiweiß (gelatineartig) In wäßriger Phase sind Moleküle gelöst (anorganische und organische Ionen)

7 Zellmembran Zellmembran Lipiddoppelschichten Phospolipide Glykolipide Cholesterin

8 Intra- und extrazelluläre Ionenkonzentrationen Austauschprozesse Diffusion ist für die meisten Moleküle in wäßriger Lösung der wichtigste Austauschprozess über kleine Entfernungen Dies gilt auch für die Zelle, soweit die Diffusion nicht durch Membranen behindert wird Viele Stoffe können frei durch die Lipidmembran diffundieren H 2 O, O 2 und CO 2 lipidlösliche Stoffe kleine polare Moleküle wie Äthanol und Harnstoff (Zucker nicht!)

9 Schema der Diffusion Schema der Diffusion Konzentrationsunterschiede gleichen sich durch Diffusion aus Bei 2 flüssigkeits- oder gasgefüllten Räumen, in denen ein Stoff die Konzentrationen c 1 und c 2 hat, und die durch eine Schicht mit der Fläche A und der Dicke d getrennt sind, ist der Fluß des Stoffes m in der Zeit t nach dem ersten Fickschen Diffusionsgesetz gegeben! dm / dt A = D Δc d

10 Austauschprozesse Für geladene Moleküle ist die Lipidschicht praktisch impermeabel Für Nicht-Elektrolyte ist es üblich, in die Diffusionsgleichung die Charakteristika der Membran und des zu diffundierenden Stoffes durch die Permeabilität P zusammenzufassen Permeabilitäten dm/dt = P A Δc

11 Diffusion durch Membran Diffusion durch Membran Ionen, Zucker, Aminosäuren und Nucleotide kreuzen die Membran durch eingelagerte Transportproteine Transportprotein ist durch einen 1 nm großen wassergefüllten Kanal durchzogen Substanzen diffundieren entlang des Konzentrationsgradienten

12 Diffusion durch Membran Geladene Moleküle werden durch Kanalpotential beeinflusst Kanäle sind spezifisch für verschiedene Ionen Kalium- Natrium- und Calciumkanäle Selektivität durch Ladungen und Bindungsstellen an Wänden der Kanäle Diffusion durch Membran Kanäle können spontan und hochfrequent zwischen offenen und geschlossenen Zuständen wechseln K + -Kanäle: Ströme von etwa 2pA während einiger Millisekunden (einige 1000 Ionen)

13 Energieprofil eines Kanals Energieprofil eines Kanals Die Abszisse ist der Weg durch den Kanal von einer Außenlösung mit der Ionenkonzentration ca und dem Potential 0, zu der Innenlösung mit ci und dem Potential E. Die Ordinate gibt das Energieniveau des Ions an der betreffenden Stelle des Kanals an, ein Gipfel bedeutet eine Permeationsschranke, die ein Ion nur mit viel Energie überwinden kann, und eine Senke einen relativ stabilen Zustand, eine Bindung.

14 Energieprofil eines Kanals Trotz der hindernden Energiegipfel kann ein Ion passieren, wenn sich das Energieprofil innerhalb des Kanals spontan und zyklisch verschiebt, das Ion kann plötzlich auf der anderen Seite des Gipfels liegen und permeieren. Je nach Ladung, Größe und Wasserhülle des Ions und möglichen Bindungen an Wandstrukturen wird das Energieprofil durch den Kanal für verschiedene Ionen unterschiedlich sein, wodurch die Selektivität der einzelnen Kanaltypen erklärt werden könnte. Gleichgewichtspotential Nernst-Gleichung E ion = RT zf ln c c ex in

15 Gleichgewichtspotential Nernst-Gleichung Durch Diffusion von geladenen Molekülen werden elektrische Ladungen transportiert Ein elektrisches Feld entsteht, daß dem Konzentrationsgefälle entgegenwirkt Nernst-Gleichung erlaubt Berechnung des Gleichgewichtszustandes E ion = RT zf ln c c ex in Aktionsimpuls

16 Im Intrazellulärraum ist die K-Konzentration ca. 30 mal höher als extrazellulär, bei Na ist das Verhältnis umgekehrt. Beim Eintreten einer Erregung ändert sich die Membranpermeabilität, und positiv geladene Na-Ionen können rasch aufgrund des elektrochemischen Gradienten durch die Membran in die Faser einfließen (Phase 0). Das Aktionspotentialplateau stellt sich aufgrund der sinkenden Membranleitfähigkeit für Natrium und Kalium ein. Darauf folgt die Repolarisation, die Wiederherstellung des normalen Ruhepotentials.

17 Zur Aufrechterhaltung des normalen Konzentrationsgradienten der Na und K-Ionen ist ein aktives Transportsystem nötig. Über diese Natrium-Kalium-Pumpe muß das in die Zelle eingeströmte Na abgegeben und äquivalente Menge Kalium zugeführt werden. Kleine Übungsaufgabe zum Thema "Aktionspotential"

18 Gegebene Größen: c ex (Kalium):4mmol/l; c in (Kalium): 155 mmol/l; : 1 Gegebene Konstanten: R: J mol -1 K -1 ; F: C mol -1 ; e: C; ε 0 : As/Vm Gegebene Formeln: E ion = RT zf c ln c ex in Nernst-Gleichung ε A Q = C U; C 0 ε = (Kapazität eines Plattenkondensators); Kugeloberfläche A=4πr 2 d Annahmen: Kugelige Zelle mit einer Membrandicke d: 10-9 m und einem Durchmesser D: 10μm, dessen Kapazität sich wie die eines Plattenkondensators verhält. 1) Berechnen Sie unter Anwendung der Nernst-Gleichung die Gleichgewichtsspannung über der Zellmembran aufgrund des Kalium Konzentrationsunterschiedes 2) Berechnen Sie die Anzahl der Elementarladungen, die für diese Potentialdifferenz im Überschuß vorhanden sein müssen Permeabilität Leichtigkeit, mit der Teilchen durch eine Membran diffundieren könne! P = μrt df μ: Membranbeweglichkeit des Ions d: Dicke der Membran

19 Goldmann-Gleichung E m = RT F ln P P K K [ K [ K + + ] ] i a + P + P Na Na [ Na [ Na + + ] i ] a + PCl[ Cl + P [ Cl Cl ] a ] i Mit Hilfe der so definierten Permeabilität kann das Membranpotential E m berechnet werden, wenn gleichzeitig K +, Na +, und Cl - -Ionen fließen, wobei die Membran für diese die Durchlässigkeit P K, P Na und P Cl hat. Na-Pumpe

20 Na-Pumpe Membranproteine transportieren Ionen über die Membran entgegen dem Konzentrations- oder elektrischen Gradienten Verbrauch von Stoffwechselenergie Na-K-Pumpe verbraucht ca % des Zell- Energiebedarfs Na-Pumpe An Innenseite wird ATP in ADP gespalten und Energie frei 3 Na + aus der Zelle und gleichzeitig 2 K + in die Zelle -> 1 Ladung pro Pumpzyklus 150 bis 600 Na + werden pro Sekunde umgesetzt

21 Impulsübertragung Fortleitung in markhaltigen Nerven Impulsübertragung Normale Zellmembran in kurzen Abschnitten (Ranvier- Schnürringe) Dazwischen liegen Internodien aus vielen Schichten, die Membranwiderstand erhöhen Nahezu verlustfreie Ausbreitung des AP entlang Internodien Erhöhung der Leitungszeit

22 Übertragungsgeschwindigkeit Erregungsübertragung von Zelle zu Zelle Präsynaptisches Neuron Synaptischer Spalt Postsynaptische Zellmembran

23 Erregungsübertragung von Zelle zu Zelle 1. Acetylcholin (ACh) wird durch einen Aktionsimpuls in der Synapse durch die Membran in den interzellulären Bereich zwischen den beiden Nerven freigesetzt (präsynaptisches Neuron). Dort diffundiert es zu dem anderen Neuron (postsynaptisches Neuron), erhöht dort die Kaliumpermeabilität, die zu einer Überschreitung der Schwellspannung und damit zu einem Aktionsimpuls führt. Erregungsübertragung von Zelle zu Zelle 2. Das Enzym Cholinesterase im Zellzwischenraum zerlegt ACh wieder in Cholin und Essigsäure, die vom präsynaptischen Neuron aufgenommen werden. Dort wird wieder ACh synthetisiert und bereitgehalten. Die Synapsen befinden sich sowohl zwischen Nerven und Muskelfasern (motorische Endplatten), als auch zwischen Nervenfasern.

24 Acetylcholin O + H 3 C -C -O -CH 2 -CH 2 -N -(CH 3 ) 3

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