Bioelektromagnetismo

Bioelektromagnetismo deritzo izaki bizidunek esperimentatzen dituzten prozesu elektrikoak ikertzen dituen zientziari. Nagusiki, zelulen aktibitate elektrikoa aztertzen du eta zirkuitu elektrikoez deskribatzen da.

Izaki bizidunen zelula elektriko nagusia neurona da. Neuronaren edo beste zelula baten aktibitate elektrikoa mintzean kontzentratu egiten da bereziki; horrek eragiten duen kargen banaketaren ondorioz, potentzial elektriko bat sortzen da. Potentzial elektriko horren balioa -60 eta -90 mV artekoa da zelula atsedenaldian dagoenean, kanpoaldeko potentziala delarik erreferentzia-puntua (0 mV). Hala ere, zelulak estimulu bat jasotzen badu, potentzial elektrikoa aldatu daiteke denbora tarte batean. Estimulu horrek mintzaren potentziala positiboagoa bihurtzen badu, depolarizazioa delako fenomenoa gertatzen da. Aldiz, negatiboagoa bihurtzen badu, hiperpolarizazioa

Mintz zelularraren potentziala 
Mintz zelularraren osaketak eta bertako ioi-kanalek sortzen dute zelulen potentzial elektrikoa. Mintz zelularra bikapa-lipidikoa da, hau da, fosfolipido anfipatikoz osatuta dago; hori dela eta, atal hidrofiliko eta hidrofobikoa ditu.

Mintzan zehar ioi-kanalak daude, aktiboak ala pasiboak. Kanal pasiboak beti daude irekita eta ioi bakoitzeko espezifikoak dira; mota honetako kanalek atsedenaldiko potentziala mantentzen dute. Kanal aktiboak, berriz, estimulu baten arabera ireki edo itxi egiten dira eta akzio potentzialen arduradunak dira. Hauen artean sodio(Na)-potasio(K) ponpak daude, kontzentrazioak berdin mantentzen dituztenak. Kanal hauek ioi desberdinak garraiatzen dituzte haien gradienteen kontra: Na-ioiak ingurune extrazelularrera ponpatzen ditu, eta K-ioiak, berriz, intrazelularrera, 3Na-2K ratioarekin. Kanal aktiboek energia iturri bat behar dute funtzionatu daitezen; energia hori zelula beraren mitokondriek sortutako ATP-tik (adenosin trifosfatotik) eskuratzen dute.

Atsedenaldiko potentziala 
Atsedenaldiko potentziala ezartzeko bi fenomeno desberdin gertatzen dira:
 Difusioa: Ioi-kontzentrazio desberdintasun bat dagoenean ioi-fluxu bat gertatzen da; partikulak kontzentrazio handienetik txikienera igarotzen dira bi aldeko kontzentrazioak berdindu arte.
  Fenomeno hau Fick-en legearen bitartez deskribatzen da:

  J: Ioi-fluxua
 D: Difusio-koefizientea
 𝜙: Ioi-kontzentrazioa
 x: Distantzia mintz zelularraren zehar

 Drift efektua: Mintz zelularrez banatuta dauden aurkako kargek elkar erakartzen dute, eta bigarren difusio bat sortzen dute. Horrek drift izena hartzen du eta potentzial netoa edo atsedenaldiko potentziala lortu arte gertatzen da.
Efektu horren ondorioz sortutako ioi-fluxua Ohm-en legearen bitartez kalkulatu daiteke:

 Z: Balentzia ionikoa (Adib. Na+ Z=1,Ca++ Z=2,Cl- Z=-1)
 v: Boltajea
 dv/dx= -E
Ioien fluxu totala kontuan hartzeko, hau da, aurreko fenomenoak batzeko, Goldman-en ekuazioa erabili ohi da:

Horretan, mintz zelularrak ioi bakoitzarekiko duen iragazkortasuna eta ioien kontzentrazioa erlazionatzen ditu atsedenaldiko potentzialarekin.

Mintza soilik ioi batetiko iragazkorra bada, aurreko adierazpena sinplifikatu egiten da eta Nerst-en ekuazioa deritzon espresioa lortzen da:

Orokorrean, soilik ioi batekiko iragazkorrak diren zelulak neuroglia zelulak dira; hain zuzen ere, potasioarekiko (K) iragazkorrak dira.

Akzio potentziala 
Zelula bat estimulatzen denean, beraren mintzaren propietateak aldatu egiten dira. Estimulu horiek jatorri desberdina izan ohi dute:
 Organo sentsorialen ehunetan, mintz zelularren kanalak hainbat energia-hartzailetara konektatuta daude; energia hori estimulua sortzen duen iturria da.
 Beste mintzetan, estimulua gertatzen da mintz zelularraren potentzial aldaketaren ondorioz.
 Azkenik, kanpo-estimuluak estimulazio artifizial batek sortzen ditu.
Estimulazioak eragindako propietate aldaketak ioiekiko iragazkortasunen balioak aldatzen ditu, nagusiki Na+ eta K+ ioiekikoa. Esan bezala, estimulua atalase-balioa baino handiagoa izan behar da.

Estimulazioaren hasieran Na-kanalak irekitzen direnez, Na-ioiekiko iragazkortasuna igo egiten da; beraz, Na kantitate handia sartzen da zelulan eta era berean zelularen potentziala positiboagoa bihurtzen da. Iragazkortasun aldaketa horrek oso gutxi irauten du; beraz, denbora gutxi barru, Na-kanalak itxi eta potasio-kanalak ireki egiten dira, K-ioiak zelulatik kanporatzeko. Horrela, denboran zehar estimulazioak eragindako aldaketak desagertzen dira eta mintz zelularra atsedenaldiko egoerara bueltatzen da.

Neuronen arteko konexioa neurotransmisore izeneko elementu kimiko batzuen bitartez gauzatzen da. Horiek neurona batetik bestera igarotzen dira eta energia kimikoa energia elektriko bihurtzen dute. Horrela, neuronetan zehar garraiatzen da elektrizitatea, eta estimulu horren atalase-balioa gainditzen badu, akzio-potentziala delako depolarizazioa gertatzen da. Depolarizazio horrek  100mV-eko balioa har dezake gehienez, 1-5 ms arteko iraupena du, eta beste seinaleek ez bezala, ez du anplituderik galtzen bidean zehar.

Akzio potentzialaren garraioa 
Akzio potentziala somaren eta axoiaren arteko gunean sortzen da. Axoian zehar modu desberdinetan garraiatzen da zuntz motaren arabera; bi zuntz mota desberdintzen dira: zuntz mielinizatua eta mielina gabekoa. Mielina gabeko zuntzak ornogabe gehienetan aurkitzen dira; horietara potentzial elektriko bat iristean, zuntz osoan dauden kanal aktiboak ireki eta itxi egin behar dira estimulua garraiatzeko; ornodunetan, berriz, zuntz mielinizatuak agertzen dira, hau da, haien axoiak mielina izeneko substantzia isolatzailea du; beraz, estimulua mielina agertzen ez den axoiaren guneetatik (Ranvier-en nodoak) garraiatzen da. Hori dela-eta, zuntz mielinizatuak dituzten neuronek ez dute hainbeste kanal aktibo ireki eta itxi behar, eta estimulua azkarrago garraiatzen dute.

Mintz zelularrari dagokion zirkuitua 
Aurreko ataletan azaldutakoa zirkuitu elektriko baten bitartez deskribatzen da. Zirkuituak hainbat atal ditu:
 Hiru pila: pila bakoitzak ioi bakoitzaren fluxuak eragindako indar elektroeragilea adierazten du.
 Erresistentziak: kanal ioniko bakoitzak duen iragazkortasuna erresistentzia batekin islatu daiteke.
 Kablea: pilak eta erresistentziak konektatzen dituzten material eroaleak likido extrazelularra zein zitoplasma ordezkatzen ditu.
 Kondentsadorea: aipatu bezala, mintza bikapa-lipidiko iragazkorra da; hori dela-eta, isolatzaile gisa funtzionatzen du bi ingurune eroaleen artean (zitoplasma eta likido extrazelularra), kondentsadore baten modura.

Bibliografía 
 “Biomedical CMOS IC-s, Chapter 2: Introduction to bioelectricity”, Yong Jeong, Chris van Hoof, Hoi-Jun Yoo (Ed). Springer 2010. (Online eskuragarri).
 “Medical instrumentation: Application and design”, John G. Webster, Wiley 2010.
 “The Biomedical engineering handbook”, Joseph D. Bronzino, Donald R. Peterson, CRC press 2015.
 “Introduction to biomedical engineering”, John Enderle, Susan Blanchard & Joseph Bronzino, Elsevier 2005

Kanpo estekak 

Biofisika
Elektromagnetismoa
Fisiologia