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第二章

第二章. 電生理學. 前言. 生命的現象可說是電的現象。人的思考、感覺、動作等生命表現，無一不是由體內電子的移動所引起。 電生理學 (electrophysiology) 以電子理論解釋生命體的生理現象，探討身體的組織或器官的生理機能和電性現象之間的關係。. 2. 細胞膜的電路模型. 3. 4. 平衡電位. 平衡的意義是整個系統不再做任何的改變，而平衡電位 (equilibrium potential) 是在系統產生平衡所要維持的電位。 而為維持細胞內外離子濃度的差異，就會產生所謂的離子平衡電位 (ionic equilibrium potential) 。.

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  1. 第二章 電生理學

  2. 前言 • 生命的現象可說是電的現象。人的思考、感覺、動作等生命表現，無一不是由體內電子的移動所引起。 • 電生理學 (electrophysiology) 以電子理論解釋生命體的生理現象，探討身體的組織或器官的生理機能和電性現象之間的關係。 2

  3. 細胞膜的電路模型 3

  4. 4

  5. 平衡電位 • 平衡的意義是整個系統不再做任何的改變，而平衡電位 (equilibrium potential) 是在系統產生平衡所要維持的電位。 • 而為維持細胞內外離子濃度的差異，就會產生所謂的離子平衡電位 (ionic equilibrium potential)。 5

  6. 描述離子平衡電位與離子濃度的關係式，就是著名的Nernst方程式 (1988年) 6

  7. 圖2.3 離子平衡電位產生 7

  8. 表2.1 在37C時，細胞內外離子濃度和平衡電位 8

  9. 休息電位 • 如果細胞膜只含純磷脂層，則是相當好的絕緣體 (阻抗特性高達 )，但是一般細胞膜的阻抗 介於 ，原因是細胞膜含有離子通道 (ion channel)，每個離子通道准許指定的離子進出細胞膜，所以細胞膜才沒有呈現百分之百的絕緣特性。 9

  10. 圖2.4 含有離子通道的細胞膜的等效電路 10

  11. 其中，m是活化閘 (activation gate)，h是快速非活化閘 (fast inactivation gate)， j是慢速非活化閘 (slow inactivation gate)， 是通道最大的電導 (單位：Siemens ，相當於 的倒數)， m ,h, j是細胞內外的電位， 是鈉離子平衡電位。 是時間和電壓的非線性函數：其值若是1則代表該閘門全開；其值若是0，則代表該閘門全關。 11

  12. 圖2.5 馬可夫連鎖模式的範例 12

  13. 動作電位 • 動作電位 (action potential) 是當細胞膜受到刺激而使得細胞電位產生隨時間變動的現象。通常動作電位會產生位置移動的情形，譬如神經細胞受到刺激，會將動作電位經由神經軸索 (axon) 傳遞下去；心臟細胞運用動作電位的傳遞，使得整個心臟可以同步收縮，以最大的力量將血液送到全身各處。 13

  14. 圖2.6 14

  15. 圖2.7 15

  16. 生理電訊號的激發 • 「全有或全無」定律 • 刺激和反應之間有個所謂「全有或全無」定律 (all-or-none law)。「全有」的意思是：如果刺激的強度和時間足夠大，超過門檻值，就可以引起一個完整而大小和持續時間固定的動作電位；增大刺激的強度或時間並不會影響動作電位的大小或持續時間。「全無」的意思是：如果刺激的強度和時間沒超過門檻值，就不會有動作電位產生。 16

  17. 不反應期 • 不反應期 (refractory period) 是指神經或肌肉細胞無法對刺激起反應的期間。這發生於前一個刺激的反應尚在持續中或者剛結束的時候。不反應期可再分為絕對不反應期 (absolute refractory period) 和相對不反應期 (relative refractory period)。在絕對不反應期，神經細胞對所有的刺激都不會反應，不管刺激的強度有多大；相對不反應期則是對原來刺激的強度不反應，只對強度更大的刺激有反應。 17

  18. 圖2.8 18

  19. 圖2.9 19

  20. 圖2.10 20

  21. 心電訊號 21

  22. 圖2.12 22

  23. 圖2.13 23

  24. 肌電訊號 24

  25. 圖2.15 25

  26. 神經電訊號 • 所謂神經電訊號測量(electroneurography, ENG) 是指研究和測量末梢神經的傳導速度和對刺激起反應的潛伏時間，常又稱為「神經傳導速度」(nerve conducion velocity, NCV) 測量。影響神經傳導速度的主要因素是： (1)神經纖維直徑越大，傳導速度越大。 (2)有髓鞘的神經傳導速度比較大。 (3)健康正常的神經通常比受傷的神經傳導快。 26

  27. 圖2.16 27

  28. 圖2.17 28

  29. 腦電訊號 29

  30. 圖2.19 30

  31. 圖2.20 31

  32. 視網膜電訊號 32

  33. 圖2.22 33

  34. 圖2.23 34

  35. 圖2.24 35

  36. 事件相關電位 • 事件相關電位 (event-related potential, ERP) 泛指因身體內在或外來的事件引起的電生理反應，特別指一個事件發生後所測量到的腦電訊號上和該事件有因果關係的電位變化，叫作誘發電位 (evoked potential, EP)。 • 視覺誘發電位 (visual evoked potential, VEP) • 聽覺誘發電位 (auditory evoked potential, AEP) • 體覺誘發電位 (somatosensory evoked potential, SEP)

  37. 其他生理電訊號 • 胃電訊號 (electrogastrogram, EGG) • 神經肌電訊號 (electroneuromyography, ENMG) • 腦皮質電訊號 (electrocorticogram, ECoG) • 眼球電訊號 (electro-oculogram, EOG) • 眼球震顫電圖 (electronystagmogram) 37

  38. 電極和電解液界面 • 測量意謂得知其某個物理量大小的數值，而因為測量的工具通常是電子儀器，所以如何將待測量的物理量轉換成電訊號是測量時重要的第一步。 38

  39. 半電池電位 (half-cell potential) 39

  40. 在電極和電解液的界面處會形成一很薄的電中性區域，其兩邊各是正電層和負電荷層，叫作電雙層 (electric double layer)。 • 半電池電位的大小因電極的材料而異，此外又受電解液濃度、溫度，以及其他一些因素的影響。「標準半電池電位」是指電極和電解液間之電流量等於0的平衡狀態下的電位差。 40

  41. 極化電位 (polarization potential) • 歐姆過電位 (Ohm‘s overpotentil) • 濃度過電位 (concentration overpotential) • 活化過電位 (activation overpotential) 41

  42. 圖2.26 42

  43. 電極特性和模型 • 電極種類 • 界面電阻抗 (interface impedance) • 銀/氯化銀電極 43

  44. 圖2.27 44

  45. 圖2.28 45

  46. 圖2.29 46

  47. 各個電性參數的關係 • 在這個領域常用到的一些電性參數的關係如下兩式所示： • 電阻抗 (impedance, Z ) = 電阻 (resistance, R )+ 電抗 (reactance, X ) [Ω] • 電導納 (admittance, Y ) = 電導 (conductance, G ) + 電納 (susceptance, B) [S] • 電阻抗率 (impedivity) = 電阻率 (resistivity)+ 電抗率 (reactivity) [Ωm] • 電導納率 (admittivity) = 電導率 (conductivity)+ 電納率 (susceptivity) [S/m] 47

  48. 圖2.30 48

  49. 圖2.31 49

  50. 圖2.32 50

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