Image
2.9.2019 0 Comments

Elektrina v našom tele

Bežne človek uvažuje o elektrine a živote ako o dvoch samostatných, spolu nesúvisiacich fenoménoch. Náš kontakt s elektrinou si predstavujeme ako zásah bleskom alebo elektrickým prúdom, čo vyvoláva pocity nebezpečenstva. A pritom je elektrina rovnako ako voda alebo slnečné svetlo nevyhnutnou súčasťou všetkých živých vecí. Bunky využívajú elektrinu vo forme signálov na reguláciu a udržiavanie normálnych funkcií nevyhnutných na ich prežitie, na delenie, migráciu, diferenciáciu, rast, zotavenie a smrť. Bez elektrickej energie by sa v našom tele nepohol jediný sval (vrátane srdcového), nevznikla by jediná myšlienka, nevyvolala sa jediná spomienka. Elektrické signály nám umožňujú dýchať, vidieť, počuť, cítiť chuť, vôňu, teplo, chlad, hýbať sa, jesť a tráviť, ale aj pociťovať bolesť. Bez elektrických prúdov by sme sa nemohli ani vystrašiť, relaxovať, dokonca ani zamilovať sa...

Elektrická energia je s naším životom neoddeliteľne spojená. Veď aj úradná definícia smrti ju charakterizuje ako vymiznutie detegovateľnej elektrickej aktivity mozgu. A hoci je mnoho pochodov v našom tele založených na biochemických reakciách, keď príde na oživovanie človeka, nepoužívame tabletky, ale elektrické impulzy defibrilátora.


Inteligentné protézy, napojené na zvyšné nervy na kýpti, sa po tréningu stávajú funkčnými náhradami končatín.

Elektrina v prírode

Ako je to teda: je človek tvor biochemický alebo elektrický? Oboje. Jedna podstata bez druhej nie je možná. Nie sme ako ľudia zo slávneho filmu Matrix, ktorí produkovali elektrickú energiu na napájanie a pohon strojov. A nie sme ani ako elektrický úhor, ktorý dokáže elektrickým výbojom zabiť byvola. (V prípade úhora ide o evolučnú špecializáciu, keď sa časť svalových buniek pretransformovala na bunky s väčším membránovým potenciálom, vzájomne prepojené tak, že výsledné elektrické pole dosahuje napätie až 650 V pri prúde 1 A). Takúto špecializáciu nemáme a elektrina v našom tele neslúži ani na náš „pohon“. Svalovú prácu a náš pohyb majú na starosti elektrochemické procesy. Elektrina v nich zohráva úlohu koordinátora, spúšťača. Elektrické signály v našom tele prenášajú informáciu, sú podstatným prostriedkom komunikácie, monitorovania a riadenia organizmu. Samotnú prácu vykonávajú chemické väzby.

Ako vzniká elektrina v živých bunkách?

Elektrický potenciál je vlastnosť každej živej bunky, živočíšnej alebo rastlinnej. Ako si ho bunka vytvára? Za všetkým stojí membrána bunky, ktorá nie je úplne nepriepustná – je priepustná pre nabité častice (ióny), ale nie pre všetky rovnako. Hovoríme, že je polopriepustná. Táto vlastnosť membrány spôsobí, že rozloženie iónov vnútri bunky je iné ako v jej vonkajšom okolí, čo vytvára cez membránu rozdiel elektrického potenciálu, elektrické napätie. Polopriepustnosť membrány nie je statická vlastnosť, jej priepustnosť sa môže v čase meniť. Umožňujú to špeciálne molekuly v membráne bunky, ktoré sa volajú iónové kanály. Za určitých podmienok sa môžu otvárať, resp. zatvárať, meniť takto priepustnosť pre rôzne nabité ióny a meniť tak veľkosť potenciálu bunky. Pri rôznych typoch buniek tieto zmeny vedú k rôznym dejom. Najvýraznejšiu úlohu majú elektrické zmeny pri nervových bunkách, aby mohli generovať, spracúvať a šíriť signály, informácie nevyhnutné na riadenie a monitorovanie životných funkcií organizmu. Elektrické signály a zmeny sú takisto vyvolávačom kontrakcie svalových vláken a tým celej motoriky, umožňujú sekréciu žliaz, pohyby čriev atď. Počas embryonálneho vývoja sú dokonca nevyhnutné na správny vývoj končatín a telesných orgánov.


 P300 speller pomáha komunikovať hendikepovaným ľuďom.

Mozog verzus počítač

Vždy, keď sa spomenie vlastnosť nervových buniek generovať, spracovávať a šíriť informáciu, sa natíska predstava porovnávať mozog s počítačom. Mozog vtedy často prirovnávame k počítaču a jednotlivé nervové bunky k jeho súčiastkam, tranzistorom. Rád by som túto predstavu poopravil. Mozog je v skutočnosti akési superpočítačové centrum, zložené z miliárd inteligentných počítačov. Nervové bunky teda nie sú jednoduché obvody, samy osebe sú počítačmi, ktoré majú schopnosť informácie triediť, priorizovať, hodnotiť a rozhodovať sa, kedy je informácia dôležitá a kedy nie. Prečo si to dovolím tvrdiť? Za jednotku informácie v nervovej sústave možno považovať akčný potenciál. Je to rýchla zmena elektrického potenciálu bunky, ktorá sa vo forme elektrického signálu šíri na ďalšie bunky. Informačná hodnota akčného potenciálu je podobne ako pri bite v počítačoch len v jeho existencii či ne­existencii (0/1). Nervová bunka disponuje viacerými výbežkami, väčšina z nich slúži na príjem informácie, len jediný výbežok (axón) je určený na prenos informácie k iným bunkám. Prenos elektrického akčného potenciálu z axónu na cieľovú bunku sa deje prostredníctvom zakončenia nazývaného synapsa. Na jedinú bunku môže smerovať až 10 000 zakončení (synáps) iných buniek. Každá synapsa je schopná spôsobiť malú lokálnu zmeny potenciálu. Takáto zmena však nie je dostatočne veľká na to, aby vyvolala akčný potenciál. No povaha týchto lokálnych zmien umožňuje malé zmeny sumovať v prípade, že prídu rýchlo za sebou alebo ich príde na jedno miesto naraz veľmi veľa. Takto bunka vie, že ide o dôležitý zdroj signálu, a ak je dostatočne silný, vyšle akčný potenciál. Ďalšie kritérium dôležitosti signálu je poloha synapsy. Čím bližšie k axónu je synapsa položená, tým je jej signál silnejší = dôležitejší, prioritný. Situáciu v spracovávaní signálov navyše komplikuje skutočnosť, že niektoré synapsy sú aktivačné (excitačné) a iné sú utlmujúce (inhibičné). Bunka v každom okamihu spracúva tisíce súčasných signálov, v reálnom čase musí vyhodnocovať, koľko z nich je aktivujúcich, koľko utlmujúcich, v akej frekvencii a na aké miesto prichádzajú, a okamžite sa rozhodnúť, či je tok informácií natoľko dôležitý, aby vyslala informáciu iným bunkám. Je to obdivuhodný výpočtový výkon biologického stroja s priemerom desiatok mikrometrov...

Producent         
elektriny blesk katódová trubica v TV elek. zásuvka elek. bunka úhora ľudská svalová bunka
Veľkosť napätia      100 MV až 1GV 25 kV 230 V 150 mV 90 mV

Meranie elektriny v živom organizme

Tým, že elektrické napätie a prúdy vieme merať, vieme merať aj elektrické zmeny v organizme. Princíp je ten istý ako pri meraní napätia v elektrickej sieti, len potrebujeme citlivejšie meracie prístroje. Aby sme si vedeli predstaviť, o aké hodnoty ide, len niekoľko príkladov. Membránový potenciál svalovej bunky je približne -90 mV, potenciál nervovej bunky okolo -70 mV (potenciál modifikovanej bunky elektrického úhora až -150 mV). Sú to síce pomerne vysoké hodnoty potenciálu (napätia), no prúdy, ktoré bunky dokážu generovať, sú veľmi malé. Merajú sa v nano až pikoampéroch.

Dokážeme merať elektrické pole celých orgánov, ako je srdce (EKG), mozog (EEG), kostrové svaly (EMG), kontinuitu jednotlivých nervových dráh (vyvolané potenciály), vieme hodnotiť funkčnosť nervových okruhov, reflexov (Hoffmanov reflex). Vieme merať aktivitu skupín buniek (jednotková aktivita), dokonca aktivitu jednotlivých buniek. Z nameraných hodnôt vieme usúdiť, či daná štruktúra funguje normálne, prípadne dokážeme diagnostikovať príčinu, ak sa vyskytne problém.

K najznámejším a najčastejšie využívaným spôsobom merania elektrického poľa nášho tela patrí určite EKG. A takisto k najľahšie detegovateľným, pretože ide o prísne synchrónnu aktivitu, o súčasný elektrický výboj množstva nervových a svalových buniek. Aj preto je signál EKG detegovateľný kdekoľvek na tele vrátane končatín. V mozgu sa nachádza oveľa viac generátorov elektrických signálov, ktoré by dokázali generovať silnejšie elektrické pole, no ich aktivita nie je synchrónna. Navyše je mozog izolovaný niekoľkými izolačnými vrstvami (obaly mozgu, mok, kosť, tuk, koža), preto je elektrické pole mozgu ťažšie merateľné. No aj napriek silnej izolácii a nesynchrónnej aktivite vytvára približne 100 miliárd nervových buniek pole dostatočne silné na to, aby sme ho vedeli merať (EEG). Meriame ho povrchovými elektródami, ktoré sú upevnené na kožu na hlave (napr. EEG čiapkou). Ich vodivosť sa často zlepšuje navlhčením alebo aplikáciou vodivého gélu. Svalové bunky na svoju funkciu tiež potrebujú elektrický výboj (akčný potenciál), a tak možno monitorovať aj správnu funkciu svalových vláken (EMG). Elektrické pole svalov pod kožou možno merať povrchovými elektródami, signály z hĺbkových svalov sa merajú tenkými izolovanými ihlami. Dlhé izolované ihly sa využívajú aj pri zložitejších operáciách na mozgu. Pomocou takýchto elektród sa zisťuje správna oblasť operácie, buď snímaním charakteristickej aktivity buniek, alebo stimuláciou danej oblasti a registrovaním reakcie organizmu (mozog nemá receptory bolesti, preto sa dá operovať pri plnom vedomí). Meraním elektrického signálu nervových dráh po ich stimulácii možno hodnotiť ich správnu funkciu, sú to tzv. vyvolané potenciály. Takto možno stimulovať dráhu vizuálnu (stimulácia zraku), sluchovú (zvukové stimulácie), motorickú a senzorickú (elektrická stimulácia), pričom sa odpovede snímajú z cieľových štruktúr, teda zo zrakovej a sluchovej oblasti mozgu, z miechy a svalov.

Technológia v meraní elektrických signálov tela urobila ohromný pokrok. Kým v čase svojho vzniku začiatkom 20. storočia vyžadovalo meranie EKG zariadenie v niekoľkých miestnostiach, dnes majú žiaci v školách učebné pomôcky na meranie elektrickej aktivity srdca veľkosti zápalkovej škatuľky. Podobne je to aj s EEG. Ešte nedávno bol nákup kvalitného prístroja EEG cenovo aj priestorovo podobne náročný, ako je dnes nákup CT. Súčasné prístroje EEG využívané v klinickej praxi sú malé, skladné a nepomerne lacnejšie. Dokonca jednoduchý prístroj na meranie elektrickej aktivity mozgu dnes možno kúpiť už za pár desiatok či stoviek eur. Technologický pokrok tak umožnil rozšírenie týchto zariadení aj do malých ambulancií, poradní a dokonca i do domácností.

Využitie merania elektriny

Technologický pokrok najvýraznejšie vidno v dostupných gadgetoch. Monitorovanie elektrickej aktivity srdca je dnes už súčasť fit náramkov a cvičebného náradia v posilňovniach, a tak pomáha pri správnom trénovaní a udržiavaní našej kardiovaskulárnej sústavy. Jednoduché snímače mozgovej aktivity sa využívajú pri ovládaní počítačových hier. No omnoho väčší význam má tento pokrok v klinických podmienkach. Elektrinu nielen meriame, ale často je aj terapeutickým prostriedkom. Spomínali sme už hĺbkovú mozgovú stimuláciu, ktorá pomáha pri detegovaní a hľadaných štruktúr pri neurochirurgických zákrokoch na mozgu. Silnejší elektrický prúd sa používa na odstránenie epileptických ložísk, prípadne iných anomálií v mozgu. Elektrická stimulácia prostredníctvom implantovaných stimulátorov pomáha upravovať srdcovú činnosť (kardiostimulátory) alebo potláčať chronickú bolesť u onkologických pacientov. Elektrické impulzy pomáhajú zachovať a rozhýbať svaly pri traumatických poškodeniach miechy a nervov po haváriách a úrazoch (funkčná elektrická stimulácia). Iný typ stimulácie zasa pomáha regenerácii a optimálnej organizácii poškodeného tkaniva (terapeutická elektrická stimulácia). V psychológii pomáhajú snímače aktivity mozgu ľuďom s hyperaktivitou, poruchou pozornosti či inými psychickými problémami. Využíva sa pri tom metóda neurologickej spätnej väzby (neurofeedback). Je to vlastne snímanie elektrickej aktivity mozgu, rýchla počítačová analýza signálu a následná vizualizácia stavu mozgovej aktivity v ľahko vnímateľnej forme (pohybujúce sa auto, meniaci sa geometrický tvar a pod.). Človek má potom za cieľ zmenou svojho mentálneho stavu (najčastejšie sústredením sa) dosiahnuť určitý cieľ (napr. doviesť auto do cieľa). Na monitore vidí okamžité zmeny, ktoré svojím úsilím dosiahol, a počas tréningu sa takto naučí navodiť si správny mentálny stav. Možnosť hodnotiť rôzne stavy mozgu pomáha aj pri komunikácii ťažko hendikepovaných ľudí, ktorí za pomoci špecializovaného počítačového programu dokážu čírym sústredením sa komunikovať a riadiť počítač (P300 speller). V súčasnosti sa úspešne rozvíja kombinácia elektrofyziologického snímania, robotiky a protetiky s účelom nahradiť poškodené časti a funkcie tela. Dnes dokážeme vyrobiť inteligentné protézy, ktoré sú riadené naším vlastným vedomím. Umožňuje nám to schopnosť merať elektrické signály z nervov, svalov alebo oblastí mozgu, rýchle spracovanie nameraných signálov a ich interpretácia do povelov pre mechanické náhrady. Je známy prípad elektrikára (Leslieho Baugha z Colorada v USA), ktorý prišiel v mladosti v dôsledku úrazu o obe ruky. V Laboratóriu aplikovanej fyziky na Univerzite Johna Hopkinsa vyrobili inteligentné protézy rúk. Na kýpte rúk a plece pacienta pripevnili elektródy a snímali elektrickú aktivitu nervov, ktoré tam zostali. Pacienta inštruovali, aby sa pokúsil vedome urobiť pohyb neexistujúcej ruky. Počítač snímal a analyzoval ­elektrickú aktivitu pri každom zamýšľanom pohybe končatiny. Po tréningu a dosiahnutí určenej miery spoľahlivosti sa na každú zmenu elektrickej aktivity vytvorili povely pre motory protézy tak, aby vykonala daný pohyb.

V našej práci v Neurobiologickom ústave Biomedicínskeho centra SAV v Košiciach sa zaoberáme štúdiom a liečbou poškodení nervovej sústavy laboratórnych zvierat. Pri tejto práci využívame metódy snímania elektrickej aktivity nervového a svalového tkaniva; takisto sledujeme účinky elektrickej stimulácie na funkčnú regeneráciu poškodeného tkaniva.

 

Zobrazit Galériu

Nechajte si posielať prehľad najdôležitejších správ emailom

Mohlo by Vás zaujímať

Magazín

Balkánsky trip

02.09.2019 12:57

Balkán má stále nádych nespútanej divočiny s rúškom neznáma. Asi aj preto sme sa ho rozhodli tento rok prejsť krížom na motorkách. Dobrá partia piatich ostrieľaných motorkárov na cestných endurách a h ...

Magazín

Riešenia Bosch pre autonómne autá

02.09.2019 12:36

Vojdete do garáže, vystúpite a jednoduchým ťuknutím na obrazovku smartfónu pošlete auto zaparkovať. Nič viac neriešite. Idete si nakúpiť, vybaviť rokovanie, naobedovať sa. Pri odchode vojdete do garáž ...

Magazín

Ako jednoducho využívať hands-free v aute

02.09.2019 10:57

Napriek tomu, že dnes prakticky na trhu nenájdete auto, ktoré by nemalo vstavané bluetooth hands-free, veľmi často sa na cestách stretávame s vodičmi, ktorí ho nepoužívajú a telefonujú s mobilom pri u ...

q

Žiadne komentáre

Vyhľadávanie

ACER_092019

Najnovšie videá

elearn