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1. Bases físicas. Origen de potenciales eléctricos: Redox y Donnan Celda electroquímica Los potenciales electroquímicos provienen de un principio básico, el principio de oxidación-reducción → reacción redox. Se considera oxidación cuando una molécula pierde electrones, y cuando se reduce, gana elect...

1. Bases físicas. Origen de potenciales eléctricos: Redox y Donnan Celda electroquímica Los potenciales electroquímicos provienen de un principio básico, el principio de oxidación-reducción → reacción redox. Se considera oxidación cuando una molécula pierde electrones, y cuando se reduce, gana electrones. Los procesos de oxidación siempre vienen acompañados de procesos de reducción. La naturaleza está en equilibrio, si algo pierde, algo gana. Hay ocasiones en las que el lugar donde se produce la oxidación y reducción no se da en el mismo lugar, y el intercambio de electrones no se produce en el soluto, sino en un campo eléctrico. En la reacción redox, los electrones se mueven a través de un cable. Cada parte de la reacción se da en media celda, por lo que todo el evento en conjunto se produce en la celda entera o pila. Las medias celdas contienen los solutos, y entre ellas se da la corriente de iones. También contienen los electrodos, y entre ellos sucede el intercambio de electrones, el cual se puede registrar con un voltímetro. El potencial de electrodos Los potenciales de electrodos determinan cuánta afinidad tienen los metales por los electrones. Uno de los dos elementos que participan en la reacción redox tiene más afinidad por los electrones en comparación con el otro, por lo que uno los pierde, y el otro los gana. A la hora de medir esta afinidad se ha inventado el concepto de potencial de electrodos, que es el potencial que hay en media celda. La potencial de electrodos de referencia es el hidrógeno, por lo que su valor es 0, y a partir de ahí se mide el potencial en cada una de las reacciones. La lista esta de elementos químicos y voltaje representa las ganas que tiene cada elemento de sumarse electrones. Si tengo una celda de zinc y aluminio, el voltaje que tengo es la suma de cada uno (creo que era -1,6 + 0,3 = -1,3). La bioelectricidad La bioelectricidad depende de la existencia del potencial de la membrana celular. Las células excitables son componentes del tejido nervioso, muscular o glandular porque varía su potencial de membrana. La bioelectricidad actúa como un mecanismo de señalización que permite transmisión de información entre células nerviosas o hacia efectores (músculos, 38 etc). DONNAN: se quiere que la membrana sea semipermeable y que haya una diferente concentración iónica a los dos lados. El hecho de que exista EEG o EMG se debe a que dentro del cuerpo humano suceden actividades eléctricas (bioelectricidad). La membrana de las células está polarizada (positiva en un lado y negativa en el otro). Sin embargo, algunas células tienen la propiedad de ser excitables, es decir, que tienen la capacidad de cambiar su potencial de membra. Esto se utiliza para poder transportar información. Se da en las células neuronales y musculares. El equilibrio de Donnan El equilibrio de Donnan explica por qué se produce un equilibrio en la célula. La célula tiene una membrana semipermeable que deja pasar el agua desde donde hay más a menos concentración de iones. Esta membrana deja pasar el potasio, pero no deja pasar el cloro. Desde el punto de vista de difusión, el potasio se mueve desde el compartimento donde hay más concentración a donde hay menos concentración, y desde el punto de vista eléctrica, se mueve desde donde hay más cargas positivas a donde hay cargas negativas. Esto se mueve hasta que está en equilibrio y esto es lo que genera que haya un potencial de membrana. Ese movimiento de potasio de izda a dcha genera voltaje, genera un potencial de Nerst que contrarresta la difusión. La cantidad de iones de potasio que se han movido a través de la membrana es poquísima pero genera un diferencial de potencial muy grande. Por lo que si hiciéramos ejercicios de estos, los potenciales cambian pero las concentraciones no porque se consideran nulas. La ecuación de Nerst y el potencial en la membrana La ecuación de Nerst relaciona las concentraciones a ambos lados de la membrana y halla la concentración correspondiente. A partir de este valor, se puede calcular cuántos iones de potasio se tienen que mover para poder generar una diferencia de potencial. La cantidad de iones necesarios que se han de mover para generar una diferencia de potencial son muy pocos (0,006 pmoles). Esto va en la línea de que el mundo es neutro. “El movimiento de muy pocos iones produce una gran diferencia de potencial, por lo que las variaciones en concentración son negligibles”. A partir de la concentraciones, se puede obtener el potencial que se va a producir. La ecuación de Nerst permite obtener el potencial de membrana resultante de un único ion. Sin embargo, en una célula no hay solo un ion, sino que hay varios y con diferentes concentraciones a ambos lados de la membrana. Si una membrana es muy permeable par un cierto ion, este será quien determine y establezca el potencial de membrana. La permeabilidad de un ion determina cuanto colaborará al potencial de membrana. Ejemplo: hay sodio, potasio, cloro. Al aplicar la ecuación de Nerst a cada uno de los iones, se obtiene potenciales para cada uno de ellos. Sin embargo, no se puede tener 3 potenciales de membrana distintos, solo puede haber un único potencial de membrana. Si me dicen que el potencial de membrana es -70 mV y me piden que explique la permeabilidad de la membrana para Na+, yo respondería que mi membrana va a ser muy permeable al potasio y al cloro porque están cerca del valor de mi equilibrio (-70mV), pero impermeable al sodio. Si hago la membrana permeable al sodio abriendo los canales de sodio, el voltaje aumentará hasta aprox +40 mV. O si la membrana tuviera una fuga (leakage), el sodio por 39 gradiente de concentración y de voltaje tendería a entrar. Gracias a las bombas de sodio, el sodio puede salir contragradiente (gastamos energía con estas bombas). Examen: la bomba necesita energía? sí, y los canales? no porque es difusión pasiva. Da igual las unidades de las concentraciones en el ln. Los iones que van a determinar la ecuación larga que está en la parte inferior de la diapo son los iones para los que la membrana es muy permeable. 2. Fenómenos biológicos Las neuronas son eléctricamente excitables debido a las diferencias de voltaje a ambos lados de la membrana. Hay tres tipos de fenómenos eléctricos: - Potencial de la membrana en reposo (-70 mV). - Potenciales graduados: solo cambios de membrana local. ANALÓGICO. - Potenciales de acción: puede viajar largas distancias. DIGITAL. En las células vivientes, el traspaso de los iones ocurre a través de los canales de iones en la membrana celular. Estos canales se abren y se cierran para determinar la permeabilidad a diferentes iones. 2.1 Potencial de membrana en reposo. Bombas y canales (leak=fuga, gated=mediada por) La célula está polarizada, es negativa en su interior (-70 mV). El potencial de reposo existe gracias a la diferencia de concentración de iones fuera y dentro de la célula. Fuera de la célula hay una concentración rica en Na+ y Cl-, mientras que el citosol es rico en K+. La permeabilidad de la membrana difiere para Na+ y K+: tiene 50-100 veces más permeabilidad para K+. La bomba de Na+/K+ retira el sodio sobrante. La bomba no genera los potenciales!! Para mantener el equilibrio electroquímico se requiere transporte activo de iones contra sus gradientes electroquímicos. La bomba de sodio-potasio (proteína) transporta 3 Na+ hacia fuera y 2 K+ hacia dentro, cambiando su polaridad. Requiere de energía ATP. LA BASE DEL FENÓMENO ACTIVO ELÉCTRICO DE LA CÉLULA: La célula puede alterar el potencial de membrana cambiando su permeabilidad hacia diferentes iones. Tipos de canales: Canales de fuga: están abiertos todo el rato y son los que definen la permeabilidad en reposo de la célula. Las células del sistema nervioso tienen más canales de fuga de K+ que de Na+, por lo que el potencial de reposo de la célula será el potencial del potasio. Result = -70 mV. Canales mediados por iones: se abren respondiendo a cambios: o Mecánicos: vibración mecánica y presión. Los nervios del tacto detectan el aumento de tensión debido al tacto y abren los canales de iones para transmitir la información. Hay en muchas partes del cuerpo, pero sobre todo en la piel y en el estómago, con ellos medimos la presión arterial. o Químicos-Ligando: las respuestas químicas dependen de unos ligandos que, al unirse al canal, lo abren. El ligando es específico de cada canal y pueden ser de sodio, potasio o cloro. Los tenemos en el olfato, en el gusto, el ligando tiene que ser químico. o Voltaje: los canales se abren cuando hay un cambio en el voltaje de membrana. 2.2 Potenciales graduados y de acción Los potenciales graduados son pequeñas desviaciones del potencial de reposo -70 mV: - Hiperpolarización: la membrana se vuelve más negativa. - Depolarización: la membrana se vuelve más positiva. 40 Fuentes de estímulos: la estimulación mecánica (canales regulado mecánicamente, presión) y química (canal regulado por ligando, neurotransmisor) cambia el potencial de membrana gradualmente. Los cambios debidos a respuestas mecánica y químicas se atenúan a lo largo de la membrana, por lo que son cambios locales que no pueden extenderse más allá. Si queremos informar al cerebro de que ha habido un estímulo en el dedo, necesito un mecanismo más complejo. Para ello, necesitamos potenciales de acción equivalentes a transmisiones digitales. Las señales están graduadas, lo que significa que varían en amplitud (tamaño), dependiendo de la fuerza del estímulo y su localización (análogo). Los potenciales graduados ocurren, la mayoría, en las dendritas y en el cuerpo celular de una neurona. El flujo de iones es local. Un potencial de acción o impulso es una secuencia de eventos que ocurren rápido que disminuyen y finalmente revierten el potencial de membrana (despolarización) y después vuelven a su estado de reposo (repolarización). Durante el potencial de acción, los canales dependientes de voltaje (sodio y potasio) se abren en secuencia. El potencial de acción funciona siguiendo el principio de todo o nada, si un estímulo alcanza el umbral, el potencial de acción es siempre el mismo (respuesta digital), es decir, un estímulo más fuerte no causará un mayor potencial de acción. Los eventos que ocurren en serie rápidamente, que cambian y restauran el potencial de membrana a su potencial de reposo son muy rápido. Su duración es de 0,1 μs. Este potencial de acción se trasmite a través de la superficie de la célula sin que muera. El potencial de la membrana pasa de -70 mV a 30 mV. El cambio en el potencial se debe a los cambios en las concentraciones de los iones. Si el potencial es negativo, hay una mayor cantidad de iones de potasio, y si es positivo, hay una mayor cantidad de iones de sodio. La transmisión del potencial de acción se produce sin atenuación. Esto en ingeniería no se ha conseguido, es por ello que se usan repetidores. En biología si se ha conseguido en una distancia de 2 m (depende de la persona). Las células se descargan a una determinada frecuencia. Si el estímulo es pequeño, la frecuencia de descarga será baja y, a medida que el estímulo aumenta, la frecuencia es mayor. El cerebro procesa las frecuencia para saber las intensidades del estímulo. Aquí es donde se utilizan los canales de voltaje: a estímulos pequeños no pasa nada, pero cuando supera el umbral, hacen abrir unos canales de voltaje que permiten aumentar el potencial, y cuando sobrepasa un valor, desencadena el potencial de acción. Los canales de sodio se abren para que el sodio salga de la célula para que las concentraciones de iones vuelvan a su valor inicial de estado de reposo. Las bombas de sodio son proteínas que funcionan a contra de gradiente, por lo requiere energía de ATP. El cerebro requiere mucho ATP para volver a las neuronas en condiciones de reposo otra vez. AP: Fase de depolarización Los estímulos químicos o mecánicos provocan un potencial graduado para alcanzar el umbral de aproximadamente -55 mV. Los canales de sodio dependientes de voltaje se abren y el sodio entra dentro de la célula. El canal se cierra de nuevo en una 10 milésimas de segundo. Solo un total de 20000 Na realmente ingresa en la célula, pero cambia radicalmente el potencial hasta 30 mV. 41 Cuando el potencial de membrana alcanza -55 mV, los canales de potasio dependiente de voltaje. La apertura del canal de potasio es mucho más lenta que el canal de sodio, por lo que cuando los canales de sodio ya se han cerrado cuando los de potasio consiguen abrirse. AP: Fase de repolarización El flujo de salida de potasio devuelve el potencial de membrana a -70 mV. Si sale mucho potasio, la membrana alcanzará un potencial de -90 mV, y la célula entra en una fase de hiperpolarización. Después, los canales de potasio se cierran y el potencial de membrana vuelve al reposo de -70 mV. AP: Periodo refractario El periodo refractario es el tiempo durante el cual la neurona no puede generar otro potencial de acción. En el periodo refractario absoluto, incluso un estímulo muy fuerte, no puede empezar otro potencial de acción. Los canales de sodio inactividad deben volver al estado de reposo antes de que se puedan abrir. Las fibras grandes tienen un periodo absoluto de 0,4 ms y hasta 1000 impulsos por segundo son posibles. En el periodo refractario relativo, un estímulo supraumbral podrá inicial un potencial de acción. Durante este tiempo, los canales de potasio están abiertos, pero los de sodio siguen cerrados. Comparación entre los potencial graduales(¿o graduados?) y los potenciales de acción: 2.3 Neurotransmisores. Sinapsis y placa motora. Una sinapsis es una unión funcional entre una neurona y otra o entre una neurona y un efector como un músculo o una glándula. Hay dos tipos de sinapsis: Eléctrica: la corriente iónica se propaga a la siguiente celda a través de uniones gap. Es más rápida, es bidireccional y capaz de sincronizar grupos de células (corazón, intestino). Química: transferencia de información unidireccional de una neurona presináptica a una neurona postsináptica. o El AP llega al bulbo sináptico y se abren los canales dependientes de voltaje Ca2+. o Entra Ca2+ el desencadenando la expulsión de NTS. o Los NTS cruzan el espacio sináptico y se unen a los receptores (canales regulados por ligando) de la célula postsináptica. Cuanto más NTS expulsado, más grande será el cambio de potencial postsináptico (graduado). En la sinapsis, la transmisión eléctrica se convierte por un momento en transmisión química, y luego otra vez en eléctrica. Entre el axón de una neurona y las dendritas de la siguiente no hay transmisión eléctrica. 42 El efecto de un NTS puede ser tanto excitatorio como inhibitorio: La suma ponderada de los NTS en los botones sinápticos determina si se traspasa la información o no. Esto es lo que sucede con las redes artificiales. Si se cambian los coeficientes de ponderación en una red neuronal artificial, esta puede aprender los coeficientes exactos gracias a algoritmos y Deep-learning para implementr una unidad de cálculo. Cuando aprendemos, se crean y se destruyen determinadas conexiones neuronales. No está muy claro cómo pasa. En una red artificial muy grande con muchos coeficientes es difícil hallarlos, pero se hacen con algoritmos de backpropagation. 3. Captación de potenciales. Los electrodos (problemas) Los potenciales eléctricos del cuerpo se estudian desde el exterior con electrodos metálicos colocados sobre la piel. La piel tiene iones y sustancias químicas, por lo que al colocar el metal encima, se crea un pila. La creación de la pila genera interferencias y artefactos que afectan a la medición de interés. El circuito equivalente de un electrodo es: una pila, un par de resistencias y un condensador = CELDA ELECTROQUÍMICA. La pila crea un voltaje propio, y con las resistencias hace que el voltaje varíe. Esto conduce a una cosa que se llama artefactos de movimiento. Esto quiere decir, que cuando el electrodo se mueve, se crean unas tensiones que son bastante mayores a los que quiero medir. Para frecuencias bajas tienen resistencias baja, pero para frecuencias altas, tiene resistencias altas. El mero hecho de poner una pieza de metal en la piel genera altos potenciales. La pila de la derecha es como si simuláramos un circuito con un condensador y una fuente alterna. No pasa corriente entre las dos placas del condensador (es decir, entre ánodo y cátodo, entre Ag y Pt), pero se genera una diferencia de potencial. Ocurre el fenómeno de la polarización (examen). Electrodos polarizables: La ventaja del electrodo Ag/AgCl es que es estable en aquel líquido que tenga grandes cantidades de Clcomo es el fluido biológico. POLARIZACIÓN: Es mejor utilizar electrodos no polarizables porque no generan tanto artefacto. Los polarizables crean una especie de celda electroquímica que genera sus propios voltajes y eso provoca artefactos. 43 ARTEFACTO DE MOVIMIENTO: examen - Why? Cuando el electrodo se mueve con respecto al electrolito, cambia la distribución de la doble capa de carga en la interfaz del electrodo polarizable. Esto cambia el potencial de media celda temporalmente. - What? Si hay un par de electrodos en un electrolito y uno de ello se mueve respecto al otro, aparece una diferencia de potencial entre los electrodos conocida como artefacto de movimiento. Esta es una fuente de ruido e interferencia en las mediciones de biopotencial. 4. Tipos de biopotenciales y su registro En medicina se registran los biopotenciales: ECG, EEG, otros (EMG, EOG, …) 4.1 ECG Las células cardiacas del corazón, a diferencia del resto de células del cuerpo, se contraen solas, son autorítmicas. Su potencial de reposo no es estable, polarizándose en el tiempo y generando por sí solas potenciales de acción a una frecuencia determinada. Como los marcapasos. Estos potenciales de acción determinan la contracción del corazón. Un corazón sin un sistema nerviosos sigue latiendo. Las señales del sistema nervioso autonómico y las hormonas, como la epinephrine, pueden modificar el latido (en términos de ritmo y fuerza de contracción), pero NO ESTABLECEN EL RITMO FUNDAMENTAL, solo modulan la corriente de fuga. El corazón se contrae de una manera especial porque no se puede contraer a la vez. Si lo hiciese, la presión de la sangre en el corazón aumentaría desmesuradamente. El sistema de conducción del corazón es importante. No está formado por células nerviosas, pero permite conducir el estímulo de tal manera que alcanza las células de una manera ordenada. Son células musculares que transmiten muy deprisa el potencial de conducción. La contracción en el nodo auricular (“SA node”) pasa a las aurículas (contracción de aurículas), nodo auriculoventricular, sale por dos vías y se divide para inervar el ventrículo. Todos los caminos que unen los nodos son fibras de Purkinje o el haz de His. Esto permite que, primero, se contraigan las aurículas, y tras un tiempo de espera para que la sangre se mueva, se contraigan los ventrículos y que luego salgan a las arterias. Si esto no funciona bien se generan arritmias. En el corazón, en un momento determinado habrá parte del tejido en reposo y parte despolarizado, por lo que habrá una distribución de cargas en la superficie que se puede detectar. Esto se llama ECG y EKG. Antiguamente, no había amplificadores y se utilizaban galvanómetros, pero no eran eficientes y se metía todo el brazo en una solución salina para evitar los electrodos. Ahora esto ha mejorado mucho. Forma típica ECG: se ven la ondas P (despolarización de las aurículas), onda Q (la sangre pasa de las aurículas a los ventrículos 100 ms), onda QRS (contracción de los ventrículos), onda T (recuperación de los ventrículos). 44 Modelo del dipolo: en un momento determinado está el corazón con zonas positivas o negativas que dependen de la despolarización en ese momento. Esto es una zona arbitraria, si quiero saber la diferencia de potencial entre dos puntos, se coge un programa de cálculo de electromagnetismo en el que metes la geometría del corazón y la distribución de las cargas, y te da el valor de la diferencia de potencial. Esto antes era imposible de hacer sin los programas de simulación. Lo que se hacía era aproximarlo a una forma sencilla para estudiarlo analíticamente. La distribución de las cargas de un corazón se aproxima a un dipolo. El dipolo tiene una intensidad en una dirección. Cuando se recoge el electro se colocan 3 puntos en la persona, dos en los hombros y otros formando un triángulo. Se detecta la proyección del dipolo entre las líneas que forman el triángulo que forma cada pareja de electrodos. Se genera el gráfico a medida que el dipolo va cambiando de dirección. La posición real de los electrodos se colocan realmente en la muñeca porque es más cómodo y el brazo es como una prolongación del cable. Proyección del dipolo sobre la línea formada por cada par de electrodos (hay 3 pares). Las proyección así solo se estudia en un plano. Por ello se colocan otros electrodos para estudiar las proyecciones en otro plano. En este link se entiende de locos: https://es.slideshare.net/OliverLastra/teoria-del-dipolo-ciclo-cardiaco-yelectrocardiograma También existe el vector-cardiograma en el que se asume que hay un dipolo que cambia de dirección y que crece y decrece. Se colocan los electrodos de tal manera que tengo los tres planos. Se dibuja el vector 3D porque tienes todas las proyecciones. Se puso en marcha, pero a lo médicos no les gustó nada. Pero sí ha servido en las resonancias magnéticas para detectar las ondas R porque las bobinas cambian muchos los vectores, y así se detecta mejor. 45 Potenciales de superficie corporal: hoy en día hay fórmulas matemáticas con las que puedes obtener la distribución de cargas del corazón. Para ello se necesita mucha información y se usa un chaleco para detectarlo. Con el problema inverso se puede dibujar la distribución del corazón. Importante en el diagnósticos de las arritmias. Las arritmias son muy peligrosas, por lo que es importante estudiarlas con un ECG. Esquema eléctrico del electrocardiógrafo: 4.2 EEG Campos eléctrico y magnético en el cerebro El efecto masa de los voltajes debido a las células neuronales de estructuras similares se suman localmente y se comportan como un dipolo (mostrado en rojo). Este generador primario induce un campo eléctrico (mostrado en amarillo) que se transmite a través de los tejidos de la cabeza. Eventualmente llega al cuero cabelludo donde puede ser detectado con un par de electrodos en el EEG. Las corrientes generan campos magnéticos (en verde), que se transmiten más libremente por los tejidos y sufren menos distorsión que los flujos de corriente. Se pueden medir con matrices de manómetros en el Magnetoencefalógrafo (MEG). Electroencefalografía El EEG la medida de la actividad eléctrica a través del cuero cabelludo. El EEG mide fluctuaciones de voltaje que resultan de los potenciales de acción en las neuronas del cerebro, concretamente de las dendritas de las capas superficiales del córtex. Las señales desde las partes profundas del cerebro no se detectan bien. En la clínica, el EEG recoge la actividad eléctrica espontanea en un periodo corto de tiempo, normalmente 20–40 minutos, a partir de múltiples electrodos colocados en el cuero cabelludo. Instrumentación de EEG La amplitud típica de las señales en el EEG están entre 0,1 y 5 μV. La tecnología de detección básica del EEG está muy madura y es relativamente coste-eficiente, gracias a su amplia distribución en el mundo clínico. El principio básico de un sistema de EEG es la medida de diferencias de potencial eléctrico entre pares de electrodos. 46 Hay dos posiciones típicas: Disposición de electrodos bipolar: los electrodos se disponen en pares para medir diferencias de potencias relativas entre los electrodos de cada par. Disposición de electrodos “monopolar”: las diferencias de voltaje se miden relativas a un único electrodo. Aunque se llaman monopolares, la medida se hace entre el electrodo cerca del cerebro y un electrodo de referencia, normalmente puesto en la cara. Advanced EEG solutions are constantly being proposed to research investigators and include essentially: ✓ A greater number of sensors (up to 256 channels, typically). ✓ Faster sampling rates (up to 5KHz or higher on all channels). ✓ Facilitated electrode positioning and preparation (with spongy electrolyte contacts or active “dry” electrodes). ✓ Multimodal compatibility (whereby EEG can be recorded concurrently to MEG or fMRI). Aplicaciones del EEG - Trastorno del sueño - Detección de epilepsia y su origen - Detección de trastornos en respuesta a acciones específicas - Interfaz cerebro-máquina. Un ordenador puede interpretar el EEG y actuar de acuerdo a la información. 4.3 EMG El electromiograma (EMG) es un registro de los potenciales de acción del músculo. Existen registros no invasivos (EMG superficial → sEMG) e invasivos (EMG con aguja → nEMG). El procesado de señal consiste en detectar las unidades motoras que se activan simultáneamente. 4.4 ENG El electroneurograma (ENG) mide los potenciales de los nervios sensoriales. Es importante para el diagnóstico de enfermedades nerviosas periféricas. 4.5 EOG y ERG El ojo tiene un campo de potencial eléctrico estático que está muy poco relacionado con el estímulo luminoso. Se puede describir como un dipolo fijo con un polo positivo en la córnea y un polo negativo en la retina. La magnitud de este potencial cortenoretinal está en el rango de 0,4-1,0 mV. No se genera por tejido excitable si no por diferencias fijas en concentraciones iónicas. El electrooculograma (EOG). La diferencia de potencial y la rotación del ojo son la base para poder medir una señal con un par de electrodos superficiales periorbitales. Es útil en el estudio del movimietno del ojo. Para otras aplicaciones tenemos el electroretinograma (ERG).