אלקטרופיזיולוגיה

אלקטרופיזיולוגיה (באנגלית: Electrophysiology) היא תחום מחקר בביולוגיה המאופיין במדידת זרמים חשמליים או שינויים במתח חשמלי מתכשירים ביולוגיים או מבני אדם, בעזרת אלקטרודות. ביונקים, שתי רקמות מייצרות זרמים חשמליים ושינויי מתח כחלק מתפקודן: מערכת העצבים והשרירים. לפיכך, עיקרו של התחום התפתח החל במאה העשרים בתחום של מדעי העצב (נוירוביולוגיה), ופיזיולוגיה של הלב. נושא המטען החשמלי בגוף החי הוא היון, כלומר אטום שיש לו חוסר או עודף של אלקטרון אחד או יותר בקליפה החיצונית. מאחר שהסביבה התאית היא מימית, מלחים של תרכובות שונות מתמוססים במים, וכתוצאה מכך נוצרים יונים חיוביים ושליליים המוקפים במולקולות מים (יונים ממוימים), ומסוגלים לנוע בתמיסה באופן חופשי. היונים העיקריים שתנועתם דרך קרומי התא מייצרת את הפעילות החשמלית הם אשלגן, נתרן, כלור וסידן. קרומי התאים בנויים מולקולות שומניות שאינן חדירות ליונים, ותנועה זו מתקיימת רק דרך מבנים חלבוניים, תעלות יונים, באופן מבוקר. תנועת היונים דרך קרומי התא והבדלי הריכוז שלהם בין האזורים החוץ תאיים והתוך תאיים יוצרים הבדלי פוטנציאליים חשמליים בין פנים וחוץ התא (ערך אופייני בתא שריר הוא כ־90 - מיליוולט). בהתאפשר זרימה של יונים דרך קרום התא (ממברנת התא) ייווצר זרם חשמלי הניתן למדידה. זרמים אלו והשינויים שהם גורמים להפרש המתחים בין פנים וחוץ התא ניתנים למדידה בעזרת סדרה של טכניקות אלקטרופיזיולוגיות. החדירות (ובהתאם המוליכות החשמלית) של ה"תעלות" למעבר יונים, שונה מיון ליון ויכולה להיות מותנה במתח התא או בחומר (הורמון, מוליך עצבי) המתחבר אליהן. ניתן להציג מודל חשמלי (הנקרא מודל הודג'קין-הקסלי) לקרום התא כמעגל חשמלי שיש לו קבל ונגד מקבילים. הקבל מייצג את חלוקת המטענים משני צדי הקרום ואילו הנגד מייצג את המוליכות החשמלית של ה"תעלות היוניות". בסדרת משוואות דיפרנציאליות שפותחו על ידי הודג'קין והקסלי בשנות הארבעים של המאה העשרים, הוצג מודל מתמטי של זרמי הנתרן והאשלגן בתא העצב, המתבסס על התכונות החשמליות של קרום העצב ומהווה מודל בסיסי להבנת דרך פעולתו של תא רגנרטיבי, כלומר תא הפועל כאשר הבדל הפוטנציאלים בין החוץ והפנים עובר סף מסוים. על כך זכו בפרס נובל בשנת 1963. מדידת המתחים והזרמים על ידי אלקטרודות נעשית בעזרת כלים אלקטרונים כדוגמת משקף תנודות (אוסצילוסקופ) לאחר הגברה בסדרת מגברים רגישים. בגלל רמת האות הקטנה דרושה זהירות רבה להפקת אותות נקיים ללא "רעש אלקטרוני" דבר המחייב עבודה בתוך כלוב פאראדיי והארקות שונות. ניתן להפריד באופן גס את שיטות העבודה לשנים: רישומים מתבחינים ביולוגים המתקיימים במעבדה בתבחינים מבודדים in vitro ובשיטות מדידה מאיבר שלם ומתפקד in vivo. רישום חוץ תאי רישום המתבצע על ידי שתי אלקטרודות מתכת המצופות בכסף כלורי והמונחות במרחק זמ"ז מחוץ לתא עצב או שריר. עם התקדמות פוטנציאל הפעולה הוא נרשם בזמנים שונים על ידי שתי האלקטרודות ברמות מתח חשמלי שונות. זוהי טכניקת רישום פשוטה המאפשרת רישום פעילות חשמלית של תא בודד על ידי זיהוי פוטנציאל הפעולה שלו, או של אוכלוסייה גדולה של תאים באמצעות רישום השדה החשמלי הנוצר על ידי פעילותם. רישום תוך תאי רישום מתח ושינויי זרם הנעשה על ידי אלקטרודת זכוכית המלאה בתמיסה יונית החודרת את קרום התא ומודדת הפעילות החשמלית עפנ"י קרום התא. סוג אחד של אלקטרודות הן "אלקטרודות חדות", בעלות קוטר בסדר גודל של מיקרון, והן "פוצעות" את קרום התא וחודרות אותו. סוג שני של אלקטרודות זכוכית הן בעלות פיה עגולה וחלקה מאוד, בקוטר של מספר מיקרונים, אשר נצמדות לקרום התא וקורעות את פיסת קרום התא שבתווך ובכך יוצרות רצף בין תמיסת תוך התא ובין התמיסה שבאלקטרודה. הטכניקה הזו מכונה "Patch Clamp" (אנ'). קיבוע מתח או קיבוע זרם רישום תוך-תאי ניתן לקבע את הפרש המתחים של התא ברמות שונות על פי קביעת הנסיין, ואז לרשום את הזרמים החשמליים דרך קרום התא. למשל, ניתן להשתמש בטכניקה זו לגלות פעילות של תעלות יונים הרגישות למתח מסוים (כלומר מופעלות בתחום מתחים מסוים וחדלות בתחום אחר או לאחר זמן מסוים). לחלופין, ניתן לקבע את הזרם החשמלי דרך קרום התא, ואז מערכת הניסוי עוקבת אחר השינויים במתח. קיבוע פיסה שיטה בה אלקטרודת זכוכית המלאה בתמיסה "מוצמדת" לקרום התא ורושמת פעילות של מספר מצומצם ביותר של "תעלות יוניות". בתצורות שונות של קיבוע פיסה ניתן לבחון מאפיינים רבים של פעילות התעלה ואת רגישותה לחומרים שונים. אלקטרו-אנצפלו-גרם (EEG) רישום של פעילות מאלפי תאים בקליפת המוח הנעשית בהצמדת אלקטרודות שטח לפנים החיצוניים של הגולגולת. הרישום יכול להיות ספונטני או בתגובה לגירוי קול או אור. האות המתקבל לאחר עיבוד וסינון האותות הנקלטים משמשים לאבחנה ומחקר. אלקטרו-קרדיו-גרם (ECG) רישום הפעילות החשמלית של שריר הלב הנרשם מסדרה של אלקטרודות המונחות בנקודות מסוימות על בית החזה. הרישום מתבצע באופן שגרתי על ידי טכנאי ומפוענח על ידי רופא ומתקבלת ממנו מידע רב על מצבו של הלב ועל הופעת תופעות פתולוגיות בפעילותו. אלקטרו-מיו-גרם (EMG) רישום חשמלי משרירי השלד. בעזרת אלקטרודת שטח אפשר לרשום פעילות משריר שלם ובעזרת אלקטרודת מחט אפשר לרשום פעילות של קבוצת תאי שריר. הרישומים משמשים רופאים ומומחים לאבחון מחלות או לבדיקת כושרו ופעילותו של השריר. אלקטרו-ניסטגמו-גרם (ENG) רישום חשמלי בטכניקה דומה משרירים המזיזים את גלגלי העיניים. הרישום משמש רופאים ומומחים לבדיקת כושרם ופעילותם של שרירי העיניים ומידת הדיוק של המוח בהפעלתם. דחף עצבי אלקטרופיזיולוגיה, דף שער בספרייה הלאומית המחלקה להוראת המדעים, מכון ויצמן, סיכום קצר על חומרים יוניים – מבנה וקישור, ‏2017-03-30