La bioelettricità è utilizzata dalle cellule biologiche per immagazzinare energia.

Siamo in grado di alzare un dito grazie alla bioelettricità e possiamo vedere grazie ad essa. Quasi ogni azione viene effettuata grazie alla presenza della bioelettricità. Si sta parlando di segnali elettrici che vengono generati e rilevati dai nostri organi, dai muscoli, dal cervello, dalle ghiandole. Questi segnali vengono trasmessi dai nostri nervi. In questo articolo sarà data una spiegazione di come tutte queste parti lavorano e comunicano.

Il nostro corpo è costruito con tessuto biologico. Il tessuto che è in grado di generare o rilevare segnali bioelettrici è chiamato tessuto eccitabile. Alcuni esempi di questo tessuto (e delle sue cellule) sono: i neuroni e il tessuto muscolare. I neuroni sono responsabili di trasmettere il segnale bioelettrico eccitatorio ad un altro neurone (che costituiscono i nervi) o ad un tessuto muscolare, o ad una ghiandola del cervello, mentre le cellule muscolari sono responsabili della contrazione e della distensione muscolare. Alcune cellule specializzate generano segnali bioelettrici: recettori ottici (occhi), le cellule muscolari che trasmettono la sensazione del dolore, ecc.

Il neurone e la bioelettricità

Il neurone può essere diviso in tre parti principali: dendriti, Soma, Axon. I dendriti sono prolungazioni del soma a forma di alberi (dendros in greco) e ricevono la maggior parte dei segnali eccitatori.

Il soma contiene il nucleo della cellula ed è dove avviene la maggior parte della sintesi delle proteine. L'Axon è un prolungamento del soma ed è responsabile della sinapsi (meccanismo di trasmissione del segnale eccitatorio ad un'altra cellula).

La maggior parte dei vertebrati riceve le stimolazioni elettrochimiche nel soma o nei dendriti e le trasmette attraverso l'axon. Questo potenziale bioelettrico comporta movimenti ionici attraverso la membrana cellulare.

Equilibrio ionico e correnti ioniche

La prima cosa da prendere in considerazione è che la concentrazione di ioni all'interno e all'esterno del neurone non è simmetrica. Ciò comporta un gradiente di concentrazione e un maggiore gradiente elettrico. Questo significa che c'è un equilibrio di tensione diversa da quella di 0 V tra la media intra-cellulare ed extra-cellulare, per ogni tipo di ione esistente. Ci sono quattro ioni principali coinvolti in questo processo: sodio (Na), potassio (K), cloro (Cl) e calcio (Ca). Ognuno di loro ha diverse permittività (equivalenti alla conduzione) attraverso la membrana del soma e diversi equilibri di potenziali. Questo porta all'esistenza di un equilibrio di potenziale globale che si chiama potenziale di riposo. In molti neuroni il potenziale di riposo ha un valore negativo di circa -70mV, che per convenzione significa che c'è un eccesso di carica negativa nello spazio intra-cellulare. Questo valore è ottenuto usando l'equazione di Nernst e l'equazione di Hodgkin-Katz-Goldman. L'esistenza di potenziali di equilibrio diversi (costanti) e la variazione di permittività ci consente di modellare la membrana del neurone come un circuito elettrico come mostrato nella figura. CM è la capacità del neurone dove la membrana è il dielettrico.

La permittività ionica è fermata dai cosidetti canali ionici che sono specifici per ogni ione. Questi canali si aprono e si chiudono durante la ricezione, generazione e trasmissione del segnale di stimolo. La variazione di queste permittività sono modellate come variazioni della conduttanza Gi. Notare che GL si riferisce al modello parallelo per il cloro e il calcio. Come possono essere calcolare, queste variazioni portano ad una variazione dell'equilibrio di tensione e perciò il potenziale transmembrana cambia. Qui abbiamo l'origine dei segnali bioelettrici, che possono essere misurati da degli speciali elettrodi.

Il potenziale d'azione

Potenziale d'azione è il nome che identifica i segnali stimolator. La ragione di questo nome è semplice: i neuroni fondamentalmente sono dei generatori/trasmettitori di segnali binari. Il potenziale d'azione ha una forma d'onda specifica e può essere considerato come un 1 logico. Quando le membrane ricevono uno stimolo (un segnale chimico o elettrico) che fa alzare la tensione oltre i +20mV (lasciando il neurone a -50mV), il potenziale d'azione si attiva. Il potenziale d'azione ha una tensione di ~+90 mV picco-picco e può essere comparato. Questo PA è trasmesso attraverso l'assone (ogni punto della membrana dell'assone è stimolato con la precedente tensione del PA) e quando raggiunge la fine dell'assone vengono espulse alcune sostanze chimiche (neurotrasmettitori) che stimolano chimicamente il neurone principale avviando l'intero processo in quel neurone.

Segnali bioelettrici

Tutti questi segnali si sommano attraverso tutto il corpo che è conduttore e può essere misurato sulla pelle di un paziente. Per esempio, se colleghiamo un elettrodo su di un muscolo e un altro elettrodo abbastanza lontano sul corpo, possiamo notare la cosiddetta Elettromiografia (mio = muscolo). Saremmo in grado di vedere in un oscilloscopio come il segnale cambia quando contraiamo il muscolo, rilassarlo, ect. I circuiti più interessanti che che una persona può costruire sono: un ECG (elettrocardiogramma) e un elettronistagmografia (ENG). Il primo è il noto dispositivo medico che ci permette di registrare l'attività del cuore. L'ENG è un circuito che permette di tracciare i movimenti dei nostri occhi (nistagmia). Questi circuiti non sono complessi ma molto utile in diverse occasioni.

ECG
L'ECG è generato con l'attività muscolare del cuore. Questi segnali bioelettrici si sommano e generano un segnale la cui forma d'onda è molto nota. Il segnale dell'ECG ha una banda di 1650Hz. Con una frequenza di taglio inferiore di 0.25Hz in modo da rimuovere i segnali continui e il disturbo della respirazione. Il segnale dell'ECG sulla pelle ha un'ampiezza di circa 5mV. L'immagine mostra un tipico circuito di acquisizione ECG.

La parte del circuito della gamba destra è utilizzato per ridurre le interferenze che possono essere generate da interferenze elettromagnetiche, dalla tensione di rete ecc. Per evitare un elettroshock, l'impedenza tra lo stadio differenziale e la sezione RL deve essere dell'ordine dei MOhm. Il resto è un semplice amplificatore con un filtro passa-banda. Dato che vogliamo la tensione di uscita di circa 5V di picco, il circuito dovrebbe amplificate 1000 volte. E' raccomandato che lo stadio differenziale amplificasse 100 volte e il secondo stadio di 10 volte, in modo di massimizzare il rapporto tra segnale e rumore. Per eliminare le interferenze elettromagnetiche, si può usare la gabbia di Faraday. Notare che il parallelo tra C1//R9 deve essere uguale al parallelo C2//R10, R4=R5, R6>1MOhm e R7=R8.

Elettroshock

Microshock = quando l'elettroshock è effettuato al cuore (ad esempio con un catetere intracardiaco). Se la corrente è superiore ai 10uA si ha la fibrillazione.
Macroshock = quando l'elettroshock è fatto tra parti esterne del corpo (ad esempio da mano a mano). Per evitare che una corrente maggiore di 10uA passi attraverso il cuore, la corrente di macroshock non deve essere maggiore di 10mA.
Questi valori sono definiti nello standard IEC-606 01-1. E dovrebbero essere sempre rispettati. Per garantire la sicurezza dei dispositivi medici sono effettuati un sacco di test per assicurare che le correnti non eccedano questi limiti. Una corrente che passa attraverso un muscolo lo fa contrarre e questo può rivelarsi pericoloso. In un elettroshock, una persona può perdere la capacità di respirare , muoversi, ecc. Ma l'elettricità è usata per la stimolazione dei muscoli così come in Stimolazione Elettrica Funzionale, defibrillatori, etc. Questo saràa discusso in articoli futuri.