אלקטרופיזיולוגיה

אלקטרופיזיולוגיה (Electrophysiology) עוסקת במדידת הזרמים והשינויים במתח החשמלי ברקמות ובאדם בעזרת אלקטרודות.

העיקר הוא במערכת העצבים ובשרירים. המתח החשמלי נוצר מתנועה של יונים. יון הוא אטום עם מטען חשמלי, חיובי או שלילי. במים המלחים מתמוססים ויוצרים יונים שמוקפים במים ויכולים לנוע חופשי.
היונים העיקריים המשתתפים בתהליכים האלה הם נתרן (Na), אשלגן (K), כלור (Cl) וסידן (Ca). קרום התא הוא שכבה שומנית שלא מעבירה יונים, ולכן נדרשות תעלות חלבוניות מיוחדות להעברת היונים. פתיחה וסגירה של תעלות אלה מייצרת שינויים במתח בין פנים התא לחוץ התא. במקרים רבים הפרש המתח בתא שריר הוא בסביבות -90 מיליוולט.
ניתן לתאר את קרום התא בעזרת מודל חשמלי, מודל הודג'קין-הקסלי, שמתאר את זרמי הנתרן והאשלגן בתא. עבודה זו תרמה להבנה של פוטנציאל פעולה וזיכתה בפרס נובל ב-1963.

מדידות אלקטרופיזיולוגיות נעשות בעזרת הגברה של האותות ורישום באוסצילוסקופ. האותות חלשים ולכן משם דרושה הגנה מפני רעש, לעיתים בכלוב פאראדיי והארקות שונות. מדידות יכולות להתבצע בתבחין מבודד (in vitro) או באורגניזם חי (in vivo).

רישום חוץ תאי מתבצע עם שתי אלקטרודות מתכתיות מחוץ לממברנה. שיטה זו מאפשרת לזהות פוטנציאל פעולה של תא בודד או רישום של שדה חשמלי מאוכלוסיית תאים.

ברישום תוך תאי מכניסים אלקטרודת זכוכית לתוך התא. האלקטרודות הללו דקות מאוד והן מודדות מתח ושינויים בזרם דרך קרום התא.

קיבוע מתח (Voltage Clamp) שומר על מתח קרום קבוע בעזרת מעגל משוב אלקטרוני. כשהמתח קבוע מודדים את הזרם שזורם כדי לשמור עליו. זרם זה משקף את תנועת היונים דרך התעלות, וחשוב לזיהוי תעלות תלויות מתח.

בקיבוע הזרם (Current Clamp) מזריקים זרם ויודעים למדוד את השינוי במתח. זריקה של זרם דה-פולריזטורי יכולה להביא לפוטנציאל פעולה אם עוברים את סף העירור.

קיבוע פיסה (Patch Clamp) משתמש באלקטרודת זכוכית שמוצמדת לממברנה. המגע הדוק מאפשר למדוד זרמים של תעלות בודדות או של התא השלם. על פיתוח השיטה קיבלו ברט סקמן וארווין נהר פרס נובל ב-1991.
יש ארבע תצורות עיקריות: התא המחובר (מדידה של תעלות יחיד), התא השלם (רישום מהתא כולו), פיסה פנים-חוץ ו-пיסה חוץ-פנים (שיטות שמאפשרות לחשוף צד מסוים של הממברנה ולשנות את התמיסה סביבו).

EEG רושם פעילות חשמלית מאלפי תאים בקליפת המוח באמצעות אלקטרודות על הגולגולת. הוא משמש למחקר ולאבחון, וניתן להקליט תגובות לגירוי קול או אור.

ECG רושם את הפעילות החשמלית של הלב באמצעות אלקטרודות על החזה. הבדיקה מספקת מידע על מצב הלב ותקלות בפעולתו.

EMG מודד פעילות חשמלית משרירי השלד. אלקטרודת שטח רושמת שריר שלם, ואלקטרודת מחט רושמת קבוצת תאי שריר. הנתונים עוזרים לאבחון ולבדיקת כושר השריר.

ENG רושם חשמל מהשרירים שמזיזים את העיניים. בדיקה זו עוזרת לבחון את תפקוד השרירים ואת שליטת המוח בתנועות העיניים.

אלקטרופיזיולוגיה בוחנת חשמל בגוף. חשמל זה נוצר מתנועת יונים. יון = אטום עם מטען חשמלי.

מערכת העצבים והשרירים משתמשות ביונים ליצירת אותות חשמליים. קרום התא הוא שכבה דקה שמפרידה בין פנים התא לחוץ התא. תעלות יונים הן פתחים בקרום שמאפשרים ליונים לעבור.

אלקטרודות חיצוניות מודדות את אותות התאים בלי לחדור אליהם.

אלקטרודה דקה נכנסת לתא ומודדת את המתח והזרם שבתוכו.

קיבוע מתח שומר את המתח קבוע ומודד את הזרם. קיבוע זרם מזריק זרם ומודד את השינוי במתח. זה עוזר להבין איך תעלות יונים פועלות.

Patch Clamp = אלקטרודה נדבקת לקרום התא. כך אפשר למדוד תעלות בודדות או את כל התא. שיטה חשובה זו זיכתה מדענים בפרס נובל.

EEG מודד פעילות של המוח עם אלקטרודות על הראש. ECG מודד את הלב בעזרת אלקטרודות על החזה. EMG מודד את השרירים. ENG בודק את השרירים של העיניים.

כל הבדיקות משתמשות באלקטרודות כדי להקליט אותות חשמליים ולעזור ברפואה ובמחקר.