Základy elektrofyziologie EMG Dr. Věra Valoušková, CSc

Zpracování signálu Hrubá analýza Spinal cord medulla cerebellum Několik úrovní Hrubá analýza detailní analýza Spinal cord medulla cerebellum midbrain – limbic system Midbrain (thalamus) Telencephalon (cortex) 2

Vedení a předávání informací elektricky chemicky Základem je membrána schopná reagovat na změny chemických a elektrických gradientů a generovat a vést tzv. akční potenciály (AP) AP je aktivní odpověď buňky na dráždění, depolarizační vlna, která se šíří membránou vzrušivé buňky indukcí Pomocí AP buňka kóduje a přenáší informaci o celkové délce a síle podráždění (latence, frekvence)

Elektrické signály v NS LOKÁLNÍ POTENCIÁLY NEBO PROUDY- gradované, (stupňované), šířící se s úbytkem (generátorové nebo receptorové potenciály) - na sensorických zakončeních - reakce na sílu podnětu, přeměna energie např mechanické - při ohnutí lokte či vlásků v Cortiho orgánu nebo tepelné na elektrickou - na synapsích (post)synaptický potenciál (proud), stupňovaný podle počtu vyloučených kvant neuropřenašečů: inhibiční (hyperpolarizace po několik ms postsynaptické membrány - otevírání Cl kanálů) aktivační (depolarizace - otevírání Na kanálů nebo Na-K kanálů) podle počtu aktivních receptorů na postsynaptické membráně 2. AKČNÍ POTENCIÁLY (impulsy) aktivně se udržují otevíráním Na-kanálů

Generátorový (receptorový) potencial - kódování stimulů Sensorický neuron: Intenzita dráždění - frekvence AP Délka dráždění - délka série AP Množství uvolněného neuropřenašeče závisí na velikosti a délce generátorového potenciálu a ten je dán intenzitou a délkou dráždění (stimulu) receptor potential axon trigger zone změna ->zvýšení (snížení) aktivity receptoru

Synaptický potenciál – sumace „kanálových“ potenciálů membrána - kondenzátor Haines, Fundamentel Neuroscience, 1997, p. 45

Spontánní aktivita neuronu - intracelulární registrace out in -70 mV

Nervová buňka - neuron je analogově-digitální převodník: vyhodnocuje jednotlivé analogové vstupy (příspěvky jednotlivých synapsí). Výsledkem je aktivní odpověď neuronu – akční potenciál. Ten buď vznikne (1), nebo ne (0)  je to digitální výstup, odpověď „všechno nebo nic“. Kóduje vstupní informaci (latence, frekvence, amplituda AP)

Frekvenční kódování - extracelulární záznam Udává délku a sílu signálu Kvalita signálu? Množství podrážděných buněk (nervových vláken) a jejich topické rozložení v nervu – rozlišení typu a kvality signálu

Somatotopická reprezentace těla v precentrálním závitu („motorický homunkulus“) a v postcentrálním závitu („senzorický homunkulus“).

Aktivace iniciálního segmentu – prahová depolarizace - AP + - ortodromní vedení (absolutní a relativní refrakterní perioda) Proč AP vzniká pouze v iniciálním segmentu? Čím je dána amplituda AP? Hustota iontových kanálů Počet otevřených napěťově závislých iontových kanálů + - Post-synaptické potenciály depolarizují dendritické větve, vytváří se elektrický dipól s tělem neuronu – > aktivace iniciálního segmentu

Iontová propustnost membrány během AP akční potenciál opačný směr iontových toků vodivost 1 – podprahový EPSP 2 – prahový EPSP 3 – akční potenciál (AP) 4 - AP – kratší latence – nadprahový EPSP Prázdná šipka – práh – stoupající vodivost pro Na+ začíná převyšovat vodivostí pro K+ Plná šipka – vrchol AP - stoupající vodivostí pro K+ začíná převyšovat klesající vodivost pro Na+ Haines, Fundamentel Neuroscience, 1997, p. 37

Bipolární registrace akčního potenciálu Elektrody v těsné blízkosti vlákna. Elektroda, ke které vzruch dorazí dříve je negativní a potom positivní vzhledem ke druhé elektrodě. Vzdalujeme-li obě elektrody od vlákna, amplituda registrované vlny se zmenšuje, vlna zůstává stále bifazická.

Postup signálu (bipolární registrace potenciálu) - + - + + - - + + - + - + - + - - + + - + - Pokud vzdálíme-li jednu elektrodu mnohem více než druhou, změny potenciálu se na vzdálenější elektrodě projevují mnohem méně než na elektrodě v blízkosti vlákna => monopolární registrace

Monopolární registrace Pokud vzdálíme-li jednu elektrodu mnohem více než druhou, změny potenciálu se na vzdálenější elektrodě projevují mnohem méně než na elektrodě v blízkosti vlákna => dostáváme snímání monopolární vzdálená elektroda - indiferentní nebo referenční, blízká elektroda - aktivní (registrační)

Monopolární registrace Monopolární záznam - aktivní elektroda je positivní, pokud je v místě, kde proud vytéká z buňky ven (vyšší membránový potenciál než průměrný membránový potenciál sousedních míst na membráně) je negativní v místě, kde proud vstupuje membránou dovnitř vlákna. Průchod vzruchu pod aktivní elektrodou - trifázická vlna + - out in current

Postupující signál (monopolární registrace) + - current

Evokovaný (indukovaný) potenciál AP recording - n. sciaticus (frog) Amplituda závisí na vzdálenosti elektrody od nervu tj. na intenzitě el. pole (odovídá hustotě siločár) Indeferentní (referenční) elektroda - jiná končetina Bureš et al., 1967 El. Methods in Biol. Res.

Elektrické pole dipólu Sumace aktivity N-nů= EEG Bureš et al., 1967 El. Methods in Biol. Res.

EEG rytmy (vlny) Alfa – rytmus Beta – rytmus Theta – rytmus EKG Alfa – rytmus Beta – rytmus Theta – rytmus Delta – rytmus 20

Čím je dána změna síly fazické či tonické svalové kontrakce při změně zátěže? Počtem aktivovaných motorických jednotek Co je motorická jednotka ?

Motorická jednotka (MJ) = svalová vlákna inervovaná jedním motoneuronem Antigravitační svaly – velká MJ – více než 1 000 svalových vláken Jemná motorika – prsty – 2-3 vlákna důležité pro přesné řízení velikosti svalové kontrakce u velmi jemných pohybů Motoneuronový „pool“ = skupina motoneuronů inervující kritickou jednotku svalových vláken 1 svalu Šlachové tělísko - 10-15 vláken, svalové vřeténko - 3-1200 vláken

Fazická a tonická svalová vlákna Vlastnosti dolních motoneuronů (LMN) Rychlá (fazická) svalová vlákna - glykolýza (ATP) - 30-60Hz - rychlá únava Pomalá (tonická) svalová vlákna - oxidativní fosforylace (glukóza z krve - ATP) - 10-20 Hz, víc mitochondrií, myosinu - červenější Tonické svaly - převažují pomalá vlákna Fázické svaly - převažují rychlá vlákna Princip „rozměru LMN“ - Vzrušivost LMN nepřímo úměrná jejich velikosti: malé neurony (tonické)- malé množství vláken , menší větvení, kratší axony– vyšší excitabilita než velké N-ny (vyšší odpor u malých N-nů => vyšší KMP – blíže k prahu) twitch - škubnutí rely - spoléhat se fatigue - únava (též materiálu)fe´tíg Typ LMN-nů ovlivňuje metabolismus a typ svalového vlákna (atrofie při ztrátě motoN-nů) 23

Divergence vedení signálu Přenos signálu z mozkové kůry ke svalovým buňkám motorická jednotka horní motoN-n (Cx) dolní motoN-ns (SC) motorická jednotka 1 svalová vlákna motorická jednotka 2 Divergence, konvergence - jedna a vícedrah Converging, diverging, repetitive discharge Guyton 580 Unava S-sí: automatická up down regulace receptorů, stabilní syntéza receptor. Bílkovin endopl retikulem a aparátem Golgi - hodně užívané spoje - receptory rychleji a více degradují - snížená sensitivita, málo užívané - přebývají - větší sensitivita (motoneurony, u ploténky výlev Ach v různých kvantech (centrální stejná kvanta) 24

Reverberace - následné výboje v míše umožňují dokončit kontrakci i po ukončení stimulace Reverberace tlumena únavou synapsí v síti = automatická down-up regulace citlivosti k podnětu nadměrně užívané části sítě - snížení senzitivity (transmitery, obsazené receptory, odstraněné receptory) málo užívané části sítě -zvýšení sensitivity - více receptorů (EPR-Golgi aparát - průběžná tvorba nových receptorů) Umožňuje rovnoměrné rozložení stahu mezi motorické jednotky

?EMG? Elektro-Myo-Gramm = suma electrických polí activovaných svalových buněk Mění se amplituda EMG při různé síle svalové kontrakce? Pokud ano, proč? Silnější svalová kontrakce = > vyšší počet svalových buněk kontrahuje => více motorických jednotek je aktivováno

Srdeční buňky kontrahují všechny, téměř najednou ??? Jaký je rozdíl kontrakce srdečního a kosterního svalu? Srdeční buňky kontrahují všechny, téměř najednou Svalové (kosterní) kontrahují postupně (jednotlivé motorické jednotky), podle zátěže

AP vs. svalová kontrakce Heart contractile fibre Frequency of stimulation Refraktoryperiod tetanic contraction Rychlá svalová vlákna str.465 Silverthorn Skeletal muscle fibre 28

Reakční doba Reakční doba je časový interval mezi stimulem a odpovědí (dráždění - svalová kontrakce) -závisí na - rychlosti zpracování signálu receptorem, neurony - rychlosti synaptického přenos (receptor-centrální neuron-nervosvalová ploténka) - rychlosti vedení vzruchu po axonu, délka axonu (nervu) - reaktivitě výkonného orgánu (svalová buňka, epitel. b. -žláza) http://fbmi.cvut.cz/files/nodes/657/public/EVOKOVANÉ%20POTENCIÁLY.pdf Ambler, Z. et al.: Klinická neurologie, Triton, 2008

Rychlost vedení el. impulzu závisí na Vedení vzruchu Rychlost vedení el. impulzu závisí na - průměru vodiče - jeho izolaci větší průměr axonu - menší vnitřní odpor– rychlejší vedení lepší izolace vodiče (větší odpor membrány)- menší „únik“ proudu Nemyelizovaná vlákna pomalé vedení signílu v NS asi 40% axonů Myelizovaná (izolovaná) vlákna - rychlé vedení

Rychlost vedení signálu– prostorová konstanta l Vzdálenost, ve které intenzita odpovědí dosahuje cca 37% originální velikosti

Klasifikace nervových vláken (rychlost vedení vzruchu) Guyton 577 32

Elektroneurogram smíšeného nervu NM M Průřez nervem, zv. 57 tis.x M-myelinizovaný, NM - nemyelinizovaný axon (Piters a spol. 1972) Dělení vláken podle Erlangera a Gassera (číselné podle Lloyda) Vlákna kategorie A –myelinizovaná, 4 podskupiny Vlákna kategorie B –myelinizovaná pregangliová vegetativní Vlákna kategorie C –nemyelinizovaná postgangliová vlákna sympatiku (CS), dostředivá vlákna pro bolest Cd.r. – dorsal roots

Relativní citlivost savčích nervových vláken

N. Medianus - rychlost vedení vzruchu - výpočet Latence odpovědi

Svalové vřeténko - flexorový Rx (uklouznutí)

Otázky EMG I 1) Jaké fyziologické děje se odehrávají v době mezi stimulací nervu a motorické odpovědi na stimul Vznik akčního potenciálu (AP)v nervových vláknech, vedení impulsu, uvolnění acetylcholinu ze synapsí, aktivace receptorů nervosvalové ploténky, depolarizace membrány svalových buněk, vznik AP (kontrakce svalové buňky) 2) Na rozdíl od křivky elektrokardiogramu (EKG), elektromyogram (EMG) není pravidelný. Proč tomu tak je? Srdce – po stimulaci se kontrahují téměř najednou všechny kardiocyty (kontrakce všech nebo žádného), není sumace, tetanická kontrakce (refrakterní perioda). Myocyty – EMG – suma elektrické aktivity mnoha svalových vláken – nárust amplitudy stimulace vede k nárustu počtu aktivovaných myocytů (mají různou excitabilitu –práh vzniku AP) 3) Jak se změnila křivka EMG, když zvýšíte zátěž na vaši paži? Čím změnu vysvětlíte? Zvýšení zátěže vyžaduje zvýšení svalového napětí (tonusu), tj. více nervových vláken je aktivováno. Amplituda elektrické odpovědi (EMG) závisí na počtu aktivovaných svalových vláken, tudíž při zvyšující se zátěži se bude zvyšovat.

Otázky EMG II 4) Co odráží latentní perioda (latence) na křivce EMG vašeho záznamu. Jak se mění latence svalové odpovědi při zvýšení intenzity dráždění příslušného periferního nervu. Latence je časový interval mezi stimulem a odpovědí (dráždění - svalová kontrakce) -závisí na rychlosti vedení vzruchu po axonu a vzdálenosti místa dráždění nervu od svalu. Doba od vzniku akčního potenciálu ve svalu po svalovou kontrakci nezávisí na intenzitě dráždění. 5) Na základě rychlosti vedení nervového impulsu spočítejte, jak dlouho běží nervový impuls z horního motoN-nu (Cx) ke svalu palce u nohy? ( předpokládaná vzdálenost 1,0 m) Rychlost vodivosti se liší mezi nervy, ale může dosahovat i100 m/s. Při této rychlosti by přenos signálu trval 10 milisekund (0,01 sec).

Otázky EMG III 6) Popište koaktivaci, jaký by mohl být jeho fyziologický mechanismus? Na EMG se koaktivace projevuje jako malé zvýšení aktivity neaktivního svalu, antagonisty ke svalu aktivovanému. Svalová koaktivace - souhra protilehlých svalových skupin - dána vrozeným pohybovým programem v CNS - spojena s posturální funkcí. Koaktivací dochází k fixaci polohy kloubu. Svaly reagují v posturální funkci jako celek, jako systém (tonické i fazické motorické jednotky) a je zde zcela odlišná reflexní komunikace mezi svaly, než je na spinální nebo kmenové úrovni. Retikulární formace? Svalové vřeténko?

………………………