La membrana: circuito elettrico equivalente

La membrana: circuito elettrico equivalente

La membrana del miocita cardiaco può essere paragonata, dal punto di vista fisico, a un circuito elettrico con tre componenti:

Un condensatore () costituito da due strati conduttori (fluido intra ed extracellulare) separati dal doppio strato lipidico, impermeabile.

Alcune resistenze (R): i canali ionici (costituiti da complessi proteici incastonati nel doppio strato lipidico) producono delle perdite che rendono tale condensatore imperfetto.

Una batteria (o pila) il cui scopo è chiudere il circuito affinché il condensatore venga caricato, mediante la differenza di potenziale () innescata al suo interno dal passaggio di ioni potassio calcio e sodio.

Si distinguono due tipi di batterie:

Batteria al potassio: la si ha quando la membrana si trova a riposo in quanto il potenziale di membrana è simile a quello del potassio (), calcolabile mediante l'equazione di NERNST:

Batteria al sodio: la si ha quando la membrana è in attività, in quanto il potenziale di membrana () è prossimo a quello di equilibrio del sodio, come calcolabile dall'equazione di NERNST:

Analisi del vettore dipolo del cuore sul piano frontale

Strutture anatomiche come il nodo del seno, il nodo AV e il sistema di conduzione non sono visibili sull'E.C.G, né l'elettrocardiogramma  ci dà informazioni sulla

forza di contrazione del cuore. Quello che l'E.C.G. mostra è l'ampiezza e la direzione della somma di tutte le forze elettriche nel ciclo cardiaco.

Un vettore è la rappresentazione grafica di una forza diretta nella direzione di una freccia ; l'ampiezza della forza è rappresentata dalla lunghezza del vettore.

Un vettore elementare rappresenta la variazione di potenziale o differenza di potenziale di una singola cellula e ha una propria direzione. Il muscolo cardiaco,

è formato da migliaia di cellule e ogni cellula presenta una differente, ben definita direzione e ampiezza del suo potenziale elettrico. Se ognuno di questi vettori fosse registrato dall'elettrocardiogramma , il tracciato sarebbe fitto di vettori e sarebbe

impossibile la lettura. Migliaia di vettori elementari sono nello stesso tempo diretti verso differenti direzioni essi possono essere riassunti e rappresentati da un vettore somma. Il concetto vettoriale considera che  i molti minivettori (vettori elementari), generati dal cuore, rappresentino un campo elettrico. Se durante il ciclo vengono registrate tutte le forze elettriche prodotte dal cuore in ogni momento, si ottiene un ansa (ansa vettoriale).Nell'ansa vettoriale è possibile identificare un ansa atriale (P) e le anse della propagazione dell'eccitazione ai ventricoli (QRS) e della ripolarizzazione ventricolare (T). I molti vettori che contribuiscono ad ogni ansa (P,QRS,T) possono essere ridotti ad unico vettore somma che indica l'asse dell'eccitazione negli atri (asse della P), l'asse della propagazione dell'eccitazione nelle camere cardiache (asse T). La deflessione registrata in ogni derivazione dell'E.C.G. riflette il modo in cui la derivazione incontra il vettore cardiaco.

L'asse della propagazione dell'eccitazione nelle camere cardiache è anche chiamato asse elettrico del cuore. Da ricordare: un vettore che si dirige nella stessa direzione della derivazione su cui è proiettato produce una deflessione positiva ossia verso l'alto. Se esso è diretto in senso opposto rispetto alla derivazione la deflessione è negativa ossia verso il basso.

Il tracciato dell'E.C.G. ci dà informazioni su:

orientamento anatomico del cuore rispetto ai principali assi del corpo;

ampiezza relativa delle camere cardiache;

eventuali alterazioni di insorgenza e propagazione del fenomeno elettrico;

esistenza, localizzazione ed estensione di un danno ischemico del miocardio;

effetti di alterazioni delle concentrazioni elettrolitiche nel liquido interstiziale;

effetti di farmaci cardioattivi.

Queste informazioni si deducono analizzando forma, ampiezza e decorso temporale delle variazioni di potenziale originate a livello del cuore, che si possono registrare mediante macroelettrodi situati in varie sedi della superficie del corpo.

Fondamenti fisici dell'elettrocardiografia:

le quantità fondamentali dell'elettricità sono le cariche, positive o negative, e i mezzi che permettono la migrazione delle cariche elettriche sono detti mezzi conduttori;

la corrente elettrica è costituita dal passaggio di cariche elettriche attraverso la sezione del conduttore;

l'intensità di corrente è definita come il numero di cariche che attraversano la sezione considerata del mezzo conduttore nell'unità di tempo;

le cariche si muovono da un punto all'altro del conduttore se tra i due punti esiste una differenza di potenziale elettrico, e migrano da un punto a maggior potenziale ad uno a minore;

la differenza di potenziale (ΔV) tra due punti in un conduttore è espressa dal lavoro necessario per portare una carica unitaria positiva da uno di questo punti all'altro.

Linea di corrente

Nel caso di un filo metallico che collega due poli si ha movimento di cariche, e quindi di corrente, lungo una sola linea , rappresentata, dal filo metallico.

In una soluzione elettrolitica la corrente si muove lungo le innumerevoli linee che descrivono le cariche nel loro movimento nel mezzo conduttore e che si potrebbero rappresentare solo ricorrendo ad una rappresentazione tridimensionale.

I mezzi conduttori possono essere suddivisi in due classi:

I classe = conduttori allo stato solido in cui la corrente è generata dalla migrazione di elettroni;

II classe = conduttori allo liquido (soluzioni elettrolitiche) in cui la corrente è  generata dalla migrazione di ioni lungo innumerevoli linee di corrente.

Volume conduttore

Tutti i fluidi biologici degli organismi viventi sono soluzioni elettrolitiche ; il corpo umano può essere considerato come un mezzo conduttore di II classe.

Linee isopotenziali

E'sempre possibile registrare una differenza di potenziale tra i due punti disposti sulla stessa linea di corrente. Su una stessa linea di corrente non esistono mai due punti di ugual potenziali.

E'possibile invece non registrare differenza di potenziale tra due punti se questi sono posti su due linee distinte (punti isopotenziali).

Considerando un flusso di corrente in un volume conduttore di II classe, avremo, come suddetto, innumerevoli linee di corrente: anche in questo caso si potrà registrare sempre una differenza di potenziale tra due punti posti sulla linea di corrente. Se scegliamo un punto (A) in una linea di corrente, sarà possibile trovare su ognuna delle altre linee di corrente un punto con lo stesso potenziale (A'). Scelto un punto su una linea di corrente esisteranno innumerevoli allo stesso potenziale nel volume conduttore.

Se colleghiamo tutti questi punti otteniamo una LINEA ISOPOTENZIALE, che è appunto la linea che unisce tutti i punti di ugual potenziale disposti sulle diverse linee di corrente.

Consideriamo ora una striscia di tessuto muscolare con una estremità eccitata e l'altra a riposo:

se i due elettrodi sono posti a contatto col tessuto è possibile registrare una differenza di potenziale;

se tale striscia è immersa in una soluzione elettrolitica (volume conduttore) si instaurano flussi di corrente che vanno dalla estremità depolarizzata verso quella polarizzata: sarà quindi possibile registrare una differenza di potenziale anche senza porre gli elettrodi a contatto col tessuto, ma disponendoli su qualsiasi linea di corrente, anche alla superficie.

Da questo comprendiamo la genesi dell'elettrocardiogramma: il cuore genera fenomeni elettrici, cioè ritmicamente va incontro ad eccitamento che coinvolge, seguendo una determinata sequenza temporale le diverse regioni che lo costituiscono, ed è immerso in un volume conduttore.

Tali fenomeni elettrici generano linee di corrente che raggiungono la superficie del volume conduttore,cioè la cute, dove possono essere registrate ( dell'ordine di rispetto ad un potenziale di riferimento) in funzione del tempo. L'apparecchio che permette la registrazione è l'elettrocardiografo.