Устройство для моделирования работы мембраны клеток синусового узла сердца

 

Изобретение относится к области экспериментальной медицины, а именно к экспериментальной электрокардиофизиологии, и может использоваться для изучения процессов, протекающих в мембранах клеток синусового узла в норме и патологии. Технический результат изобретения - простота конструкции устройства и то, что в нем учтены индуктивные свойства и вольт-амперная характеристика мембраны клетки. Устройство содержит элемент ЭДС, резистор, конденсатор, полупроводниковый элемент в виде туннельного диода, элемент индуктивности, выключатель и регистратор сигнала. 2 ил.

Изобретение относится к области экспериментальной медицины, а именно экспериментальной электрокардиофизиологии, и может использоваться для изучения процессов, протекающих в мембранах клеток синусового узла (СУ) в норме и патологии.

Известно устройство, моделирующее работу мембраны клетки СУ, предложенное Головко [1], которое включает элементы электродвижущей силы (ЭДС) в количестве пяти, резистор, представленный двумя переменными резисторами, конденсатор и полупроводниковый элемент, представленный тремя односторонними стабилитронами.

Однако известное устройство имеет ряд недостатков и по мнению авторов не может давать истинное представление о работе мембраны клетки СУ.

В данном устройстве (прототипе) количество параллельных токовых цепочек жестко (однозначно) связано с количеством разнотипных ионных каналов в мембране, поэтому прототип не годится для моделирования работы мембраны с другим количеством разнотипных ионных каналов [2]. Не учтены индуктивные свойства мембраны и ее вольт-амперная характеристика (ВАХ). Известное устройство представляет собой достаточно сложную конструкцию (11 элементов), неудобную для математического и практического анализа. В прототипе с данным набором элементов (емкость, ЭДС, переменные сопротивления, одинаковые стабилитроны) не могут возникнуть периодические колебания [3] - основное свойство клеток СУ [4].

По мнению авторов в устройстве, моделирующем работу мембраны клетки СУ, должны быть отражены колебательные свойства (периодичность, разрывность колебаний) в мембране, а также основные биофизические свойства мембраны: индуктивность, емкость, электросопротивление, ВАХ, ЭДС.

Техническим результатом изобретения является создание устройства, моделирующего работу мембраны клетки СУ, исключающего вышеупомянутые недостатки прототипа и в то же время отражающего основные биофизические свойства мембраны клетки СУ.

Это достигается тем, что в устройство для моделирования работы мембраны клетки СУ, включающее элемент ЭДС, резистор, конденсатор, полупроводниковый элемент и регистратор сигнала, введены элемент индуктивности и выключатель, при этом элемент ЭДС, резистор, элемент индуктивности, конденсатор и выключатель соединены друг с другом последовательно, а полупроводниковый элемент, выполненный в виде туннельного диода, соединен параллельно, как и регистратор сигнала с конденсатором.

Схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 1.

На фиг. 1 изображены: последовательно соединенные элемент ЭДС 1, резистор 2, элемент индуктивности 3, конденсатор 4 и туннельный диод 5, соединенный параллельно с конденсатором 4, регистратор сигнала 6, выключатель 7.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Электрически соединив последовательно элементы ЭДС 1, резистор 2, индуктивность 3, конденсатор 4 и параллельно подключив к конденсатору 4 туннельный диод 5 и замкнув ее выключателем 7, получаем рабочую схему, которая при некоторых числовых параметрах элементов генерирует периодические разрывные электрические колебания на выходе (фиг. 2a), поступающие на регистратор сигнала 6.

Возникновение таких колебаний достигается подбором величин сопротивления резистора 2 и ЭДС 1 так, чтобы в рабочей точке на ВАХ туннельного диода 5 (т.е. на падающем участке кривой ВАХ) дифференциальное сопротивление туннельного диода 5 было больше величины сопротивления резистора 2.

Варьируя значения сопротивления резистора 2, ЭДС 1, индуктивности 3, емкости конденсатора 4 и применяя туннельные диоды с различными ВАХ, можно получить различную частоту и форму колебаний на выходе регистратора 6, в том числе частоту и форму колебаний, которые отображают работу мембраны клетки СУ.

Основные физические процессы при работе устройства таковы: при замыкании ключа происходит периодическое превращение магнитной энергии (в индуктивном элементе 3) в электрическую энергию (в конденсаторе 4) и наоборот. Это реализуется в виде электромагнитных колебаний. При этом потери энергии в цепи (через резистор 2) за период колебаний компенсируются подкачкой энергии за счет отрицательного дифференциального сопротивления туннельного диода и колебания не затухают, что иллюстрируется кривой (а) на фиг.2.

На этой кривой (фиг.2a) показаны периодические разрывные колебания, генерируемые предлагаемым устройством, а на кривой 2б - естественные электрические колебания в мембране СУ [4]. Кривые (a) и (б) на фиг.2 аналогичны по основным свойствам (периодичность, разрывность). На обеих кривых наблюдаются медленные (пологие) восходящие участки, сменяющиеся быстрыми (крутыми) отрезками со сходными вершинами. Период их колебаний одинаков, т.е. формы кривых близки, что говорит в пользу адекватности предлагаемого устройства и мембраны СУ как генератора электрических колебаний.

Достоинства предлагаемого изобретения заключаются в следующем.

1. Простота конструкции - в схему включено минимальное количество стандартных радиотехнических элементов. Схема наглядна потому, что каждый ее элемент соответствует определенному биофизическому свойству мембраны клетки СУ. Она удобна с аналитической и практической точки зрения. Поэтому проще анализировать работу схемы.

2. Схема предполагает независимость от числа рассматриваемых ионных каналов в мембране клетки СУ. На ее вид не оказывает влияние количество рассматриваемых ионных каналов, известных и не известных на данный момент, их тонкая структура и свойства, а также и геометрическое строение мембраны.

3. Учтены индуктивные свойства мембраны клетки СУ, т.к. в мембране переменные токи создают магнитные поля [5]. Их энергия запасается в индуктивных элементах. Влияние магнитных потоков на создаваемые ими токи характеризуется индуктивностью.

4. Учтена ВАХ мембраны клетки СУ, т.к. важнейшим свойством возбудимых мембран является наличие падающего участка на кривой ВАХ. Иными словами, избирательные свойства возбудимой мембраны по отдельным видам ионов отражены в такой ВАХ. Т.о., ВАХ является интегральной характеристикой всех ионных канальных токов.

5. Удобство проверки работы устройства в различных начальных условиях, т. е. при различных значениях параметров элементов схемы. Иными словами, меняя какой-либо параметр, мы может наблюдать изменение характера колебаний на выходе устройства (схемы).

6. Перспективность для дальнейших разработок. Данное устройство может служить основой для создания новых устройств, моделирующих электрическую работу как отделом, так и всего сердца в целом.

Все это позволяет получить картину работы мембраны клетки СУ, максимально приближенную к соответствующему реальному биообъекту.

Источники информации 1. Головко В. А. Влияние ионов и температуры на генерацию ритма сердца позвоночных. - Л.: Наука, 1989. -150 с.

2. Шеперд Г. (Shepherd G.D.) Нейробиология: В 2 т.: Т. 1.

3. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э., Теория колебаний / Переработка и дополнение Н.А. Железцова. - М.: ГИФМЛ, 1959.

4. В.Гоффман, П.Крейнфилд. Электрофизиология сердца. - М., 1962.

5. Березовский В.А., Колотилов Н.Н. Биофизические характеристики тканей человека. - Киев: Наукова думка, 1990. - 223 с.

Формула изобретения

Устройство для моделирования работы мембраны клеток синусового узла сердца, включающее элемент ЭДС, резистор, конденсатор, полупроводниковый элемент и регистратор сигнала, отличающееся тем, что в него введены элемент индуктивности и выключатель, при этом элемент ЭДС, резистор, элемент индуктивности, конденсатор и выключатель соединены друг с другом последовательно с образованием замкнутой цепи, а полупроводниковый элемент, выполненный в виде туннельного диода, соединен параллельно, как и регистратор сигнала с конденсатором.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2