Bioelectrónica 2: potencial de acción y ECG

Abrimos un segundo capítulo en la teoría de bioelectrónica. Empezamos fuerte con el primer término:

Potencial de acción

Es una descarga eléctrica que despolariza la membrana de las células excitables (cambia la distribución de las cargas). Es el “quántum” (la unidad) de información en el sistema nervioso.

Algunas células especializadas, como neuronas y células musculares, poseen membranas excitables que presentan grandes cambios transitorios en su conductancia en respuesta a estímulos despolarizantes, produciendo el impulso de potencial intracelular que llamamos potencial de acción.

Este fenómeno sólo se produce si el estímulo es capaz de elevar el potencial intracelular hasta cierto umbral de disparo. Luego el potencial de acción ya evoluciona independientemente de la presencia del estímulo.

Las neuronas, por ejemplo, tienen un umbral típico de -60 mV, y algunos músculos de -30 mV.

La evolución del potencial de acción es la siguiente:

  • Una vez se logra la despolarización suficiente se abren los canales de sodio, de forma que los iones de sodio entran en masa, elevando rápidamente el potencial intracelular, hasta que se llega al potencial de equilibrio (que se mencionó en el anterior capítulo), y se frena la entrada de iones.
  • Después se abren con retardo las vías de potasio, de forma que fluyen iones de potasio hacia el medio extracelular, disminuyendo el potencial de membrana (repolarización), finalmente se alcanza el potencial de equilibrio del potasio, y el potencial de membrana retorna asintóticamente al reposo.

En resumen, el potencial intracelular cambia drásticamente, se hace transitoriamente positivo y luego retorna al reposo.

Según esto, al final habría un exceso de sodio y una falta de potasio, pero se corrige por las bombas electrogénicas (transportadores activos también mencionados anteriormente)

Periodo refractario

Una vez se produce el disparo y se genera un potencial de acción, la membrana no responderá a más estímulos hasta pasado un intervalo de tiempo llamado periodo refractario. El periodo depende de la intensidad del segundo estímulo, así que se define un periodo refractario absoluto como el tiempo durante el cual la membrana no responde a ningún estímulo por potente que sea, y otro relativo, donde todavía se pueden disparar los potenciales de acción.

Propagación del potencial de acción

El potencial de acción no es algo que ocurra localmente, sino que se propaga.

La velocidad depende de la sección o el diámetro del canal por donde se transmita.

Potencial extracelular

El potencial de acción se propaga por fibras nerviosas o musculares, y da lugar a unas corrientes iónicas que cambian el potencial en el medio exterior. Estos potenciales son los que se miden para el diagnóstico clínico.

Para poder calcular este potencial se tienen en cuenta el potencial de acción intracelular y un modelo matemático de la membrana celular, que se modeliza como un dipolo.

Potenciales generados por el corazón

Ya entramos en la parte interesante. El corazón tiene dos fibras capaces de generar potenciales de acción: las fibras musculares responsables de la contracción y unas fibras de conducción especializadas encargadas de propagar los potenciales por todo el miocardio.

Como es muy complejo para hacer cálculos, que no veremos aquí, se recurre a modelos promediados, y se toma el tórax como un conductor ilimitado y homogéneo.

Electrocardiograma

Ahora vamos a hablar del órgano “más importante” de nuestro cuerpo, el que le da vida a todo, bombeando la sangre, tanto oxigenada como no, entre el resto de órganos y extremidades para que las células puedan continuar su funcionamiento.

Las partes que nos interesan son las fibras que transmiten los potenciales, señaladas en azul:

Fuente: wikipedia

Fuente: wikipedia

Estos potenciales de acción pueden provenir tanto del sistema vegetativo del cerebro como del nódulo sinoauricular, el reloj del corazón, por lo que podemos estar tranquilos de que alguno de los dos o incluso el resto de fibras en su defecto cumplan su función y den la señal a tiempo.

Entonces, como ya he comentado antes, el potencial se genera en el nódulo sinoauricular y se propaga por el resto de fibras, dando una señal típica en la que se pueden diferenciar varios tramos:

Fuente: wikipedia

Fuente: wikipedia

Fuente: wikipedia

La onda P: se despolarizan (contraen) las aurículas. Es en realidad la superposición (suma) de la despolarización de la aurícula derecha, al principio, y la aurícula izquierda al final. La repolarización no se observa porque la tapa el complejo QRS.

  • Hay una pequeña parada en el nódulo auriculoventricular, debido a que la geometría de las fibras que lo componen hacen la propagación más lenta.
  • Después el potencial se propaga rápidamente a través del haz de His, que se divide en una rama derecha y otra izquierda y por último en unas fibras llamadas fibras de Purkinje distribuidas por los ventrículos, causando la contracción de los estos (despolarización ventricular), y se observa en un complejo llamado QRS:
    • La onda Q es negativa y representa la pequeña corriente horizontal del potencial de acción que se desplaza a través del septum interventricular.
    • Las ondas R y S indican la contracción.
  • Finalmente, la onda T indica la repolarización de los ventrículos. La U también existe teóricamente pero nunca se observa porque es demasiado pequeña.

No os dejéis engañar por los signos “típicos” del ECG: dependen totalmente de la posición de los electrodos, como se observa en éste:

ecgmulti

Con tantas derivaciones se logra calcular la posición, tamaño y orientación del corazón, que para cada persona son distintas.

Próximamente veremos qué electrodos se usan para tomar las señales bioeléctricas, además de ver los principales circuitos de adecuación, que ya los tengo listos para calcular los componentes y montar en prototipo.

Bioelectrónica: introducción y primeros puntos

Bienvenidos todos de nuevo.

Estoy abriendo un nuevo apartado que va a introducir a la bioelectrónica. La asignatura todavía no ha comenzado, pero mi trabajo de fin de grado va a tratar sobre la adquisición y adaptación de señales bioelectrónicas y tengo que adelantar trabajo, así que he estado estudiando por mi cuenta de un libro que me recomendaron llamado “Bioelectrónica” de JM Ferrero.

La cuestión es que voy a introducir todo lo que pueda o sepa, quizás me equivoco en algo, y luego modificaré sobre lo que ya tenía escrito.

Ahora las cosas van a ser muy teóricas, ya aviso de antemano: no querréis ver las ecuaciones que se extraen de todos los estudios. En algún momento las pondré, pero en principio solo las voy a mencionar. Comencemos de una vez.

Características de las señales bioelectrónicas

Para empezar, ya habréis deducido que las señales van a ser algo especiales. No es simple tomar la diferencia de potencial entre dos puntos que es creada por un conjunto de células haciendo un intercambio de iones con el medio, y que además se ha tenido que transmitir cierta distancia por el cuerpo. En la siguiente tabla se encuentran cuatro señales y sus características, amplitud y ancho de banda, además de la técnica que se suele usar para su captación:

tablabio

Los más usados vienen a ser los electrodos de superficie. Son placas metálicas que se ponen en contacto directo con la piel o a través de un gel conductor. También están los electrodos de aguja, que se insertan directamente en el tejido a estudiar, no tan agradables.

El problema de estas señales, como entenderéis, es que están muy contaminadas por interferencias. El cuerpo completo de un paciente es un conductor y tiende a captar todo lo que se le acerca, sobre todo el ruido de 50 Hz proveniente de la red. También interfieren otras señales bioeléctricas.

El siguiente problema es que en ocasiones no se puede usar filtros porque estos acaban deformando también la señal que queremos obtener. Para lograrlo, se diseñan nuevos circuitos específicos denominados bioamplificadores, que explicaré más adelante cuando tenga información sobre ellos.

¿Para qué sirve la bioelectrónica?

Si la introducción no os ha parecido muy alentadora, ahora vamos a ver algo bonito. Algunas de las aplicaciones de la bioelectrónica son:

  • El diagnóstico
  • La mejora de medios para el tratamiento
  • Creación de sistemas de ayuda funcional (como la sustitución de la función renal por ejemplo)
  • Creación de prótesis electrónicas
  • Y un nuevo campo que se está investigando, los biosensores, que serían capaces de registrar variables biológicas en todo el entorno.

Ahora volvamos a otro punto teórico antes de dejarlo por hoy.

Conducción eléctrica en fluidos del organismo

Hasta ahora nos hemos estado enfrentando a cálculos y aplicaciones donde los portadores de carga eran electrones. Esto simplificaba mucho las cosas porque tienen una carga fija y una velocidad casi próxima a la de la luz, lo que hace su transferencia casi instantánea. Siendo buenos ingenieros, despreciaremos lo de casi.

Ahora entramos en un campo donde los portadores de carga son iones hidratados, que tienen un peso y un volumen mucho mayores que los electrones. Además se mueven en un medio líquido que afecta a la movilidad.

Para hacerlo peor, los iones suelen ser positivos o negativos, hay una variedad importante de portadores que complica el estudio.

Por último, existen unos mecanismos de transporte activo que impulsan las partículas en sentidos contrarios al del potencial eléctrico (estos mecanismos serían como fuentes de alimentación).

Los dos mecanismos activos de transporte son:

  • La bomba de sodio: transfiere iones de dentro de la célula al medio extracelular
  • La bomba de potasio: transporta iones del medio extracelular al interior

En este medio que se presenta, las partículas tienen un movimiento caótico (aleatorio) a la vez que se transportan por difusión (un desplazamiento en dirección opuesta al gradiente de concentración, es decir, tienden a estar menos concentradas)

Por ello se define el siguiente concepto, el potencial de equilibrio: es una diferencia de potencial que cuando se aplica entre dos medios frena la difusión de un determinado ion. Se puede calcular teóricamente pero los resultados experimentales no dan lo mismo, debido a los medios de transporte activo que cambian la concentración de los iones.

Veremos la importancia de esto más adelante.