Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ НИЖЕГОРОДСКИЙ 
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н. И. ЛОБАЧЕВСКОГО»

ИНСТИТУТ БИОЛОГИИ И БИОМЕДИЦИНЫ

Кафедра биохимии и физиологии
 
Л.В. Ошевенский
М.Н. Таламанова
В.Н.Крылов

ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЯ
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
	
Методические указания для выполнения лабораторных работ

Мероприятие 1.2. Совершенствование образовательных технологий, укрепление материально-технической базы учебного процесса

Учебная дисциплина: «Физиология человека и животных»

Рекомендовано Научно-методическим комиссией института биологии и биомедицины

для студентов, обучающихся по направлению: «06.03.01 Биология»

Нижний Новгород 2017
УДК 611
ББК Е 903я73

М 96

Составители: доцент, канд. биол. наук Л. В. Ошевенский, профессор, док. биол. наук В. Н. Крылов, старший преподаватель, канд. биол. наук М. Н. Таламанова

Рецензент: зав. каф. экологии ИББМ ННГУ док. биол. наук, профессор   Д.Б. Гелашвили

Методическое руководство предназначено для студентов старших курсов, проходящих практические занятия в рамках общего курса "Физиология человека и животных". Практические работы, включенные в данную методическую разработку, затрагивают раздел электрофизиологии, в частности, физиологию возбудимых структур.

© Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского, 2017

БИОЛОГИЧЕСКАЯ МЕМБРАНА

Композитная структура, образующая наружную оболочку всех животных клеток, а также участвующая в формировании внутриклеточных органелл – называется биологической мембраной. 
Биологические мембраны формируют замкнутые структуры и обеспечивают разделение внешней и внутренней среды. При этом мембраны выполняют барьерную функцию, препятствуя свободной диффузии веществ, регулируя процесс переноса веществ и соответственно их концентрацию. 
Мембраны формируют внутриклеточную среду, и обеспечивают высокую сбалансированность протекания метаболических процессов. 
Помимо граничной функции мембраны, обеспечивают: 1) внешнюю рецепцию физических и химических эффекторов поверхностными молекулами и преобразованием информации регуляторными мембранными белками; 2) обладают высокой ферментативной активностью за счет встроенных молекул ферментов; 3) обеспечивают транспорт электронов и фосфорилирование в цепи дыхания; 4) ферментативные процессы синтеза секретируемых продуктов; 5) преобразования внешних стимулов в электрические сигналы; 6) проведение биоэлектрических импульсов; 7) высвобождение синоптических нейромедиаторов.
Состав мембран
На (рис 1) представлена трехмерная схема модели биологической мембраны, которая наиболее наглядно демонстрирует ее морфо – функциональные свойства. 

Рис1 Трехмерная схема жидко – мозаичной модели мембраны Сингера – Николсона. 
Матрикс мембраны представлен липидами, это фосфоглицериды (фосфатидилэтаноламин, фосфатидилхолин) и сфинголипиды (сфингомиелин). Эти соединения амфифильны т. е. имеют полярные головки и неполярные хвосты. 
Группировки образующие полярные головку, гидрофобны (имеют сродство к воде), а неполярные хвостовые группы гидрофобны (не растворимы в воде). 
Двойственная природа мембранных липидов образует бислой и позволяет организовать пограничные разделы в водных растворах, что служит основой организации клеток и клеточных структур. Внутренний гидрофобный участок бислоя обеспечивает интеграцию в мембрану неполярных веществ и участков других образующих мембрану группировок.
 Так для повышения вязкости мембран в состав гидрофобного участка бислоя встроены молекулы стерола что повышает жесткость мембраны и снижает ее текучесть, что является основой разнообразия и постоянства формы клеток и их органелл.
Мембранные белки, это элементы формирующие функциональные свойства мембран. Ферментативную активность определяют флавопротеины и цитохромы белки внутренней мембраны митохондрий, АТФазы, участвующие в активном транспорте, аденилаткиназа, которая катализирует превращение АТФ в цАМФ. 
Белки, не обладающие ферментативной активностью, образуют ионные каналы, являются рецепторами связывающие гормоны, нейромедиаторы и другие эффекторы. 
Белки мембран часто создают комплексные связи с липидами образуя липопротеины, что расширяет их функциональные свойства. 
Одним из наиболее важным свойством биологической мембраны является ее проницаемость, точнее сказать полупроницаемость или перенос веществ через мембрану. 
Пассивный, не энергозависимый перенос веществ через мембрану осуществляется в основном тремя путями, определяется физико-химическими свойствами растворенных веществ и растворителя. 
Вещества, находящиеся в водной фазе по одну сторону мембраны, растворяются в липидном слое мембраны, диффундируют и переходят в водную фазу с противоположной стороны мембраны.
Растворенные вещества диффундируют через заполненные водой поры.
Молекулы вещества связываются с молекулами-переносчиками, встроенными в липидный слой мембраны, и диффундируют в водную фазу с противоположной стороны мембраны из молекулы-переносчика.

Ионные мембранные каналы.
Мембранные каналы образованы белками, погруженными в мембрану, где образуют заполненные водой поры. Через канал диффундируют малые молекулы. Они движутся по градиенту концентрации. Движение молекул по каналу определяется как их размерами, так и зарядом. Мембранные каналы обладают относительной избирательностью по отношению к типу молекул, которые через них проходят. Существуют, например, калиевые и кальциевые каналы, каждый из которых непроницаем практически для любого иона, кроме специфического. Такая селективность обусловлена зарядом или структурой стенки канала. 

Калиевый канал
Калиевый ионный канал имеет свой индивидуальный энергетический профиль, при чем этот профиль динамически изменяется при транспорте иона, что регулирует производительность канала при взаимодействии со средой. На (рис2) представлена схема калиевого канала, где четыре отрицательных заряда зафиксированы на стенке канала. При чем предполагается, что конформация канального белка осциллирует и тем самым облегчается связывание транспортируемого иона и прохождение его через канал.                  

Рис 2 Схема белка, образующего калиевый канал, погруженный в бислой плазматической мембраны.

Потенциал - зависимый натриевый канал
Ионные каналы другого типа обеспечивают транспорт ионов при наличии эффекторного воздействия. К таким каналам относятся потенциал - зависимые натриевые каналы, участвующие в генерации и распространении потенциала действия в нервной системе и рецептор - зависимые каналы синапсов. 
На (рис 2, 3, 4) представлена схема потенциал - зависимого натриевого канала и его состояние при возбуждении.

Рис. 3 Схема белка, образующего натриевый канал в состоянии покоя

Рис.4 Схема белка, образующего натриевый канал при возбуждении – деполяризация мембраны

Рис.5 Схема белка, образующего натриевый канал при возбуждении – деполяризация – реполяризация мембраны

Натриевые каналы активируются (т. е. открываются и пропускают ионы) в ответ на деполяризацию мембраны, при этом они проявляют высоко избирательную проницаемость для Li+ и Na+ по сравнению с другими ионами. Такое свойство обусловлено особой структурой каналов, благодаря которой они играют роль избирательных (селективных) фильтров. Поскольку в норме ионы лития в организме практически отсутствуют, весь ток, проходящий через эти каналы, переносится ионами Na +, ионы же Са2+ и К+ через них почти не проходят.
Процессы, приводящие к открыванию или закрыванию каналов, описывают воротными механизмами. 
В покое натриевый канал механически перекрыт некой заряженной структурой (рис.3). При деполяризации мембраны конформация этой структуры изменяется, и канал открывается (рис.4). Главный аргумент в пользу того, что в мембране действительно происходят подобные механические конформационные перестройки, - это регистрация так называемых воротных токов, возникающих при открывании и закрывании натриевых каналов. Эти очень слабые токи можно обнаружить, если активировать натриевые каналы, предварительно заблокировав их с помощью фармакологических препаратов с тем, чтобы через них не мог протекать мощный ионный ток. Полагают, что воротные токи связаны с перемещением заряженных группировок, приводящим к открыванию активационных ворот (m-ворот) при активации каналов. 
Здесь может возникнуть вопрос, каким же образом деполяризация мембраны приводит к открыванию потенциал - зависимых каналов? Представим себе типичную возбудимую клетку в состоянии покоя. Ее мембранный потенциал составляет – 75 мВ. Деполяризация на 50 мВ (т. е. до – 25 мВ) обычно приводит к активации большей части натриевых каналов, расположенных в мембране. Эти каналы представляют собой молекулы белка, вкрапленные в мембранный липидный бислой толщиной порядка 5 нм. Значит, при деполяризации на 50 мВ в этом бислое (а, следовательно, и в расположенных в нем воротных белках) возникает изменение напряжения 103 на 108 В/см, т.е. 100000 В/см. Неудивительно, что заряженные группировки белков-каналов «чувствуют» такие изменения напряженности поля и отвечают на них конформационными перестройками каких-то участков белковых молекул. 
Считают, что эти конформационные перестройки и лежат в основе воротных процессов, управляющих электровозбудимыми каналами.
При длительной деполяризации натриевые каналы инактивируются. Инактивация развивается в мембране автоматически, и степень ее зависит от мембранного потенциала и времени. Постоянная времени инактивации составляет менее 2 мс. Инактивацию можно подавить, введя в цитоплазму протеолитические ферменты. Это позволяет думать, что в инактивации принимает участие некая белковая структура, расположенная у внутреннего входа натриевого канала - инактивационных ворот (h-ворот). h-Ворота закрываются через несколько миллисекунд после открывания m-ворот (рис.5). По-видимому, закрывание h-ворот зависит от пребывания m-ворот в открытом состоянии.
Тетродотоксин (ТТХ) - вещество, выделенное из внутренних органов иглобрюха (рыбы, обитающей у берегов Японии), способен внедряться в натриевые каналы и блокировать их. Опыты, проведенные на различных видах нервов, показали, что натриевые каналы на участке мембраны аксона площадью 1 мкм2 связывают менее 100 молекул ТТХ. При этом полностью подавляется увеличение натриевой проводимости, возникающее в норме при деполяризации. 
Кинетические особенности блокирования каналов свидетельствуют о том, что каждая молекула ТТХ связывается с одним натриевым каналом. Значит, число каналов на 1 мкм2 мембраны составляет менее 100. Если бы все эти каналы открывались одновременно, то площадь их сечения должна была бы составлять менее 1 50000 от поверхности мембраны, если считать, что диаметр канала составляет порядка 0,5 нм. То, что на долю канала приходится столь малая часть поверхности мембраны, вполне согласуется с моделями клеточных оболочек Даниелли и Сингера. 
Согласно этим моделям, низкая проницаемость мембраны для полярных молекул обусловлена тем, что большую ее часть занимает сплошной липидный бислой. Чрезвычайно малая площадь канала объясняет также и то, почему при тех значительных изменениях проводимости,
которые наблюдаются при возбуждении мембран, не происходит каких-либо существенных изменений емкости мембраны.
В 1980г. Фредерик Сигворс и Эрвин Неер с помощью так называемого метода локальной фиксации (patch-clamp) смогли зарегистрировать ток через одиночный натриевый канал, активированный с помощью деполяризации. 
Для этого они использовали микропипетку диаметром 0,5 мкм, в кончик которой втягивали участок мембраны для создания тесного контакта между пипеткой и мембраной. Оказалось, что токи через одиночные каналы подчиняются закону «все или ничего», имеют прямоугольную форму (это свидетельствует об очень быстром открывании и закрывании каналов) и одинаковы по величине для разных каналов. При этом длительность пребывания каналов в открытом состоянии варьирует случайным образом и довольно широко. Среднее время нахождения канала в открытом состоянии составляет менее 1 мс и зависит от мембранного потенциала: при смещении деполяризующего потенциала в положительную сторону это время уменьшается. В то же время проводимость одиночных натриевых каналов слабо зависит от напряжения и равна примерно 10 пСм (что соответствует сопротивлению 1011 Ом). Используя закон Ома, постоянную Фарадея и число Авогадро, находим, что при Vм – ENa = -100 мВ (примерно такова электродвижущая сила для Na+ в начале развития ПД) активированные натриевые каналы пропускают примерно 6000 ионов натрия за 1 мс. 
Число каналов, открытых в каждый момент времени, зависит от мембранного потенциала, а также от времени, поскольку от времени зависят процессы, приводящие к активации и инактивации каналов. 
Таким образом, суммарные, зависящие от потенциала и времени изменения натриевой проводимости мембраны порождаются воротными процессами в тысячах натриевых каналов, каждый из которых в ответ на деполяризацию открывается и закрывается в соответствии с определенными вероятностными закономерностями

Ацетилхолиновый рецептор - зависимый канал

Рис. 6 Схема белка, образующего рецепторный ацетилхолиновый канал 

АцХ-активируемый канал образован пятью белковыми субъединицами. Две из них, α-субъединицы одинаковы, остальные три - β, α - и β -субъединицы - различаются. Их молекулярная масса варьирует от 40000 до 65000, все пять субъединиц образуют трубчатую структуру с общей мол. массой около 250000. Эти данные согласуются с размерами каналообразных структур, которые наблюдаются при электронно-микроскопических исследований и пронизывают мембрану. 
Каналы выступают из мембраны с обеих сторон, причем над наружной ее поверхностью возвышается воронкообразная структура, образующая вход в канал.
Рецепторный участок канала располагается на наружной поверхности мембраны. Каждая из двух α - субъединиц канала содержит участок связывания АцХ. Если к обоим этим участкам присоединяется лиганд (АцХ или какой-либо его агонист, например, карбахолин или никотин), то канал с переходит из закрытого состояния в открытое. Этот процесс лучше всего изучен на мышцах лягушки, в двигательных концевых пластинках которых располагаются АцХ - активируемые каналы. 
Каналы двигательной концевой пластинки скелетных мышц лягушки при активации ацетилхолином становятся проницаемыми как для К+, так и для Na+. При этом возникает входящий ток, потенциал реверсии для которого составляет около -10 мВ. Плотность АцХ - активируемых каналов в этой области равна примерно 104/мкм2. 

Активный транспорт
При нормальном состояние внутриклеточная концентрация различных неорганических веществ зависит от типа клеток (табл. 1).
Таблица 1
Концентрация некоторых ионов внутри и снаружи в мышечной клетке* и в спинальных мотонейронах млекопитающих (ммоль/л)
Ион	Внутри клетки	Снаружи клетки	
Na+	10,0*-15,0	120,0*-150,0	
K+	140,0*-150,0	2,5*-5,5	
Ca+	<10-8 *	2,0*	
Cl-	4,0*-9,0	120*-125	
НСО3-	8,0*	27,0*	
А-	155,0*	5,0*	

однако следует учесть общие закономерности. Концентрация ионов К+ в цитоплазме наиболее велика; его содержится в 10-30 раз больше, чем во внеклеточной жидкости. Напротив, внутриклеточная концентрация свободных ионов Na+ и Сl, меньше (примерно 1:10), чем внеклеточная. Еще одна важная особенность состоит в том, что концентрация Са2+ внутри клеток на несколько порядков ниже, чем во внеклеточной жидкости. Это обусловливается, во-первых, активным транспортом Са2+ наружу через клеточную мембрану, а во-вторых поглощением этого иона другими органеллами, митохондриями и цитоплазматическим ретикулумом. В результате концентрация Са2+ в цитоплазме обычно бывает существенно ниже 10-6 М.
Клеточные мембраны гораздо более (примерно в 30 раз) проницаемы для К+, чем для Na+. 
Проницаемость мембран для С1- варьирует. У одних клеток она близка к проницаемости для К+, у других ниже. Проницаемость клеточной мембраны для Na+ довольно низка, но не настолько, чтобы полностью предотвратить проникновение этого катиона в клетку. 

АТФазы: Na/K –насос  
Содержание натрия, калия и кальция в среде, есть с одной стороны, состояние жесткой гомеостатической константы, а с другой, процесс с высокой степенью осцилляции. Для поддержания гомеостатической константы ионов в мембрану встроен механизм активного транспорта ионов (рис.7), который обеспечивает перераспределение, их против градиента концентрации обеспечивая стабильность градиента ионов. 

Рис.7 Схема Na/K –насоса – АТФазы, погруженной в липидный бислой плазматической мембраны.

 Мембранные белки переносят ионы через мембрану против концентрационного градиентов, потребляя для этого метаболическую энергию. 
Наиболее важный процесс активного транспорта - это работа Na/K-насоса, существующего практически во всех клетках; насос выкачивает ионы натрия из клетки, одновременно накачивая ионы калия внутрь клетки. Таким образом обеспечивается низкая внутриклеточная концентрация ионов натрия и высокую ионов калия (таб.1). Градиент концентрации ионов натрия на мембране имеет специфические функции, связанные с передачей информации в виде электрических импульсов, а также с поддержанием других активных транспортных механизмов и регулирования объема клетки. Поэтому, более 1/3 энергии, потребляемой клеткой, расходуется на Na/K-насос, а в некоторых наиболее активных клетках на его работу расходуется до 70% энергии.
Na/К-транспортный белок представляет собой АТФазу, состоящую из четырех функциональных субъединиц, двух больших и двух малых. На внутренней поверхности мембраны она расщепляет АТФ на АДФ и фосфат (рис.7). 
На транспортировку трех ионов натрия из клетки и одновременно двух ионов калия в клетку используется энергия одной молекулы АТФ, т. е. суммарно за один цикл из клетки удаляется один положительный заряд. Таким образом, Na/K-насос является электрогенным (создает электрический ток через мембрану), что приводит к увеличению электроотрицательности мембранного потенциала. 
Транспортный белок выполняет эту операцию с высокой скоростью: от 150 до 600 ионов натрия в секунду. Аминокислотная последовательность транспортного белка известна, однако еще недостаточно изучен механизм этого сложного обменного транспорта. Данный процесс описывают с использованием энергетических профилей переноса белками ионов натрия или калия. По характеру изменения этих профилей, связанных с постоянными изменениями конформации транспортного белка (процесс, требующий затраты энергии), можно судить о стехиометрии обмена: два иона калия обмениваются на три иона натрия.
Na/K-насос, как и изолированная Na+/К+ -зависимая мембранная АТФаза, специфически ингибируется сердечным гликозидом уабаином (строфантином). Работа Na/K-насоса представляет собой многоступенчатую химическую реакцию, она, подобно всем химическим реакциям, в значительной степени зависит от температуры. Если изолированный препарат охладить примерно на 18°С, то поток ионов натрия из клетки быстро уменьшится в 15 раз, и сразу после нагревания восстановится до исходного уровня. Такое уменьшение потока ионов натрия из клетки в несколько раз больше, чем - то, которое бы соответствовало температурной зависимости процесса диффузии или простой химической реакции. Сходный эффект наблюдается, когда запас метаболической энергии истощается в результате отравления динитрофенолом (ДНФ), химический реагент блокирующий АТФазную активность. В связи с этим следует, что поток ионов натрия из клетки обеспечивается энергозависимой реакцией - активным насосом. 
Другой характеристикой насоса наряду со значительной температурной и энергетической зависимостью является наличие уровня насыщения (как и у всех других химических реакций); это означает, что скорость работы насоса не может возрастать бесконечно при повышении концентрации транспортируемых ионов. В тоже время поток пассивно диффундирующего вещества растет пропорционально разности концентраций 
Помимо Na/K-насоса плазматическая мембрана содержит еще один насос - кальциевый; это насос откачивает ионы кальция Са2+ из клетки и участвует в поддержании их внутриклеточной концентрации на крайне низком уровне (табл. 1).
Кальциевый насос присутствует с очень высокой плотностью в саркоплазматическом ретикулуме мышечных клеток, которые накапливают ионы кальция в результате расщепления молекул АТФ.
Таким насос образом, обеспечивает идеальную компенсацию пассивных диффузионных токов, является электрогенным за счет разницы в числе перенесенных в клетку и из клетки зарядов. 
Активность Na/K-насоса регулируется внутриклеточной концентрацией ионов натрия. Скорость работы насоса замедляется при снижении концентрации ионов натрия, подлежащих выводу из клетки, так что работа насоса и поток ионов натрия внутрь клетки уравновешивают друг друга, поддерживая внутриклеточную концентрацию ионов натрия на уровне примерно 10 ммоль/л.
Для поддержания равновесия между насосными и пассивными мембранными токами, необходимо намного больше молекул Na/K-насоса, чем канальных белков для ионов калия и натрия. При открытом состоянии канала через него проходят десятки тысяч ионов за несколько миллисекунд, а поскольку канал обычно открывается несколько раз в секунду, всего за это время через него проходит более 108 ионов. Одиночный насосный белок перемещает несколько сотен ионов натрия в секунду, следовательно, плазматическая мембрана должна содержать примерно в 1000 раз больше насосных молекул, чем канальных. 
Измерения канальных токов в покое показали наличие в среднем одного калиевого и одного натриевого открытого канала на 1 мкм2 мембраны; из этого следует, что на том же пространстве должно присутствовать около 1000 молекул Na/K-насоса, т.е. расстояние между ними составляет в среднем 34 нм; диаметр насосного белка, как и канального, составляет 8-10 нм. Таким образом, мембрана достаточно плотно насыщена насосными молекулами.
Потоки ионов натрия внутрь клетки, а ионов калия из клетки компенсируемое работой насоса, имеет и другое значение, заключающееся в сохранении стабильного осмотического давления и постоянного объема. 
Внутри клетки существует высокая концентрация крупных анионов, главным образом белков А- (табл. 1), которые не способны проникать через мембрану (или проникают через нее очень медленно), поэтому являются фиксированным компонентом внутри клетки. Чтобы уравновесить заряд этих анионов, необходимо равное количество катионов. Благодаря действию Na/K-насоса этими катионами в основном оказываются ионы калия. 
Существенное повышение внутриклеточной концентрации ионов могло бы происходить только при возрастании концентрации анионов вследствие потока Сl- по градиенту концентрации в клетку (табл. 1), но мембранный потенциал противодействует этому. Входящий ток Сl- присутствует только до тех пор, пока не будет достигнут равновесный потенциал для ионов хлора, это наблюдается, когда градиент ионов хлора практически противоположен градиенту ионов калия, (ионы хлора заряжены отрицательно). 
Таким образом, устанавливается низкая внутриклеточная концентрация ионов хлора, соответствующая низкой внеклеточной концентрации ионов калия. 
Если мембранный потенциал уменьшается, при блокаде Na/K-насоса, например, при аноксии, то равновесный потенциал для ионов хлора снижается, а внутриклеточная концентрация ионов хлора соответственно повышается. Восстанавливая равновесие зарядов, ионы калия также входят в клетку; суммарная концентрация ионов в клетке возрастает, что повышает осмотическое давление; это заставляет воду поступать в клетку. Клетка набухает. Такое набухание наблюдается in vivo в условиях недостатка энергии.
Значение Na/K-насоса для клетки не ограничивается стабилизацией нормальных градиентов К+ и Na+ на мембране. Энергия, запасенная в мембранном градиенте Na+, часто используется для обеспечения мембранного транспорта других веществ. Например, сотранспорт Na+ и молекулы сахара в клетку. 
Мембранный транспортный белок переносит молекулу сахара в клетку даже против градиента концентрации, в то же время Na+ движется по градиенту концентрации и потенциала, обеспечивая энергию для транспорта сахаров. Такой транспорт сахаров полностью зависит от существования высокого градиента Na+. Если внутриклеточная концентрация Na+ существенно возрастает, то транспорт сахаров прекращается. Для различных сахаров существуют разные сотранспортные системы. 
Транспорт аминокислот в клетку сходен с транспортом сахаров, он также обеспечивается градиентом Na+; существует по крайней мере пять различных систем сотранспорта, каждая из которых специализирована для какой-либо одной группы родственных аминокислот.
Помимо сотранспортных систем существуют также антисотранспортных. Одна из них, например, за один цикл переносит один ион кальция из клетки в обмен на три входящих иона натрия. Энергия для транспорта Са2+ образуется за счет входа трех ионов натрия по градиенту концентрации и потенциала. Этой энергии достаточно (при потенциале покоя) для поддержания высокого градиента ионов кальция (менее 10-7 моль/л внутри клетки до приблизительно 2 ммоль/л вне клетки).

Электрическая активность биологической мембраны
Биологическая мембрана – это много функциональная структура представляющая граничный слой, формирующий замкнутые участки организма, клетки и органеллы клеток и разделяющая внутреннюю среду от внешней. Морфофункциональное строение мембраны обеспечивает ей проявление высокого уровня электрической активности.
В основе структуры мембраны лежит бимолекулярный липидный слой, этот слой непроницаем для ионов, и проявляет свойства диэлектрика. Внешняя и внутренней среда, обладая высокой электропроводностью, вместе с липидным слоем формирует электрический конденсатор, способный накапливать и удерживать электрические заряды, таким образом мембрана, обладает электрической емкостью. В липидный бислой мембраны встроены каналы, по которым, неорганические ионы могут проходить и переносить электрические заряды, эти каналы придают мембране электропроводность.
Биологическую мембрану, удобнее представлять в виде эквивалентной электрической цепи (рис.8), которая состоит из параллельно соединенных конденсатора и сопротивления. Конденсатор “С” эквивалент диэлектрического липидного бислоя и двусторонней токопроводящей среды примыкающих к нему, а сопротивление “R” эквивалент проводимости, обусловленной электропроводностью ионных каналов. Исследования показали, что удельное сопротивление “R” мембраны составляет, в состоянии покоя 1*103 – 1*104 Ом/см2, при возбуждении удельное сопротивление мембраны уменьшается и достигает 25 Ом/см2. Это свидетельствует о зависимости удельного сопротивления мембраны от плотности и состоянии проводящих ионных каналов и подвижности ионов. 

Рис. 8 схема электрического эквивалента биологической мембраны.
C – электрическая емкость мембраны. R – электрическое сопротивление.

Удельная емкость мембраны составляет 1*10-6Ф/см2 (1мкф/см2), что соответствует расчетным показателям (при толщине липидного слоя 5нм и диэлектрической постоянной мембранных липидов равной 3). 
Электрический эквивалент мембраны объясняет воздействие локального импульса тока на соседние и удаленные участки мембраны, имеющей большую протяженность (мембрана аксонов нейронов).
Так аксон нейрона в отношении электрических свойств можно представить, как электрический кабель, используемый в радиотехнике для передачи электрических сигналов. Кабельная линия состоит, из токопроводящей жилы - “аксоплазма нервного волокна”, покрытой изолирующей оболочкой - “липидный слой мембраны”. Поверх изолирующей оболочки уложен токопроводящий экран - “внеклеточная среда”. Качество кабеля (величина затухания – ослабления сигнала) зависит от электрического сопротивления внутренней жилы “диаметр нервного волокна, удельное сопротивление аксоплазмы 30 Ом/см” и от свойств изолирующей оболочки “количества проводящих каналов, удельное сопротивление 1000 Ом/см2“. Сопротивление внеклеточной среды составляет 20 Ом/см. Эквивалентная электрическая схема такого кабельного элемента представлена на (рис.9).  
Локальное воздействие импульса тока Vс, затухает на элементах представленной схемы. Величина затухания определяется в основном значениями величины сопротивлений Rk, аксона.
Рис.9 Принципиальная схема электрического эквивалента мембраны 

Ra – электрическое сопротивление аксоплазмы.  Rk – электрическое сопротивление ионных каналов мембраны. Cm – электрическая емкость мембраны. Vc – локальное импульсное воздействие. 1, 2, 3, 4, 5 – распределение электрического импульсного воздействия в электрической   цепи образованной мембранное аксона, которое может, изменятся в зависимости от количества каналов на мембране. При миелинизации мембраны, когда количество активных каналов уменьшается, снижается и величина затухания, таким образом, локальный электрический стимул сохраняет свою величину на большем удалении от точки воздействия. Рассмотренные свойства мембраны, формируют для мембран функциональное качество - кабельные свойства 
При образовании клетки, замкнутой структуры, имеющей разделенную внешнюю и внутреннюю среду, при наличии на мембране ионных каналов, активных транспортных систем, создаются условия, когда мембрана становится источником ЭДС (источником электрического тока). 
Внешняя среда клеток представлена внеклеточной интерстициальной жидкостью, которая омывает клетки. Интерстициальная жидкость имеет относительно низкое содержание белков – анионов и высокие концентрации ионов натрия и хлора. Внутриклеточная жидкость, наоборот богата белками, аминокислотами и ионами калия (таб. 1). Ионная разница Na, K в средах, создается активно, работой Na/K – насоса при затрате энергии АТФ.
Мембрана клетки по своей природе является полупроницаемой, она способна через калиевые каналы пассивно обеспечивать поток калия из внутренней среды во неклеточную по градиенту концентрации ионов. При этом анионы (белки, аминокислоты), не в состоянии покидать внутриклеточную среду. Такое положение ионов, нарушает начальное электронейтральное равновесие сред (внешней, внутренней). Если ранее положительный заряд ионов калия, во внутриклеточной среде, был уравновешен, то при диффузии, потенциал внутренней среды клетки становится не скомпенсированным (отрицательным), напротив, потенциал внешней среды приобрел положительное значение за счет положительных зарядов диффундированного калия. В следствие этого, на мембране возникает электрохимическая разность потенциалов, величина которого определяется концентрацией иона на внутренней и наружной сторонах мембраны. Мембрана клетки, приобретая заряды, становится поляризованной, и является источником ЭДС. Установившийся потенциал на мембране стабилизируется, и препятствует дальнейшему переносу ионов по градиенту концентрации (равновесный потенциал).   
Величина равновесного потенциала для ионов К может быть рассчитана из уравнения Нернста.
где Ек – равновесный потенциал для К+, R – газовая постоянная, Т – абсолютная температура, F – число Фарадея, n – валентность иона, Кн – Квн – наружная и внутренняя концентрации ионов.
Полная электрохимическая разность потенциалов мембраны определяется распределением ионов Na+ и Cl-. Для каждого из ионов может быть рассчитан равновесный потенциал, исходя из концентрации иона (таб.1). 
             
Однако разность потенциалов, сформированная на мембране не равна алгебраической сумме равновесных потенциалов, а определяется с учетом подвижности через мембрану каждого иона.
Электрический эквивалент источников ЭДС на мембране представлен, на (рис. 10). 
Рис.10 Схема электрического эквивалента мембраны, как источника ЭДС.
ЕК – равновесный потенциал калия = -90мВ. ЕNa - равновесный потенциал натрия = +60мВ. ЕCl - равновесный потенциал хлора = -70мВ. Vm – мембранный потенциал = -70мВ. Cm – постоянная электрическая емкость мембраны. 1/RK, 1/RNa, 1/RCl – проводимость каналов.
Расчет мембранного потенциала по уравнению Гольдмана с учетом проводимости для каждого иона показал, что величина потенциала равна -70мВ.

где, РK, PNa, PCl, - константы проницаемости для ионов, в состоянии покоя, для гигантского аксона кальмара, их отношение составляет РK: PNa: PCl = 1:004:045. Расчеты показывают, что основной потенциал мембраны формируется преимущественно, равновесным потенциалом калия и только незначительная утечка ионов натрия во внутрь, меняет этот потенциал.
Ион хлора, не участвует в формировании потенциала мембраны, он пассивно распределен за счет равновесного электрохимического потенциала мембраны так как ион хлора может пассивно диффундировать через мембрану. Однако, этот ион в некоторых клеточных мембранах, где присутствуют специфические ионные каналы и его активный транспорт формирует равновесный электрохимический потенциал.
Равновесный электрохимический потенциал клеточной мембраны в состоянии покоя называется потенциалом покоя (ПП). 
Потенциал покоя клетки, это сумма метаболического и диффузного потенциалов величина которого может изменятся, при изменении условий среды. Если на мембрану клетки подействовать электрическим током, то на мембране произойдут сдвиги равновесного состояния. Так при воздействии внешнего источника тока, когда катодный электрод (-) находится с внутренней стороны мембраны, а анодный электрод (+) с наружной стороны мембраны произойдет нарушение равновесного потенциала для ионов калия. Ионы калия дополнительно будут диффундировать из клетки и потенциал мембраны будет еще более отрицательным, произойдет гиперполяризация мембраны. При смене полярности внешнего источника тока, происходит смещение равновесного потенциала для ионов натрия. Ионы натрия начинают поступать во внутрь клетки, происходит уменьшение электроотрицательности мембраны, мембрана деполяризуется. Изменения мембранного потенциала при действии внешнего источника тока представлены на (рис. 11).

Рис 11. Изменения мембранного потенциала при действии внешнего источника тока представлены

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ УСИЛЕНИЯ, НАБЛЮДЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Электронно-лучевой осциллограф – один из наиболее распространенных измерительных приборов. Он обладает наглядностью представления исследуемых явлений, удобством и универсальностью. Наблюдение процесса на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), даёт работающему с прибором информацию значительно большую, чем измерение отдельного параметра процесса, потому что форма электрического сигнала несёт в себе информацию обо всех его параметрах.

С соответствующими датчиками, преобразующими неэлектрические величины (температуру, влажность, давление, скорость вращения и др.) в электрические сигналы, осциллограф применяют во всех отраслях народного хозяйства. Осциллограф позволяет рассмотреть любые электрические процессы, даже если сигнал появляется в случайный момент времени и имеет длительность в несколько наносекунд. По изображению на экране ЭЛТ можно определить амплитуду рассматриваемого сигнала в каждый момент времени и длительность любого его участка, т. е. рассмотреть ход события во времени, измерить длительность фронта импульса и спада, неравномерность вершины импульса, рассмотреть отклонения формы сигнала от заданной. Появившиеся в последние годы цифровые осциллографы открыли новые возможности исследования сигналов благодаря запоминанию сигнала и его последующей математической обработке с отделением сигналов от помех, воспроизведению принятых и преобразованных сигналов на печатающем устройстве и т. д.

Осциллографы по назначению и принципу действия разделяют на приборы универсальные, запоминающие, стробоскопические, скоростные и специальные.
Универсальные осциллографы – это приборы общего применения, предназначенные для наблюдения периодических и импульсных сигналов. С их помощью можно регистрировать однократные процессы и исследовать пачки импульсов, получать одновременно изображение двух сигналов на одной развёртке, детально исследовать любую часть сложного сигнала и производить еще много других наблюдений.

Рис. 12. Блок-схема электронного осциллографа

Назначение основных блоков следующее.

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ, рис. 12) в осциллографических устройствах применяются ЭЛТ с электростатическими фокусировкой и отклонением луча. Электронно-лучевая трубка – это электровакуумный прибор, состоящий в основном из трех главных частей: источника потока электронов, системы их фокусировки и системы управления лучом.
Источником потока электронов (луча) является оксидный катод (2). Эмитирующая поверхность катода имеет круглую форму малого диаметра, что способствует получению тонкого и симметричного относительно оси электронного пучка.
Катод помещен внутри цилиндра с центральным отверстием, называемым управляющим электродом, или модулятором (3). На цилиндр подается отрицательный по отношению к катоду потенциал; значение его позволяет менять плотность луча электронов, а, следовательно, и яркость луча на экране.
Фокусировку луча и начальное ускорение электронов по пути к экрану обеспечивают две электростатические линзы. Такие линзы создаются электростатическими полями между модулятором и первым анодом (первая линза) и между первым и вторым анодами (вторая линза). Второй анод – главное устройство фокусировки – находится около отклоняющих пластин и собственно этот электрод обеспечивает фокусировку луча. Далее идёт третий узел трубки – отклоняющие пластины (7, 8 – Y; 10, 11 – X).
Отклонение луча прямо пропорционально осевой длине отклоняющих пластин и расстоянию от них до экрана и обратно пропорционально расстоянию между пластинами и анодному ускоряющему напряжению.
Ближайшая к катоду пара пластин, на которую подается исследуемое напряжение, называется вертикально отклоняющими пластинами (по оси Y), а следующие за ними пластины – горизонтально отклоняющими (по оси X), на них подается напряжение развёртки.

Рис. 13. Схема устройства электронно-лучевой трубки:

1 и 13 – подогреватель; 2 – катод; 3 – модулятор; 5, 9 – первый и второй аноды; 7, 8 – сигнальные пластины Y1, Y2; 10, 11 – временные пластины Х2, XI
Канал вертикального отклонения (канал Y) усиливает или ослабляет исследуемый сигнал до значения, удобного для рассмотрения на экране ЭЛТ. Канал состоит из входного делителя с частотной компенсацией, предварительного усилителя, усиливающего сигнал, и оконечного усилителя, преобразующего сигнал в симметричный для подачи его на пластины. Основное требование к усилителю вертикального отклонения заключается в том, чтобы он вносил как можно меньше искажений формы сигнала и наряду с этим имел бы необходимый коэффициент усиления.
Канал вертикального отклонения состоит из переключателя входа входного делителя и собственно усилителя. Переключатель входа подает сигнал на входной делитель либо непосредственно (открытый вход), либо через разделительный конденсатор (закрытый вход). Усиление (или ослабление) входного сигнала устанавливается положением ручки управления «В/см» (дел). Для большинства осциллографов широкого применения за стандартное значение коэффициента отклонения принимают 5 мВ/см. Это значит, что поданный на вход осциллографа сигнал с амплитудой 5 мВ отклонит луч на экране ЭЛТ на 1 см.
Для расширения функциональных возможностей осциллографов применяют усилители с несколькими входами. Особенно в этих случаях полезен дифференциальный усилитель. Дифференциальный усилитель – это усилитель с двумя входами, на которые можно подавать сигналы с различной амплитудой, создающий на выходе один сигнал, пропорциональный разности этих амплитуд. Одной из областей применения дифференциальных усилителей является исследование сигнала, находящегося в области значительных помех; при этом на один вход подается сигнал с помехой, на второй – только помеха. В дифференциальном усилителе полезные сигналы будут усиливаться, а помехи – подавляться. Отношение сигнала к помехе (называемой в этом случае синфазной) может доходить до 2000.
В канал вертикального отклонения входит усилитель синхронизации (канал Z), который усиливает часть исследуемого сигнала и передает его для запуска развёртки.
Канал горизонтального отклонения (канал X) обеспечивает синхронное с исследуемым сигналом напряжение для создания оси времени на экране ЭЛТ. Это напряжение имеет пилообразную форму с высокой степенью линейности. Начало этого «развёртывающего» напряжения – синхронизации или запуска – производится короткими запускающими импульсами, создаваемыми триггером синхронизации. Генератор развёртки создаёт линейно нарастающее напряжение. Скорость изменения этого напряжения регулируется ручкой Время/дел. Напряжение развёртки поступает на оконечный усилитель X, который преобразует напряжение развёртки в симметричное и усиливает его до значения, необходимого для требуемого масштаба изображения во времени. Положительно нарастающее пилообразное напряжение подаётся на правую отклоняющую пластину ЭЛТ, а отрицательное – на левую. В результате луч по экрану трубки проходит слева направо за определенное время, установленное количеством делений шкалы. Эти деления – масштаб измерения времени. Длительность развёртки определяется временем прохождения светового луча по длине рабочей части экрана слева направо. Она обратно пропорциональна частоте развёртки, т. е. если длительность выражена в миллисекундах, то частота получается в килогерцах, в секундах – в герцах.
На время обратного хода луч обычно запирают, подавая на управляющий электрод или катод ЭЛТ запирающий импульс соответствующей полярности.
Если напряжение развёртки генерируется непрерывно и в отсутствие сигнала, то такую развёртку называют периодической, или непрерывной. Однако периодическая развёртка непригодна для исследования однократных процессов, а также для рассмотрения импульсов с большой скважностью, т. е. тех сигналов, длительность которых мала по отношению ко времени между двумя соседними импульсами. Например, необходимо рассмотреть импульс длительностью в 1 мс со скважностью 1000. Это значит, что за 1 с на вход прибора поступит 1 импульс. Частоту развёртки примем равной частоте следования, т. е. 1 Гц. При этой длительности изображение импульса займет 1/1000 длины развёртки и импульса будет почти не видно. Для исследования таких сигналов, а также непериодических процессов применяют ждущую развёртку, т. е. такой режим работы генератора развёртки, когда он генерирует один пилообразный импульс напряжения развёртки только после прихода исследуемого импульса (или внешнего импульса запуска) и затем ждёт следующего запуска.
Узел синхронизации преобразует входной сигнал в импульс запуска схемы управления генератором развёртки, потому что для устойчивой работы генератора эти импульсы должны иметь постоянную амплитуду и длительность независимо от формы, амплитуды и длительности входного сигнала. Осциллографы имеют внутреннюю и внешнюю синхронизацию гармоническими сигналами и импульсными сигналами любой полярности.
При переключении синхронизации в режим непрерывных колебаний обеспечивается автоколебательный режим работы развёртки. В автоколебательном режиме развёртка повторяется и при отсутствии синхронизирующих сигналов, в ждущем режиме при поступлении запускающих импульсов, в однократном – при поступлении сигнала после снятия блокировки нажатием кнопки.

Вспомогательные устройства. В состав осциллографа входят калибраторы амплитуды и времени, предназначенные для калибровки масштабов отклонения вертикального и горизонтального каналов, и источники питания – низковольтный со стабилизацией напряжения и высоковольтный преобразователь для питания ЭЛТ. Калибратор амплитуды и времени выдаёт на выходе положительные импульсы прямоугольной формы амплитудой 1В, частотой 1 кГц и скважностью 2.

Включение прибора и подготовка его к работе

Независимо от типа прибора существует некоторая общая методика включения осциллографа и подготовки его к работе рис.3. Она заключается в следующем: проверить соответствие положения переключателя сети. Оно должно соответствовать имеющемуся напряжению (приборы обычно поставляются включёнными на 220 В). Перед включением осциллографа и проверяемого прибора в сеть убедитесь в исправности сетевого шнура и соедините клеммы «Земля» с шиной заземления до других подсоединений с приборами.
Перед началом работы ручки управления, регулирующие амплитуду и уровень синхронизации, ставят на минимум в крайнее левое положение, яркость, фокусировку и смещение по вертикали и по горизонтали – в среднее положение. Через 2–3 мин на экране ЭЛТ появится светлая линия. Её отсутствие может объясняться недостаточной яркостью (ручку надо вывести из крайнего левого положения) или слишком большим отклонением луча за пределы экрана ЭЛТ. Тут надо устанавливать ручки ↕ и ↔ в различные положения, пока луч не появится на экране ЭЛТ. Действием ручек смещения луча его возвращают на экран.
Нестабильность положения нулевой линии – линии развёртки на нулевом потенциале экрана ЭЛТ – называют «дрейф». Поскольку дрейф луча сказывается на точности измерений, то перед подачей сигнала усилитель необходимо сбалансировать, т. е. симметрировать его плечи, чтобы луч на экране не перемещался при повороте ручки плавной регулировки усиления, а также при переключении диапазонов чувствительности. Обычно симметрирование производят под регулировкой положения потенциометра «Баланс».
Управление развёрткой. При работе в автоколебательном режиме для исключения потери части сигнала из-за времени обратного хода луча нужно рассматривать, по крайней мере, три периода сигнала. Этот режим применяют в основном для периодических сигналов. Устойчивая синхронизация достигается ручкой «Уровень», которая регулирует значение запускающего сигнала, заставляющего срабатывать генератор, формирующий импульс запуска развёртки. Если уровень запуска установить большим, чем амплитуда запускающего сигнала, то запуска развёртки не произойдет. Наибольшая чувствительность запуска при уровне, близком к нулевому, будет при среднем положении ручки «Уровень». При вращении ручки вправо запуск будет производиться нарастающей формой сигнала – его фронтом, а при вращении влево – отрицательно идущей формой сигнала, отрицательным фронтом импульса. В связи с тем, что формы сигналов и цели измерений могут быть самыми разными, не может быть постоянного правила установки ручки «Уровень».
Правильно определить длительность исследуемого процесса по шкале осциллографа возможно только при установке ручки плавной регулировки длительности в определенное калиброванное положение, обычно обозначаемое знаком «калибровка».

Рис 14. Электронный осциллограф С1-68

Лабораторная работа № 1
Изучение работы электронного осциллографа

Для работы необходимо: осциллограф С1-68, источник электрических сигналов (функциональный генератор или генератор звуковых частот).
Исследование сигналов с помощью осциллографа
Подготовка прибора к работе
Внимание! В приборе имеются опасные для жизни высоковольтные источники напряжения. В связи с этим при эксплуатации и настройке запрещается работа прибора без заземления корпуса. Расположение органов управления и регулировки осциллографа показано в рис3, табл. 1.

Органы управления и регулировки осциллографа С1-68
Обозначения на передней панели	Органы управления и регулировки	
УПРАВЛЕНИЕ ЛУЧЕМ	
Сеть	Выключатель «сеть»	
Яркость	Ручка яркость	
	Перемещение луча по горизонтали	
	Перемещение луча по вертикали
	
Астигматизм	Регулировка астигматизм	
Фокус	Регулировка фокус	
УСИЛИТЕЛЬ Y	
Чувствительность, 
в/см	Большая ручка-уст. чувствительности 
Малая ручка - плавная регулировка
калибровка	
Вход	Закрытый или открытый вход осцилографа	
РАЗВЕРТКА 	
Время развертки 
время /см	Большая ручка – ступенчатая развертка
(нажать при переключении)
Малая ручка - плавная развертка	
Выключатель х1, х2	Множитель времени развертки	
СИНХРОНИЗАЦИЯ 	
Внеш. I	Внешняя синхронизация вход I	
Внеш. II	Вход усилителя X	
Ждущ. 	Ждущий режим развертки	
Автом. 	Автоматический режим развертки	
Уровень 	Установка уровня синхронизации развертки	
Стабильность	Подстройка уровня синхронизации развертки	
Ход работы:
Установка состоит из генератора звуковых частот, который является источником электрических синусоидальных сигналов, или функционального генератора, который является источником электрических сигналов синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы, и осциллографа.
Ручкой «Установка чувствительности» установить минимальную чувствительность усилителя вертикального отклонения
(5 v/см).
Тумблером «Сеть» включить осциллограф. Дать осциллографу прогреться 5 мин.
Ручками «ЯРКОСТЬ», «ФОКУС», «АСТИГМАТИЗМ», добиться чёткого изображения световых лучей на экране.
Источник синхронизации выбирается исходя из конкретных условий при помощи переключателя «Выбор синхронизации»: (Внеш.; Внутр.) – или от сети (Автом).
Переключатель вида и пределов калибрующего напряжения поставить в положение «ВЫКЛ.»
Выход генератора подключить к входу осциллографа. Обратить внимание на полярность: штекер «ЗЕМЛЯ» соединить
клеммой корпуса прибора.
При наличии генератора звуковых частот или функционального генератора установить переключатель режимов в положение «~», амплитуду сигнала 1–2 вольта, частоту сигнала
400–1000 Гц.
Тумблером «Вкл.» включить генератор. После прогрева прибора в течение 5 мин. стрелочный прибор покажет напряжение сигнала на выходе прибора.
Установить чувствительность осциллографа так, чтобы исследуемый сигнал занимал по вертикали 2–3 см.
На осциллографе ручками «Подстройка синхронизации» произвести синхронизацию сигналов, т. е. добиться неподвижной «картинки» на экране прибора.
Измерение амплитуды источника сигнала методом сравнения с калибрующим напряжением
Следует учитывать, что наибольшая точность измерения амплитуды достигается при размерах изображения на экране от 2 до 5 см. Ручками входного делителя осциллографа необходимо подобрать требуемый размер сигнала и более точно измерить его амплитуду измерительной сеткой экрана в сантиметрах. Затем на тот же вход осциллографа с помощью переключателя «Калибр» подать калибрующее напряжение в виде прямоугольных импульсов величиной в 1 вольт.
Исходя из размеров калибровочного сигнала на экране, рассчитать амплитуду исследуемого сигнала.
Например, величина изображения калибрующего напряжения равная 4 см; величина изображения сигнала, подаваемого на вход осциллографа, равна 2 см. В этом случае амплитуда сигнала, подаваемого на вход осциллографа, будет равна 0,5 вольта.
Измерение временных интервалов и частоты сигнала
Точность измерения временных интервалов больше при увеличении длины измеряемого интервала на экране, поэтому длительность развёртки подбирают таким образом, чтобы наблюдатель видел 1–2 периода исследуемого сигнала (период – расстояние между одноименными точками изображения).
Установить амплитуду исследуемого сигнала с помощью регулятора амплитуды осциллографа на экране в пределах 4–5 см.
Неподвижное изображение синусоидального сигнала установить ручками управления осциллографа «Стабильность» и «Уровень синхронизации» в центр экрана.
Определить длительность периода сигнала и рассчитать его частоту.
Например, изображение периода сигнала имеет горизонтальный размер 6,3 см. Переключатель развёртки стоит в положении 0,2 мс/см.
Длительность периода (Т) равна: 6,3 см х 0,2 мс/см= 1,26 мс
или 0,00126 с.
Следует помнить, что частота – величина, обратная периоду, т. е. f (частота в Гц) = 1/Т сек., следовательно, частота равна
793,6 Гц.
При наличии функционального генератора подать на вход осциллографа сигнал прямоугольной формы и измерить частоту, длительность и амплитуду прямоугольного импульса.
5. Зарисовать с экрана осциллографа изображения сигналов, указать на рисунке их период, частоту, длительность, амплитуду. Сделать выводы.

Измерение напряжений.

Рассматривая биопотенциалы с помощью осциллографа, исследователь сталкивается с сигналами различной формы и частоты, с импульсными сигналами разной длительности, формы и частоты следования, сигналами сложных форм.
При измерении напряжения синусоидального сигнала тестером обычно определяют его действующее значение, равное 0,707 амплитудного. Пиковое напряжение синусоидального сигнала равно удвоенному амплитудному значению. Действующее значение синусоидального сигнала равно его пиковому напряжению, деленному на 2,83.

Рис. 15. Характеристики основного синусоидального сигнала

Соотношения между действующим и амплитудным значениями напряжений, которые были справедливы для синусоиды, не будут верны для других форм сигналов, например, для прямоугольного или треугольного. Пиковые значения наиболее удобны при анализе работы схем с помощью осциллографа, поэтому осциллограф калибруется по ним.
Целесообразно, чтобы измеряемая часть сигнала занимала половину рабочей части экрана. При измерении постоянного напряжения работают с открытым входом. Линию развёртки (при неизвестной полярности измеряемого источника) устанавливают на центральную осевую линию и подключают активный и земляной концы щупа к источнику напряжения. Если линия развёртки пошла вверх, то, значит, входной щуп подключен к плюсовому выводу, при смещении луча вниз полярность подключения обратная.
Смещение луча по делениям умножается на цену деления, и таким образом измеряется напряжение.
Измерение длительности сигнала.
Длительность сигнала измеряют различными методами: по кварцевому калибратору, по калиброванным развёрткам. Скорость развёртки следует установить такой, чтобы измеряемый сигнал или его участок занял максимальное число делений горизонтальной шкалы.
Измерения нужно проводить либо оба по правым, либо оба по левым краям линии изображения (для уменьшения погрешности измерения за счет толщины линии луча). При увеличении длины измеряемого интервала на экране ЭЛТ точность измерений увеличивается.
Пример 1. 5 периодов занимают расстояние 9 делений шкалы при коэффициенте развёртки 2 мс/дел. Тогда частота сигнала

F = n/ (lTp) =5/ (9·2·10-3) =5·10-3/18 = 2,7 кГц,

где n – число измеренных периодов; l – расстояние, которое занимают измеренные периоды, дел; Tp – коэффициент развёртки на измеряемом диапазоне, с/дел.

Пример 2. Измерение временного интервала между двумя точками сигнала. Переключатель «Время/дел» установлен в положение 0,5 мс. Изображение занимает 5 делений. Следовательно, временной интервал между двумя точками сигнала будет 0,5 · 5 = 2,5 мс.

Лабораторная работа № 2

Изучение принципа работы электростимулятора

Электронные генераторы (электростимуляторы) предназначены для проведения исследований при стимуляции биологических объектов электрическим током. Такие приборы являются генераторами электрических импульсов с раздельным регулированием частоты, длительности и амплитуды сигнала. Существует большое количество разных типов электростимуляторов, создающих на выходе импульсы любой формы и длительности при той или иной заданной частоте. В физиологических экспериментах обычно применяют генераторы, создающие на выходе прямоугольные импульсы электрического тока. Эти приборы применительно к физиологии получили название электростимуляторов.

Промышленный стимулятор типа ЭСЛ-2 находится практически во всех лабораториях, так как прост и надёжен в работе. Прибор ЭСЛ-2 представляет собой генератор прямоугольных импульсов с переменными частотой, длительностью и задержкой. Частота импульсов может меняться от 0,1 до 1 000 Гц с четырьмя фиксированными диапазонами и возможностью плавной регулировки. Длительность импульсов регулируется от 0,1 мс до 10 с с четырьмя фиксированными диапазонами и возможностью плавной регулировки. Амплитуда импульсов на выходе может меняться от 50 мВ до 50 В как в положительную, так и в отрицательную область. В приборе предусмотрены внутренний запуск, внешний запуск и пуск разового импульса.
Для работы необходимо: осциллограф С1-68, электростимулятор ЭСЛ-2 изолирующий трансформатор, соединительные провода.
Эпюры напряжения на выходе стимулятора показаны на рис. 4.

Величина V называется амплитудой импульса, или силой раздражения;

Т – период следования импульсов, т. е. интервал повторения импульсов;

t – длительность импульса, а если импульсы подаются периодически, говорят о частоте повторения импульсов в секунду f = 1 / Т, называемой также частотой раздражения.

Кроме периодического режима, в стимуляторах предусмотрен ждущий режим, т. е. режим запуска прибора внешним сигналом, или разовый запуск.

Предусмотрена также регулируемая временная задержка выходных импульсов запуска. Часто стимулятор используют вместе с осциллографом, так что реакция ткани на раздражение выявляется в виде отклонения луча осциллографа по вертикали. В этом случае стимулятор обычно генерирует импульс синхронизации, который запускает временную развёртку осциллографа, а затем, после задержки, с выходных клемм стимулятора поступает раздражающий импульс. Таким образом, на экране осциллографа можно определить момент раздражения и момент реакции.

Особое внимание при работе со стимулятором нужно обратить на соблюдение определённых условий при установке частоты (периода следования) импульсов, длительности импульсов и времени задержки. Необходимо соблюдать условие, при котором:

T > tимп. + t,

где T – период следования импульсов; tимп. – длительность импульса;
t – длительность задержки.

В некоторых экспериментах, где стимулятор используют вместе с высокочувствительным усилителем, очень важно, чтобы выходное напряжение было приложено между раздражающими электродами, но не возникало разности потенциалов между электродами и землей. У стимулятора с питанием от сети одна выходная клемма заземлена, поэтому требуется развязывающая приставка между выходом и электродами. Такую функцию в простейшем случае выполняет изолирующий трансформатор или в современных приборах специальный электронный блок. 

Рис. 16. Выходные сигналы импульсов электростимулятора
Эпюры напряжения на выходе стимулятора показаны на рис. 4. Величина V называется амплитудой импульса, или силой раздражения; Т – период следования импульсов, т. е. интервал повторения импульсов; t – длительность импульса, а если импульсы подаются периодически, говорят о частоте повторения импульсов в секунду f =1/Т, называемой частотой раздражения.
Один из наиболее простых стимуляторов (ЭСЛ-2,) Рис.5 представляет собой генератор прямоугольных импульсов с независимой регулировкой их частоты (f), длительности (t) амплитуды (V) и задержкой раздражающего импульса относительно импульса синхронизации. 

Рис 17. Электростимулятора ЭСЛ-2

Принцип действия электростимулятора поясняет схема, приведенная на рис.6. На рисунке представлена функциональная схема электростимулятора.
Генератор частоты следования (1) задает частоту следования импульсов тока. Каскад задержки (2) формирует время между импульсами синхронизации и раздражающими импульсами. Каскад формирования выходных импульсов (3) регулирует длительность импульсов раздражения. Усилитель мощности (4) формирует, регулирует амплитуду, полярность выходного импульсного сигнала.

Рис. 18. Функциональная схема электростимулятора ЭСЛ-2

В физиологическом эксперименте с целью повышения достоверности воспроизведения результатов, электростимулятор к биологическому объекту подключают через изолирующую приставку (трансформатор).
Изолирующая приставка обеспечивает гальваническую, емкостную развязку стимулятор - объект, тем самым исключается протекание тока раздражающего импульса (артефакт) через входные цепи усилителя биопотенциалов (УБП). Уменьшение тока по цепи стимулятор - объект - отводящие электроды - усилитель, исключает перегрузку УБП и позволяет повысить точность измерений.
Для некоторых экспериментов требуется, чтобы одиночный импульс был подан в определенный момент опыта. Это обеспечивается цепью внешнего запуска прибора. Обычно на передней панели стимулятора имеются две клеммы "Внешний запуск", при замыкании которых (тумблер) стимулятор подает одиночный импульс.
В других экспериментах нужна серия импульсов с определенной частотой повторения (f). Режим работы стимулятора — подача одиночного импульса или серии импульсов - определяется положением переключателя на передней панели прибора. Частота повторения импульсов регулируется переключателем и шкалой, про градуированных в импульсах в секунду (Гц). Так же регулируется и требуемое выходное напряжение (в вольтах, милливольтах). Обычно стимулятор позволяет регулировать и длительность импульса в пределах от 10 мкс до 10 с и более при выходном сигнале до 50В. 
Часто стимулятор используют вместе с электроннолучевым осциллографом, так что реакция ткани на раздражение выявляется в виде отклонения луча осциллографа по вертикали. В этом случае стимулятор обычно генерирует импульс синхронизации, который запускает развертку осциллографа, а затем, после задержки, с выходных клемм стимулятора поступает раздражающий импульс. Таким образом, на экране осциллографа можно установить и момент раздражения, и момент реакции ткани.
Электростимулятор ЭСЛ-2 помимо основных функций – выдачи импульсов с заданными параметрами – осуществляет и ряд дополнительных.
1. Формирует синхроимпульсы для запуска развёртки осциллографа или для других целей 
– основной синхроимпульс (период);
– совпадающий по времени с фронтом импульса (запаздывание);
– совпадающий по времени с фронтом первого импульса в пачке (фронт – 1);
– совпадающий по времени со срезом импульса стимула (длительность);

Подготовка приборов к работе
Установка состоит из осциллографа С1-68 и стимулятора ЭСЛ-2
Проверить заземление приборов.
Включить вилки сетевых шнуров в розетки питания.

Исследование работы стимулятора
Установить параметры выходного сигнала Длительность импульса - 10 мс, задержка - 1 мс, амплитуда 1 вольт, режим работы – периодический.
Чувствительность осциллографа – 0,5V/см.
Подключить выход стимулятора к входу «Y» осциллографа. Убедиться, что на экране осциллографа чётко просматриваются сигналы от стимулятора.
4. Изменяя частоту следования импульсов на стимуляторе в пределах от 20 до 200 Гц (необходимо пересчитать единицы измерения частоты в значения длительности периода f = 1/T), получить на экране осциллографа изображение процесса для указанных частот.
Проверка режимов работы стимулятора
Работа с разовым запуском.
Соединить выход стимулятора с входом «Y» усилителя осциллографа С1-68
Выход стимулятора «фронт 1» присоединить к гнезду «Синхронизация» осциллографа.
Переключатель режима работы стимулятора установить в положение «РУЧН».
Присоединить кабель с выносной кнопкой к гнезду на передней панели прибора.
Нажать и отпустить кнопку. На экране при этом должен быть виден стимулирующий импульс.

Лабораторная работа № 3

Изучение принципа работы усилителя
биоэлектрических сигналов

Для работы необходимо: осциллограф СI-68, усилитель биопотенциалов, (УБП1-02), соединительные провода, препаровальный набор, раствор Рингера, влажная камера, седалищный нерв лягушки.

Один из важных признаков, по которым классифицируют усилители, – диапазон частот синусоидальных напряжений, в пределах которого усилитель не вносит искажения. Частотный спектр изучаемых сигналов определяет необходимый рабочий диапазон частот (полосу пропускания) усилительного устройства.
Частотной характеристикой усилителя является зависимость его коэффициента усиления (К) от частоты (f) (рис. 7). Полоса пропускания определяется нижней и верхней граничной частотой (fн и fв). Для усиления без искажений любого импульса биоэлектрической активности нужно, чтобы усилитель был способен усилить все компоненты спектра синусоидальных частот, необходимые для правильного воспроизведения этого сигнала. Обычно полосу частот выбирают таким образом, чтобы в точках граничных частот коэффициент усиления составлял 70% от максимального значения (0,7К).

Рис. 19. Частотная характеристика реального УБП

Амплитудной характеристикой усилителя называется зависимость напряжения выходного сигнала от напряжения на входе Uвых = f(Uвх) На рис. 8 идеальная характеристика представлена пунктирной линией, а реальная характеристика – сплошной линией. Нелинейность коэффициента усиления обусловлена наличием в схеме нелинейных элементов.

Рис. 20. Реальная (Б) и идеальная (А) амплитудные характеристики УБП

Одним из важнейших показателей, характеризующих работу усилителя, является входное и выходное сопротивление. Точность измерения э.д.с. источника сигнала будет тем больше, чем больше отношение входного сопротивления усилителя к внутреннему сопротивлению источника э.д.с. (Rвнеш.) Rвх. / Rвнеш. Поэтому в усилителях напряжения, в частности в усилителях
биопотенциалов, всегда Rвх. >> Rвнеш.

Рис. 21. Эквивалентная схема входной цепи усилителя

Схема измерения э.д.с. источника сигнала Е с внутренним сопротивлением Rвн, при помощи усилителя с входным сопротивлением Rвх изображена на рис. 5, где Свх – емкость, образованная входной динамической емкостью усилительных элементов (лампы или транзисторы) и емкостью монтажа. При макроэлектродных отведениях влиянием этой емкости из-за малых ее значений можно пренебречь.
Напряжение, действующее непосредственно на входных зажимах усилителя, определяется выражением (UBX = E (Rвн/Rвх + 1)-1. Таким образом, точность измерения величины Е будет тем больше, чем больше отношение RBH/RBX поэтому в усилителях напряжения, в частности в усилителях биопотенциалов Rвх> Rвн. Внутреннее сопротивление источников биоэлектрической активности может быть самым разным. Так, при внеклеточных отведениях ЭГ, ЭКТ, Rвн, различных источников колеблется от нескольких кОм до нескольких десятков кОм. Поэтому усилители электрокардиографов и векторкардиоскопов имеют входные сопротивления от 500 кОм до 1 мОм.
Rвн участков нервных стволов или волокон, от которых отводится активность, могут находиться в пределах от нескольких десятков кОм до нескольких сотен кОм. Этим, в частности, определяется Rвх усилителей биопотенциалов, которое обычно равно 5-10 мОм.
При отведении биопотенциалов стеклянными микроэлектродами Rвх достигает (в основном из-за сопротивления микроэлектродов) значений 107-109Ом. Поэтому Rвх усилителя в этом случае должно быть не ниже 1010-1011 Ом, и тогда необходимо учитывать влияние емкости Свх на прохождение высокочастотных компонентов биопотенциалов.
Как видно из рис. 9, на входе усилителя образуется интегрирующая цепь, постоянная времени которой тв= RвхCвх (при условии, что Rвх > Rвн в 10 раз). Это, естественно, приведет к сужению полосы пропускания частот указанной схемы. Так, при сопротивлении микроэлектрода 3*107Ом и входной емкости 10 пФ тв = 3*107-1011 – 3-10-4 сек и верхняя граничная частота fвх = 530 Гц.
Такое значение полосы пропускания в ряде случаев может оказаться недостаточным. В этом легко убедиться на примере регистрации нервного импульса со временем нарастания переднего фронта tн = 200 мкс. 
Недопустимость столь больших искажений очевидна. Поэтому в микроэлектродных усилителях принимается целый ряд мер для уменьшения влияния входной емкости: специальные входные каскады – катодные или истоковые повторители и схемы с положительной или отрицательной обратной связью, введение которых позволяет нейтрализовать действие входной емкости.
Почти все усилительные устройства, входящие в состав приборов для регистрации биоэлектрической активности, строятся по дифференциальной схеме. К преимуществам таких каскадов усиления по сравнению с обычными од покаскадным и можно отнести меньшую величину нелинейных искажений и большую стабильность в работе. Одним из важных свойств дифференциального усилителя является способность подавления внешних помех симфазного сигнал). Это свойство характеризуется коэффициентом подавления (дискриминации). Например, в используемых в электрофизиологии усилителях биопотенциалов универсального типа УБП1-02, УБП2-03, УБПФ4-03 коэффициент дискриминации равен 104. Такие усилители обладают высокой чувствительностью (не менее 20 мкВ/см) и полосой пропускания от 0,1 Гц до 40 кГц (у некоторых типов fв = 15 кГц), Предусмотрена возможность работы с усилением по постоянному току (в этом случае чувствительность не превышает значений 1 мВ/см), Rвх = 10-15 мОм. С применением выносных катодных повторителей (УБП1 02) Rвх оказывается равным примерно 100 мОм.
Не столь высокие требования предъявляются к характеристикам усилителей электрокардиографов. Реальная чувствительность последних не превышает значений десятых долей милливольта на сантиметр. Нижняя граничная частота равна 0,1-5-0,2 Гц. В некоторых типах приборов fн = 0. Верхняя граница полосы пропускания ограничивается, как правило, частотными данными регистрирующих (чернилопишущих) устройств, у которых fв = 100 Гц.
В экспериментах, связанных с регистрацией ВКГ, используют трехканальные векторэлектрокардиоскопы. На входы усилителей этих приборов подаются два сигнала различных отведении. После усиления один из сигналов подается на вертикальные, а другой — на горизонтальные отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки с длительным послесвечением. Полученная на экране трубки ВКГ, своего рода фигура Лиссажу, характеризует пространственное распределение потенциалов сердца. Эти приборы могут быть использованы также для одновременной записи трех стандартных отведении ЭКГ. Полоса пропускания усилителей векторэлектрокардиоскопов 0-400 Гц, чувствительность 0,5 мВ/см.
Работа выполняется на приборе, УБП2-03 который представляет собой одноканальный усилитель биопотенциалов для микро- и макроэлектродных отведений. Прибор используем в режиме работы: усиление по переменному току.
ОДНОКАНАЛЬНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ  
УБП1-02 

Рис. 22 усилитель биопотенциалов УБП1-02

Управления и регулировки
Индикатор СЕТЬ, расположенный над входным разъемом, светится, когда усилитель включён (выключатель питания расположен на передней панели).
Переключатель коэффициента усиления задает коэффициент усиления канала. При максимальном коэффициенте усиления «х10000» 
Переключатель фильтра верхних частот 
определяет частоту среза ФВЧ для ограничения сверху полосы пропускания усилителя.

Ослабление фильтра составляет примерно 12 дБ (4 раза) на удвоенной частоте среза и возрастает на 40 дБ (в 100 раз) на каждое дальнейшее удвоение частоты (крутизна характеристики 40 дБ/окт или 130 дБ/дек).
Переключатель фильтра нижних частот 
определяет частоту среза ФНЧ для отсечения постоянной составляющей и ограничения снизу полосы пропускания усилителя. ФНЧ обеспечивает крутизну характеристики 12 дБ/окт 
Калибровка. Этот режим позволяет проверить работу тракта усиления и регистрирующую аппаратуру для каждого канала. Входные цепи при этом не проверяются. Переключатель Калибровка – Работа находится над каждым разъемом ВходI, ВходII 
Перед включением сетевого адаптера в розетку убедитесь, что выключатель питания усилителя находится в положении выключено
Внимание! На входе усилителя используются малошумящие компоненты со сверхвысоким входным сопротивлением и пикоамперными токами утечки. Высоковольтные разряды статического электричества могут вывести входные каскады из строя. Работая с входными кабелями и электродами, соблюдайте следующие правила:
Подключайте и отключайте входные цепи только на заземленном усилителе (клемма Земля на задней панели должна быть соединена с «землёй» установки).
Перед тем как прикасаться к входным цепям или объекту с установленными электродами, кратковременно прикоснитесь к «земле» установки. Особенно строго это нужно соблюдать в сухую погоду и при наличии шерстяной или синтетической одежды. Переключатели Калибровка – Работа в положении калибровка
Приготовление	препарата	седалищного	нерва.
Обездвиживают лягушку. Ножницами перерезают позвоночник примерно посередине туловища и отделяют верхнюю половину тела. Удаляют остатки внутренностей пинцетом и ножницами. Захватив одной рукой через салфетку остаток позвоночника, а другой – край кожи со спины, быстрым движением снимают кожу с обеих лапок – получают препарат задних лапок лягушки.

Рис. 23. Приготовление препарата седалищного нерва

Далее приготовляют препарат одной лапки. Для этого, держа препарат так, чтобы лапки висели под прямым углом к позвоночнику, ножницами осторожно вырезают копчиковую кость – уростиль, который при таком положении препарата выдается кверху. Затем, стараясь не задеть нервных стволиков крестцового сплетения, продольно разрезают по средней линии позвоночник и все другие ткани, чтобы отделить лапки друг от друга.
Следующим этапом является припасовка икроножной мышцы и седалищного нерва. Подводят под ахиллово сухожилие браншу ножниц, отделяют сухожилие по всей длине и подрезают ниже сесамовидной косточки. Захватив сухожилие пинцетом, оттягивают мышцу в сторону, разрывая фасции, связывающие её с другими тканями. Для препаровки нерва бедро располагают задней поверхностью кверху. Мышцы разводят и отпрепаровывают двумя преправильными иглами, лежащий в глубине седалищный нерв по всей его длине препарируют. Приподняв нерв, перерезают ножницами окружающие ткани. Перерезают лапку выше и ниже коленного сустава – получают препарат седалищного нерва. До начала работы помещают его в чашку с раствором Рингера. На конце нерва рекомендуется сохранят небольшой участок позвоночника – за него удобно брать пинцетом, помещая нерв на электроды. Кроме того, отсечение позвоночника наносит дополнительную травму.
Собрать установку для регистрации электрической активности седалищного нерва  лягушки рис 24

Рис. 24. Блок схема установки для регистрации электрической активности нерва

ВНИМАНИЕ!!! Все действия, связанные с подключением источников сигнала, включением и выключением усилителя, во избежание повреждения усилителя производить только в положении «КАЛИБРОВКА».
Установить усиление канала «х1000», ФНЧ – 100 Гц,
ФВЧ – 5000 Гц.
Соединить выход усилителя с входом «Y» осциллографа.
Включить приборы в сеть.
Отрегулировать осциллограф для наблюдения калибровочного сигнала, так чтобы амплитуда сигнала занимала около 1 см по вертикали.
Поместить нерв в камеру так, чтобы его часть, содержащая больше волокон (около позвоночника), лежала на электродах. На дно камеры уложить фильтровальную бумагу и смочить водой. Нерв не должен касаться стенок камеры.
Регулируя коэффициент усиления и скорость развёртки определить характеристики фоновой активности: амплитуду, частоту и длительность импульсов.
Оформить протокол. Сделать выводы.

Лабораторная работа № 4

Регистрация потенциала действия нерва
Для работы необходимо: осциллограф СI-68,  усилитель
(УБП1-03), стимулятор	ЭСЛ-2, соединительные провода, препаровальный набор, раствор Рингера, влажная камера, изолирующая приставка или трансформатор.
В работе используют седалищный нерв крупной лягушки, выделенный от позвоночника до коленного сустава. Оставляют небольшой кусок позвоночника. Нерв помещают во влажную камеру на расположенные там электроды.
Для регистрации ПД необходимы усилитель биопотенциалов УБП и осциллограф, на котором регистрируют ПД. Используют режим внешнего запуска работы осциллографа, запуская развёртку импульсам синхронизации со стимулятора.
При внеклеточном отведении от нервного ствола регистрируют не изменение потенциала на мембране, а падение напряжения на внеклеточном межэлектродном участке, вызванное протеканием локальных токов вдоль наружной поверхности от покоящихся участков к активному. Ceдалищный нерв лягушки – это смешанный нерв. Он содержит волокна диаметром от 3 до 29 мкм. При регистрации потенциала действия получают плавную кривую, хотя ответ представляет собой сумму потенциалов действия от сотен волокон, обладающих разной возбудимостью. При пороговой стимуляции активируются наиболее возбудимые волокна, дальнейшее увеличение силы раздражения вовлекает в процесс и другие волокна. При определенной величине силы раздражения все волокна будут вовлечены в процесс возбуждения, и дальнейшее увеличение силы раздражения не приведет к усилению амплитуды ответа.
Приготовление препарата седалищного нерва (см. предыдущую работу).
Регистрация двухфазного потенциала действия
Включить приборы. Установить (на осциллографе и УБП) такое усиление, чтобы калибровочный импульс с УБП в 100 мкВ давал отклонение луча на экране осциллографа на 10 мм. Проверить наличие раздражающих импульсов на выходе изолирующего трансформатора.
Установить на стимуляторе частоту раздражения 5–10 Гц, длительность раздражающего стимула 0,1–0,5 мс. Осциллограф переключить в режим внешнего запуска. Выход стимулятора «фронт 1» присоединить к гнезду «Синхронизация» осциллографа.
Поместить нерв в камеру так, чтобы его часть, содержащая больше волокон (около позвоночника), лежала на раздражающих электродах. На участок нерва, расположенный на заземляющей (центральной) пластинке, поместить очень маленький ватный тампон, смоченный раствором Рингера. Дно камеры смочить раствором Рингера. Нерв не должен касаться стенок камеры. Камеру плотно закрыть смазанной вазелином крышкой.
Найти пороговую силу раздражения. Записать в рабочую тетрадь величину пороговой раздражения. Проверить, удобно ли работать при установленном усилении.
Увеличить силу раздражения в два раза и зарегистрировать ПД. Амплитуда ПД должна занимать больше половины экрана осциллографа.
С помощью калибратора УБП (но не осциллографа) измерить амплитуду ПД, определить длительность ПД исходя из скорости развёртки. Данные занести в протокол.
Объяснить наличие двух фаз на графике ПД. Сделать выводы.

Рис. 25. Схема образования двухфазного ПД из двух монофазных

Исследование зависимости амплитуды потенциала действия нервного ствола от силы раздражения
Для выполнения работы используется та же установка, что и
предыдущей работе.
Включить приборы, установить необходимые параметры и усиления.
Приготовить препарат седалищного нерва и поместить его
камеру.
Зарегистрировать ПД при разных силах раздражения от пороговой до сверхмаксимальной. При каждой силе раздражения измерить амплитуду ПД. По этим данным построить график зависимости амплитуды ПД нерва от силы раздражения. Данные занести в протокол.
Изменяя длительность и амплитуду раздражающего импульса, амплитуду и скорость развёртки, попытаться пронаблюдать расщепление ПД, связанное с наличием в общем нервном пучке нескольких типов нервных волокон. Первыми из А-волокон дают потенциал действия **-волокна. Постепенно включаются** -волокна и, наконец, **-волокна.
Оформить протокол, сделать выводы.

Рис.26. Изменение ПД в ответ на увеличении амплитуды стимула

Лабораторная работа № 5

Определение скорости проведения возбуждения
в седалищном нерве лягушки
Для работы необходимо: осциллограф  СI-68, усилитель 	(УБП1-03),	стимулятор		 ЭСЛ-2, соединительные провода, препаровальный набор, раствор Рингера, влажная камера, изолирующая приставка или трансформатор.
Ceдалищный нерв лягушки – это смешанный нерв. Он содержит волокна диаметром от 3 до 29 мкм. На небольших расстояниях от места раздражения не удаётся отчётливо наблюдать соответствующие различия в скоростях проведения. При регистрации потенциала действия получают плавную
кривую, хотя ответ представляет собой сумму потенциалов действия от сотен волокон, проводящих импульсы с различной скоростью. Однако при больших расстояниях между отводящими и раздражающими электродами различие в скоростях проведения импульсов проявляется в возникновении небольших подъемов на нисходящем колене кривой потенциала действия, при очень больших расстояниях можно наблюдать разделение потенциала действия волокон, проводящих импульсы с большой и малой скоростью. Поэтому для дифференцировки различных групп нервных волокон необходимо регистрировать потенциалы действия на значительном расстоянии от раздражающих электродов.
Скорость проведения импульса можно рассчитать двумя методами. Но в обоих случаях необходимо знать путь, который проходит нервный импульс, и время, затраченное на прохождение этого пути.
Первый метод заключается в регистрации потенциала действия на определённом расстоянии от раздражающего электрода. При этом измеряют время от проявления артефакта раздражения до начала восходящей фазы потенциала действия. Такой метод менее точен, так как трудно установить с достаточной точностью точку раздражения.
Второй метод использует регистрацию потенциала действия от двух точек, расположенных друг от друга на известном расстоянии. В этом случае устраняются трудности, связанные с необходимостью точного определения места возникновения потенциала действия. Однако данный метод очень сложен. Необходимо использовать двухлучевой осциллограф с двумя усилителями.
В работе используют седалищный нерв крупной лягушки, выделенный от позвоночника до коленного сустава. Нерв помещают во влажную камеру на расположенные там электроды. Для раздражения нерва используют стимулятор прямоугольных импульсов с изолирующим трансформатором на выходе.
Для регистрации ПД необходимы усилитель биопотенциалов УБП и осциллограф. Используют режим внешнего запуска
работы осциллографа, запуская развёртку импульсам синхронизации со стимулятора.
Включить приборы. Установить (на осцилографе и УБП) такое усиление, чтобы калибровочный импульс с УБП в 100 мкВ давал отклонение луча на экране осциллографа на 10 мм. Проверить наличие раздражающих импульсов на выходе изолирующего трансформатора.
Установить на стимуляторе частоту раздражения 5–10 Гц, длительность раздражающего стимула 0,1–0,5 мс. Осциллограф переключить в режим внешнего запуска. Выход стимулятора «фронт 1» присоединить к гнезду «Синхронизация» осциллографа.
Поместить нерв в камеру так, чтобы его часть, содержащая больше волокон (около позвоночника), лежала на раздражающих электродах. На участок нерва, расположенный на заземляющей (центральной) пластинке, поместить очень маленький ватный тампон, смоченный раствором Рингера. Дно камеры смочить раствором Рингера. Нерв не должен касаться стенок камеры. Камеру плотно закрыть смазанной вазелином крышкой.
Найти порог и максимальную силу раздражения. Записать
рабочую тетрадь номер опыта, величину пороговой и максимальной силы раздражения. Проверить, удобно ли работать при установленном усилении. Амплитуда ПД при максимальной силе раздражения должна занимать больше половины экрана осциллографа.
Определить скорость проведения возбуждения при величине раздражения, равной удвоенной силе порога и максимальной силе раздражения.
Скорость проведения возбуждения рассчитывают по формуле 
V = S / t,
где V – средняя скорость проведения, 
S – расстояние от раздражающего до регистрирующего электрода, 
t – время между артефактом раздражения (момент предъявления стимула) и появлением восходящей фазы ПД.
Сделать выводы, оформить протокол.

Лабораторная работа № 6

Определение динамики возбудимости cедалищного нерва
Для работы необходимо: осциллограф СI-68,  усилитель
 УБП1-02, стимулятор ЭСЛ-2, соединительные провода, препаровальный набор, раствор Рингера, влажная камера, изолирующая приставка или трансформатор.
Нерв раздражают максимальным импульсом. Этот импульс называют кондиционирующим. Через различные интервалы времени нерв возбуждают тестирующими импульсами различной силы. Если интервал времени между двумя раздражающими импульсами достаточно велик, то при одной и той же силе импульсов регистрируются потенциалы действия с одинаковой амплитудой. Если интервал между двумя раздражающими импульсами короче относительного рефрактерного периода, то происходит уменьшение амплитуды потенциала действия, возникающего в ответ на тестирующий импульс. Когда тестирующий импульс попадает в абсолютный рефрактерный период, то потенциал действия вообще не возникает.
Относительный рефрактерный период обусловлен снижением возбудимости нервных волокон. Если желательно получить количественную характеристику изменений возбудимости в различные стадии относительного рефрактерного периода, то нерв необходимо раздражать тестирующим импульсом через различные интервалы после приложения кондиционирующего импульса. При этом силу тестирующего импульса надо подбирать таким образом, чтобы амплитуда потенциала действия оставалась постоянной. За относительным рефрактерным периодом следуют менее выраженные изменения возбудимости. Сначала возбудимость повышается, так что сила, необходимая для возникновения пикового потенциала той же амплитуды, оказывается меньше силы кондиционирующего импульса. За этим периодом супернормальной возбудимости может следовать период субнормальной возбудимости.

Для выполнения работы используется та же установка, что и
предыдущей работе.
В периодическом режиме, при длительности импульса 0,1 мс и частоте стимуляции 10 Гц подбирают силу раздражения, равную двум реобазам.
Электростимулятор устанавливают в режим ручного запуска.
Внимание: импульс синхронизации снимают с выхода «Фронт 1». На счетчике набирают число импульсов в пачке – 2.
Не меняя длительности и амплитуды импульсов, устанавливают интервал (период следования) между стимулами 20 мс и регистрируют амплитуду ответов на кондиционирующий стимул и тестирующий . Можно видеть, что амплитуда обоих потенциалов действия одинакова.
Не меняя силы раздражения, постепенно уменьшают интервал времени между стимулами. Амплитуда потенциала действия, возникшего в ответ на тестирующий импульс, начинает уменьшаться. Это начальная граница относительного рефрактерного периода. В конце концов потенциал действия исчезает. Этот момент отражает конец относительного рефрактерного периода и начало абсолютного рефрактерного периода.
Существование периода супернормальной возбудимости можно определить следующим образом. Находят пороговую силу тестирующего раздражения при интервале между двумя импульсами, равном 200 мсек. Затем уменьшают интервал, не меняя силы импульсов. При определенном интервале пороговое тестирующее раздражение становится надпороговым, т. е. амплитуда ответа на второй стимул становится больше, чем на первый.
Существование периода субнормальной возбудимости выявляют таким же путём.
Полученные результаты нанести на график и сделать выводы.

Рис.27. Кривые (1-4), демонстрирующие восстановление ПД по мере окончания рефрактерного периода. Кривая (5) — реконструкция этого процесса

Лабораторная работа № 7

Измерение хронаксии нерва
Для работы необходимо: осциллограф СI-68, усилитель
УБП1-02, стимулятор ЭСЛ-2, соединительные провода, препаровальный набор, раствор Рингера, влажная камера, изолирующая приставка или трансформатор.
Пороговая сила раздражающего тока зависит от длительности его действия. Эта зависимость характерна для различных возбудимых тканей и описывается кривой Гоорвега – Вейса, которая по существу представляет собой гиперболу. Сила тока и длительность его действия обратно пропорциональны:

I х t = k, или I = R / t + k1,
где k и k1 – константы, 
или в общем виде эти отношения могут быть выражены формулой:

где I — пороговая сила тока, t — время раздражения,
а и b — константы, зависящие от физиологических свойств ткани.
Чем короче раздражающий импульс, тем больше сила тока, необходимая для возникновения импульса. Асимптотическое приближение гиперболы к оси времени указывает на существование пороговой силы, ниже которой импульс не может быть вызван, независимо от силы раздражения. Профессор Парижского университета Луи Лапик (1926) назвал эту величину реобазой. Наиболее короткий интервал времени, в течение которого должен действовать ток, равный по величине реобазе, чтобы вызвать возбуждение, называют временем утилизации. Асимптотическое приближение гиперболы к оси ординат означает, что для возникновения импульса необходимо некоторое минимальное время действия раздражителя.
Кривую «сила – длительность» можно построить путём определения координат по оси времени для различных координат по оси тока или в обратном порядке. Измерения наиболее точны в средней части кривой. Л. Лапик предложил пользоваться так называемой хронаксией – минимальным временем, в течение которого должен действовать ток, равный по силе удвоенной реобазе, чтобы вызвать возбуждение. С помощью хронаксии можно сравнить возбудимость различных тканей. Для измерения хронаксии определяют минимальную длительность раздражения, равного по силе удвоенной реобазе. Реобаза – это удвоенная сила продолжительно действующего тока пороговой величины.
Для выполнения работы используется та же установка, что и в предыдущей работе. Хронаксию определяют у седалищного нерва.
Определяют пороговую силу для раздражающего импульса длительностью 1 мс – реобазу. Затем амплитуду импульса удваивают (удвоенная реобаза). На экране осциллографа при этом регистрируется высокий ПД. Укорачивают постепенно длительность раздражающего импульса и определяют величину, при которой ПД исчезает. Данная продолжительность импульса и есть хронаксия.
Повторно определяют пороговую силу для раздражающего импульса длительностью 1 мс. Затем постепенно укорачивают импульс и для каждого интервала времени определяют его пороговую силу. Находят минимальную длительность импульса, при которой регистрируется ответ в нерве. Полученные парные величины наносят на график и получают кривую «сила – длительность».
Оформить результаты исследования в виде таблицы и графика, сделать выводы.

Рис. 28. Кривая зависимости пороговой силы от длительности раздражения (кривая «сила-длительность»). По оси абсцисс время раздражения, по оси ординат – сила раздражения: 1-2 – полезное время, 1-3 – хронаксия, 1-4 – реобаза, 1-5 – удвоенная реобаза.

КОМПЬЮТЕРНАЯ РЕГИСТРАЦИЯ ДАННЫХ ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

Система сбора данных для нейробиологии NBL140

АЦП – аналого-цифровой преобразователь

Рис. 29 Система сбора данных для нейробиологии. Модель NBL140-4AP

Прибор NBL140P представляет собой аналого-цифровой преобразователь для ввода аналоговых сигналов в память компьютера. NBL140P выполнен в виде внешнего модуля, подключаемого к компьютеру через USB-порт. Имеет 4 аналоговых входных канала, из них 2 со встроенными усилителями, 2 аналоговых выхода для стимуляции. Все входы и выходы гальванически изолированы от компьютера.

Программное обеспечение
Прибор NBL140P комплектуется программой DigiScope, работающей под операционной системой Windows XP или Windows Vista. 
DigiScope обеспечивает гибкое конфигурирование прибора для сбора данных и стимуляции. DigiScope позволяет координировать сбор данных и стимуляцию по заранее задаваемой временной схеме.
Для сбора данных поддерживаются два режима: непрерывная запись в течение заданного времени и запись последовательности кадров фиксированной длины с синхронизацией кадра по внешнему событию или по запуску стимуляции. Возможна одновременная регистрация по нескольким группам входных каналов, причём для каждой группы может быть задан свой режим сбора данных и своя частота дискретизации. Для каждого входного канала индивидуально (с некоторыми ограничениями) задаются конфигурация входов, чувствительность и значения фильтра нижних частот.
Для стимуляции формируются импульсные последовательности с программируемой амплитудой (только для аналоговых выходов STIM) и программируемыми временными параметрами.
Для сохранения данных поддерживаются два формата файлов: ABF (Axon Binary Format) и EDF (European Data Format).

Технические характеристики прибора
Для	каналов	со	встроенными	усилителями:	PROBE 1,
PROBE 2.
Каждый канал имеет свой Сигма-Дельта АЦП разрядностью 16 бит и частотой дискретизации до 100 КГц.
Для каждого канала два входа: AIN (BNC-разъём)  или
PROBE.
Для входов PROBE:
входные диапазоны +/-220, +/-125, +/-60, +/-30, +/-7, +/-4, +/-2 мВ по переменному току в полосе 0,1 Гц – 50 кГц; входной импеданс >1 ГОм / 80 пФ;
действующее значение напряжения шума, приведённое ко входу, 0,5 мкв @ 1–150 Гц; Rs=0,
2 мкв @ 1–1000 Гц; Rs=0.
Для входа AIN:
входные диапазоны +/-1,25, +/-0,6, +/-0,3 В;
входной импеданс >1 МОм /|10 пФ.
Для каналов без встроенных усилителей: AIN 1 – AIN 4.
Каждый канал имеет свой Сигма-Дельта АЦП разрядностью 16 бит и частотой дискретизации до 100 КГц.
Вход AIN (BNC-разъём):
входные диапазоны +/-1,25, +/-0,6, +/-0,3 В;
входной импеданс >1 МОм /| 10 пФ.
Возможна индивидуальная настройка параметров, в том числе и частоты дискретизации, для каждого канала.
Параметры аналоговых выходных каналов стимуляции
Возможность генерации программируемых импульсных последовательностей или произвольных кусочно-линейно апроксимированных (до 32 точек в периоде) сигналов.

Выходной диапазон +/-2,5 В. Временное разрешение до 10 мкс. Совместимость по управляющим сигналам с аналоговым изолятором стимула NBL360.

Работа с программой DigiScope
1. Запуск DigiScope
После запуска программы DigiScope.exe на экране появляется небольшое квадратное окно с заголовком «Digiscope Initialization». Основное окно программы должно появиться через 15–20 с, которые требуются для инициализации прибора.
2. Настройки программы
Все настройки программы хранятся в двух файлах: DigiScope.ini (текущая конфигурация прибора NBL140P) и sw.ini (настройки программы DigiScope). После того как настроена рабочая конфигурация программы, рекомендуется сохранить копии этих двух ini-файлов.
В случае повреждения рабочих настроек программы в результате сбоя или случайных действий они могут быть оперативно восстановлены посредством восстановления файлов
DigiScope.ini и sw.ini в рабочем каталоге программы DigiScope.
При операциях с настройками групп каналов (удалении, редактировании, добавлении) рекомендуется отключать отображение окна графиков галочкой «Show traces» (рис. 29).

Рис. 30. Основное окно настроек программы DigiScope

3. Запуск задачи (эксперимента)
Сконфигурированная задача может быть запущена нажатием кнопки «Start Exp» (рис. 29).
В качестве дополнительного источника запуска могут быть выбраны внешний запускающий импульс или выносная механическая кнопка, подключаемые к дискретному входу B, C, D или E. Настройки дополнительного источника объединены рамкой «Experiment start triggering» в основном окне программы. (Дополнительные источники запуска не поддерживаются версией
DigiScope 0.6 beta.)
4. Завершение задачи (эксперимента)
Запущенная задача завершается автоматически, когда исчерпана продолжительность регистрации (Duration на рис. 29) для режима регистрации Gap-Free и выполнено заданное количество запусков последовательностей стимуляции (Repetitions на рис. 11). Задача может быть завершена досрочно нажатием кнопки «Stop Exp».
Стимуляция
Загруженные последовательности стимуляции (пачки импульсов) показаны для каждого канала в поле «Pulse/Train» (рис. 29).
После запуска программы DigiScope все выходы стимуляции выключены для предотвращения случайной подачи стимулов на препарат. Для активации выходов они должны быть включены индивидуальными выключателями On/Off.
Примечание. Для версии DigiScope 0.6 beta: если для формирования последовательности (пачки) импульсов используется базовый импульс (Shape), созданный в этой же сессии программы DigiScope, то при следующем её запуске информация о загруженной последовательности теряется. Её нужно заново загрузить, и при последующих запусках она корректно загружается. Чтобы избежать этого неудобства, можно выйти из программы после создания нового базового импульса и запустить её снова.
5. Графики
Если в основном окне отмечена галочка «Show traces» (см. рис. 29), графики сигналов отрисовываются в окне «DigiScope Graphic». Графики всех групп каналов выводятся в реальном времени в едином масштабе по времени, независимо от частоты дискретизации или режима сбора данных.
Для режима сбора данных «Gap-free» трассы отрисовываются в осциллографическом режиме слева направо: достигнув правой границы, трасса продолжается от левой. Текущей точке предшествует вертикальная полоса, «стирающая» предыдущие трассы.
Для режима сбора данных «Sweeps» по мере ввода тонкой линией отрисовывается текущий кадр (его номер указывается под графиком после символа «#»), а толстой – осреднённое значение по всем предыдущим кадрам, включая текущий. Кнопкой «Reset Average» накопленное осреднённое значение может быть обнулено. При записи данных в файл с номерами 1– N сохраняются все индивидуальные кадры, а первым кадром (с номером 0) сохраняется накопленное усреднённое значение.
При нажатии кнопки «Full scale» внизу окна устанавливается масштаб графиков, при котором отображается полный размах шкалы АЦП для всех трасс. При нажатии кнопки «Autoscale» устанавливается индивидуальный масштаб для каждой трассы, при котором фактический сигнал, с учётом предыстории в пределах двух последних проходов трасс, изображается с максимальным размахом.
Общий масштаб по времени можно изменить кнопками «<» и «>». Масштабы по времени и амплитуде изображаются соответствующими калибрующими отрезками. При изменении масштабов величины калибрующих отрезков изменяются только после завершения отрисовки текущего экрана. Чтобы масштабирующие отрезки отразили изменение входного диапазона (чувствительности) АЦП, после его изменения необходимо нажать кнопку «Full scale» или «Autoscale».
Лабораторная работа № 10. 

ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФИЯ
Отработка методов регистрации и анализа электрических потенциалов сердечной мышцы
Для работы необходимо: электрокардиограф, компьютер, препаровальный набор, раствор Рингера.
Цель работы – освоение методов регистрации и анализа электрокардиограммы.
Электрокардиография (ЭКГ) – метод регистрации биоэлектрической активности сердца. Процесс возбуждения сердца сопровождается возникновением в его тканях разности потенциалов, закономерно изменяющихся по величине и направлению. Следует подчеркнуть, что ЭКГ отражает именно процесс возбуждения в сердце, а не сокращение его структур. Эти два процесса разделены во времени, так как второй является следствием первого. В процессе возбуждения меняется поляризованность клеточных мембран. При этом между возбужденными и невозбужденными участками регистрируется разность потенциалов, которую можно представить, как ЭДС сердца. Поскольку сердце окружено проводящей средой, то эту разность потенциалов можно после соответствующего усиления зарегистрировать с поверхности тела. При этом получается характерная кривая, состоящая из нескольких зубцов, разделенных определенными интервалами. Эта кривая получила название электрокардиограммы. На ЭКГ различают зубцы, обозначаемые латинскими буквами: P, Q, R, S, T (перечислены в порядке их появления), соответсвующие интервалы. Интервалом называют промежуток от начала одного зубца и окончания другого (например, QT – интервал, измеряется от начала Q-зубца до окончания волны T) (Рис.30). 
Величина разности потенциалов, улавливаемая электродами, зависит от расстояния от электродов до источника возбуждения, степени электропроводности ткани между сердцем и электродами, и массы сердца, генерирующей электродвижующую силу. Поэтому для сравнения разных 
ЭКГ, отводящие электроды накладывают на строго определенные участки тела, и в зависимости от их расположения различают несколько методов отведения. Основными являются отведения от конечностей, или стандартные отведения (рис. 8), и грудные отведения. Стандартные отведения приняты как обязательный метод, так как они регистрируют колебания потенциалов во фронтальной плоскости от больших поверхностей. Грудные отведения регистрируют колебания потенциалов от более ограниченных участков, находящихся под активным электродом, позволяя, однако, более точно локализовать и диагностировать нарушения 
в распространении волны возбуждения по сердцу. 

Рис. 31. Схематическое изображения нормальной ЭКГ

Стандартные двухполюсные отведения, предложенные В. Эйнтховеном в 1908г фиксируют разность потенциалов между двумя точками электрического поля. Электроды накладываются на конечности таким образом, что получаемые при этом отведения (они обозначаются римскими цифрами I, II, III) образуют стороны примерно равностороннего треугольника (рис. 8), в середине которого расположено сердце. Эти электроды попарно подключаются к гальванометру электрокардиографа. 
Отведение I регистрирует разность потенциалов между левой и правой рукой. Соединения гальванометра устроены таким образом, что, когда потенциал в левой руке () превышает потенциал в правой (), писчик кардиографа отклоняется вверх от изоэлектрической линии. На рис. 8 это расположение соединений гальванометра для отведения I обозначено (+) в левой руке (ЛР) и (-) — в правой. Отведение II регистрирует разность потенциалов между ПР и левой ногой (ЛН), и писчик отклоняется вверх когда  превышает потенциал . Наконец, отведение III регистрирует разность потенциалов между ЛР и ЛН, и писчик отклоняется вверх когда   превышает . Эти соединения гальванометра были произвольно выбраны так, чтобы комплексы QRT были направлены вверх во всех стандартных отведениях от конечностей у большинства индивидуумов. 
Амплитуда и длительность зубцов ЭКГ, величина интервалов закономерно меняются в зависимости от многих факторов: функционального состояния сердца, физической нагрузки, изменения положения тела, задержки и изменения дыхания, эмоционального напряжения.

Рис 32. Треугольник Эйнтховена, иллюстрирующий соединения электрокардиографа при стандартных отведениях I, II, III от конечностей. 
Электрическая ось сердца – это проекция суммарного вектора ЭДС деполяризации желудочков на фронтальную плоскость.
Электрическая ось сердца характеризует направление волны возбуждения за весь период ее распространения по миокарду желудочков. Направление электрической оси выражается величиной угла (Ða), образованного горизонтальной линией (параллельной оси I стандартного отведения) и электрической осью (рис. 8). Вопреки соглашению, принятому в математике, в качестве положительного направления принято вращение по часовой стрелке от горизонтальной плоскости вниз. 
Цель работы. Анализ (определение величины зубцов и кардиоинтервалов, электрической оси сердца) ЭКГ, зарегистрированной в стандартных отведениях.
Оборудование и материалы. Электрокардиограф одноканальный ЭК1Т-07 «Аксион», электроды, марля, спирт, 10 % раствор хлорида натрия или специальная паста.
Ход работы. Электроды кардиографа, лодыжки и запястья испытуемого протереть спиртом, затем раствором хлорида натрия. Для облегчения работы кабели кардиографа имеют стандартную маркировку: 
красный электрод накладывается на запястье правой руки,
желтый – на запястье левой, 
зеленый – вблизи голеностопного сустава левой ноги, 
черный – заземляющий, накладывается на правую ногу. 
Включить электрокардиограф в сеть, нажав кнопку «Пуск».  На его индикаторе устанавливается изображение, показанное на рис.  9.

Рис. 33. Схема индикации электрокардиографа ЭК1Т-07 «Аксион»

Автоматически устанавливается следующий режим работы электрокардиографа:
калибровка 10 мм/ мВ;
автоматический режим работы;
скорость движения бумаги 25 мм/с;
фильтры выключены;
отведение не установлено.
Необходимо перевести кардиограф в ручной режим работы: вместо буквы А (автоматический режим) на табло должно появиться Р (ручной), включить фильтр (F), и последовательно переключать отведения с I по III. При включении электрокардиографа при некачественно наложенных электродах светится дополнительный индикатор «ПЕРЕГРУЗКА». Прибор обязательно должен быть заземлен!
Производят запись ЭКГ последовательно в 3-х стандартных отведениях при скорости лентопротяжки 25 мм/с.
. Анализ зубцов и интервалов ЭКГ. 
Зубцы ЭКГ, направленные кверху, рассматриваются как положительные, книзу – как отрицательные. Различают зубцы P, Q, R, S, T. Вольтаж зубцов (амплитуда) выражается в милливольтах (мВ) или мм, и измеряется от уровня изоэлектрической линии, которая соответствует сегменту Р-Т и отражает состояние миокарда, когда возбуждение равно нулю. Вольтаж зубцов зависит от анатомо-функциональных особенностей сердца, нагрузки на сердечную мышцу и вида отведения. Величина интервалов (PQ, ST, QT) и длительность зубцов измеряется в секундах (с); эти характеристики определяются функциональным состоянием миокарда и не зависят от вида отведения. Ниже приведены таблицы 2, 3, в которых даны характеристики ЭКГ, свойственные здоровому человеку (Табл. 2).
Оформление отчета. Электрокардиограмму, зарегистрированную в трех стандартных отведениях, разрежьте и вклейте в тетрадь. Отметьте номер отведения, зубцы и интервалы. Определите амплитуду и длительность зубцов, величину интервалов ЭКГ, внесите эти данные в таблицу и сравните с характеристиками нормальной ЭКГ:

Показатель работы сердца
	Норма	Полученные в лабораторной работе данные ЭКГ	
		I отведение	II отведение	III отведение	
зубец Р 
зубец Q
зубец R
зубец S
зубец T
интервал PQ
интервал ST
интервал QT (QRST) 
интервал RR
ЧСС		  			

Таблица 2
Характеристика зубцов нормальной ЭКГ
Зубец	Физиологическое значение	Длительность, с	Диапазон амплитуды
в I, II, III
отведениях, мм	
Р	Отражает динамику возбуждения предсердий. В первые 0,02-0,03 с возбуждается правое предсердие (восходящее колено зубца), в следующие 0,02-0,03 с – левое предсердие (нисходящее колено). Обычно положительный.	0,08-0,12	0,5 - 2,5	
Q	Первый зубец желудочкового комплекса, отражает деполяризацию желудочков (область папиллярных мышц). Обычно отрицательный. Может отсутствовать.	0,03	0,01-0,75 (1/4 зубца R)	
R	Главный зубец деполяризации желудочков (основание желудочков). Обычно положительный. Его направление зависит от анатомического положения сердца.	0,06-0,1	5,5-11,5	
S	Отражает окончание деполяризации желудочков (область верхушки сердца). Может отсутствовать. Обычно отрицательный.	-	1,5-1,7
	
T	Отражает деполяризацию в миокарде. Обычно положительный.	0,2-0,28	1,2-3,0 (1/3 от зубца R)	
U	Непостоянен, возникает спустя 0,02-0,04 с после зубца Т. Предположительно отражает следовой потенциал в фазу повышенной возбудимости миокарда после систолы. Положителен.	-	-	

Таблица 3
Характеристики интервалов нормальной ЭКГ
Интервал	Физиологическое значение	Продолжительность, с	
PQ	Измеряется от начала зубца Р до начала зубца Q. Отражает предсердно-желудочковую проводимость и соответствует времени распространения возбуждения от синусного узла до рабочей мускулатуры сердца.	0,12 – 0,2	
ST	Измеряется от конца комплекса QRST до начала зубца Т. Соответствует времени охвата возбуждением миокарда.	0,02 - 0,25	
QT (QRST)	Измеряется от начала зубца Q до конца зубца Т. Определяется ЧСС, полом и возрастом. Отражает время электрической систолы желудочков.	0,24 – 0,55	
RR	От наивысшей точки амплитуды одного зубца R до следующего зубца R		

Вывод. Оцените соответствие норме полученных значений зубцов и кардиоинтервалов.

. Определение электрической оси сердца.
Для более точного определения направления электрической оси в градусах пользуются схемой Дьеда (рис. 33). Предварительно вычисляют алгебраическую сумму зубцов комплекса QRS I и III стандартных отведений.  Эти значения используют для определения электрической оси сердца по схеме Дьда, откладывая их по сторонам номограммы в мм для I отведения по горизонтали, для III – по вертикали, на пересечении находят: 
Определяют угол a:
нормальное направление электрической оси составляет  Ða +60,
вертикальное  Ða +90, 
отклонение электрической оси вправо  Ða  + 120, 
горизонтальное направление электрической оси сердца  Ða + 29,
отклонение электрической оси влево Ða  от 0 до -15, 
выраженное отклонение электрической оси сердца влево Ða  - 30 и более.
Рис. 34. Таблица для определения электрической оси сердца в градусах (по Дьеду)

Оформление отчета. Оцените электрическую ось сердца. Зарисуйте электрическую ось сердца. 
Оцените соответствуют ли величины кардиоинтервалов и зубцов ЭКГ, электрическая ось сердца норме.

Лабораторная работа № 11. 

Функциональные пробы для изучения состояния сердца с использованием электрокардиограммы
Рефлекс сердца человека, вызываемый раздражением каротидного синуса
Сердце реагирует рефлекторно на многие изменения в работе организма. Рассмотрим, например, барорецепторные рефлексы при повышении артериального давления.  Повышение давления в дуге аорты и каротидных синусах стимулирует находящиеся здесь барорецепторы, что приводит к рефлекторному снижению ЧСС. Каротидный синус – одна из важнейших рефлексогенных зон сердечно-сосудистой системы. Активация барорецепторов каротидного синуса ведет к повышению тонуса парасимпатических входов в сердце и снижению импульсации в парасимпатических волокнах. 
Цель работы. Изучение характера изменения частоты сердечных сокращений при реализации рефлекса с каротидного синуса.
Оборудование и материалы. Электрокардиограф одноканальный ЭК1Т-07 «Аксион», электроды, марля, спирт, 10 % раствор хлорида натрия или специальная паста.
Ход работы. После регистрации ЭКГ во 2-ом стандартном отведении в состоянии покоя (после 5 минутного отдыха), нащупайте пульсацию общей сонной артерии в глубине шеи у переднего края грудино-ключично-сосцевидной мышцы. Разветвление сонной артерии и каротидный синус находятся на уровне верхней границы щитовидного хряща. Плотно прижмите артерию к позвоночнику всего лишь на 2 с. Не сдавливайте одновременно обе сонные артерии! При этом зарегистрируйте ЭКГ во II-м стандартном отведении. 
Оформление отчета. Запись электрокардиограммы, зарегистрированной в покое и после нажатия на каротидный синус, разрежьте и вклейте в отчет. Отметьте на ней отведение и ситуацию регистрации ЭКГ. Оцените изменения зубцов и интервалов ЭКГ сразу после надавливания на каротидный синус. Опишите механизм наблюдаемого эффекта. Зарисуйте рефлекторную дугу рефлекса с каротидного синуса. Данные ЭКГ занесите в таблицу:

Показатели ЭКГ в покое и при каротидном рефлексе
Показатель работы сердца	Покой	После нажатия на каротидный синус	
зубец Р
зубец Q
зубец R
зубец S
зубец T
интервал PQ
интервал ST
интервал QT (QRST) 
интервал RR (ЧСС)			

Вывод. Отметьте, каким образом изменяются показатели работы сердца (кардиоинтервалы, зубцы) при реализации рефлекса с каротидного синуса.
 Регистрация ЭКГ у человека при физической нагрузке.
В ряде случаев физическая нагрузка провоцирует появление изменений, не наблюдаемых на ЭКГ, зарегистрированной в состоянии покоя. При хорошем функциональном состоянии сердца ЭКГ после физической нагрузки характеризуется незначительными изменениями:
увеличивается частота сердечных сокращений на 50-60 % по сравнению с исходной;
положение электрической оси не изменяется или несколько смещается вправо, изредка влево;
интервал P-Q не изменяется или незначительно укорачивается;
длительность комплекса QRS не изменяется или укорачивается незначительно;
сегмент ST остается на уровне изоэлектрической линии или смещается книзу не более чем на 0,5 мм;
наблюдается уплощение зубца P в отведении I и увеличение его в отведении II не более чем до 3 мм;
несколько увеличивается амплитуда зубца T в отведениях II, III;
восстановление всех исходных показателей заканчивается на 5-й минуте отдыха.
Цель работы. Изучение изменения ЭКГ (зубцов кардиоинтервалов и электрической оси сердца) после выполнения физической нагрузки.
Оборудование и материалы. Электрокардиограф одноканальный ЭК1Т-07 «Аксион», электроды, марля, спирт, 10 % раствор хлорида натрия или специальная паста.
Ход работы. После регистрации ЭКГ в 3-х стандартных отведениях в состоянии покоя, предлагают испытуемому сделать 30 приседаний за 1 мин. Зарегистрируйте ЭКГ в 3-х стандартных отведениях сразу после функциональной пробы, через 3 и 5 мин. 
Оформление отчета. Данные о зубцах и кардиоинтервалах в состоянии покоя и в разное время после функциональной пробы занесите в таблицу, определите электрическую ось сердца; вклейте запись ЭКГ в тетрадь; отметьте отведения, в котором была зарегистрирована ЭКГ:

Показатели ЭКГ в покое и после физической нагрузки
Показатель работы сердца	Покой	Время после физической нагрузки, мин	
		0	3	5	
зубец Р					
зубец Q					
зубец R					
зубец S					
зубец T					
интервал PQ					
интервал ST					
интервал QT (QRST)					
интервал RR					
ЧСС					
Электрическая ось сердца					

Вывод. Отметьте величину изменений показателей работы сердца в разное время после физической нагрузки. Восстанавливались ли эти показатели

Лабораторная работа № 12

Регистрация и анализ электромиограммы
Для работы необходимо: усилитель УБП1 -03 или электромиограф, осциллограф СI-68, раствор Рингера, поверхностные накожные электроды.
Цель работы – отработка методов регистрации и анализа электромиограммы и оценка состояния мышечной системы по показателям электромиографии.
Электромиография (ЭМГ) – регистрация биолектрической активности мышц (БА). В зависимости от характера отведения различают суммарную ЭМГ и ЭМГ отдельных двигательных единиц (ДЕ). Суммарная ЭМГ представляет собой результат сложения потенциалов действия ряда ДЕ. При нормальном функционировании двигательного аппарата у человека частота импульсов в отдельной ДЕ составляет 10–30 Гц и лишь при очень сильных напряжениях мышцы может достигать 50 Гц. Электрические потенциалы в отдельных ДЕ появляются не одновременно, а с разной степенью запаздывания один относительно другого. Коэффициент синхронизации (т. е. отношение числа синхронно работающих ДЕ к общему числу возбужденных единиц) колеблется в пределах 2– 18, достигая при максимальном сокращении 30. Следовательно, в норме суммарная ЭМГ является результатом как синхронно, так и асинхроно работающих ДЕ, с разной величиной сдвига по фазе.
Таким образом, суммарная ЭМГ, представляя собой результат алгебраического суммирования электрических потенциалов, имеет особые параметры. Число биопотенциалов (импульсов, спайков) может изменяться от нескольких до 300 в секунду, амплитуда биопотенциалов от 150 до 6000 мкВ, длительность отдельных колебаний потенциалов мышцы – от 2 до 36 мс.
Усилительная и регистрирующая аппаратура. Для регистрации ЭМГ усилитель должен иметь следующие параметры:
большой коэффициент усиления в широкой полосе частот
 большую величину входного сопротивления, 3) низкий уровень шумов. Величина входного сигнала при регистрации ЭМГ изменяется в больших пределах, от 3мкв до нескольких милливольт. В связи с этим максимальный коэффициент усиления миографа по напряжению должен быть порядка 10000–1000000. Такой коэффициент позволяет при минимальном входном сигнале получать на выходе усилителя величину в несколько вольт, что дает возможность регистрировать выходной сигнал без дополнительного преобразования с помощью регистраторов общетехнического назначения с соответствующим диапазоном частот. Диапазон частот электромиографического усилителя, необходимый для неискаженной регистрации всех форм ЭМГ, лежит в пределах от десятых долей герца до 10 кГц. В случае применения накожного отведения верхняя граница регистрируемых сигналов составляет величину около 200 Гц. При игольчатом отведении верхний граничный предел частот повышается и весь спектр миограммы смещается в сторону высоких частот до 1–2 кГц. Основной помехой при электромиографическом обследовании является сетевая наводка с частотой 50 Гц, избавиться от которой с помощью фильтров невозможно, так как эта частота входит в диапазон частот ЭМГ. Для устранения наводок усилители делаются с дифференциальным входом. Кроме того, следует заземлять испытуемого. Сигнал с выхода усилителя поступает на регистрацию. Индикатором сигнала обычно является электронно-лучевая трубка, которую используют как для визуального наблюдения, так и для регистрации. Для оценки общих характеристик ЭМГ применяют также перьевые регистраторы.
Наиболее распространенный тип поверхностных электродов – это пластинчатые электроды. Два таких электрода укрепляются на коже (на расстоянии около 2 см между центрами) вдоль хода волокон мышцы. Для лучшего крепления электродов на них накладывают эластичную манжету.
Анализ ЭМГ может быть, как качественным, так и количественным. Качественный анализ предполагает визуальное изучение ЭМГ, определение характера проявления биоэлектрической активности (непрерывная, пачковая, в виде единичных биопотенциалов), характера и формы колебаний биопотенциалов, величины их амплитуды в относительном выражении (большие, средние, малые). При количественной обработке соответствующие параметры ЭМГ выражаются в конкретных количественных единицах (амплитуде биопотенциалов в милли- или микровольтах, частоте колебаний за 1 секунду, длительности отдельных колебаний в миллисекундах).
Зарегистрировать суммарную электромиограмму при выполнении статической и динамической работы
Удобным объектом для регистрации биопотенциалов мышц человека является сгибатель предплечья (m. biceps). Кожу над мышцей предварительно обрабатывают смесью этилового спирта и эфира. По ходу мышечных волокон накладывают два электрода на расстоянии 2–3 см друг от друга и фиксируют их эластичными лентами.
Порядок выполнения работы
Включить усилитель (или электромиограф), прогреть в течение 5–10 мин, произвести проверку работоспособности и калибровку каналов.
Выход усилителя соединить со входом осциллографа. Установить общую чувствительность оборудования в 5–10 мв/см отклонения луча осциллографа. Полоса пропускания усилителя (частотный диапазон) 0,1 Гц – 5000 Гц.
Измерить межэлектродное сопротивление (сопротивление между электродами не должно превышать 5–10 кОм).
Зарегистрировать суммарную электромиограмму в состоянии покоя, т. е. при расслабленной руке.
Затем испытуемому предлагают поднимать груз весом 3– 5 кг, сгибая руку в локтевом суставе с частотой 1 раз в 2 с в течение минуты. Производят запись потенциалов в начале работы, спустя 1 мин и когда мышцы руки утомятся.
Зарегистрировать суммарную электромиограмму в состоянии статического напряжения, т. е. при удерживании груза весом 3–5 кг в согнутой на 900 в локтевом суставе руке.
Сделать анализ ЭМГ: дать описательную характеристику ЭМГ, отметив амплитуду и частоту колебаний биопотенциалов; провести сравнение биоэлектрической активности мышц в покое, при выполнении статической и динамической работы.

ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЯ ЦЕНТРАЛЬНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ

Лабораторная работа № 13

Биоэлектрическая активность коры мозга
Для работы необходимо: компьютерный электроэнцефалограф или биоусилитель с персональным компьютером и аналого-цифровым преобразователем, фотостимулятор, хирургический инструмент для препаровки, электроды для ЭЭГ.

Рис 35 Компьютерный электроэнцефалограф Нейрон-Спектр 5

32-канальный электроэнцефалограф экспертного класса
Основные преимущества:
32 канала ЭЭГ + 9 каналов для регистрации любых сигналов
11 видов анализа ЭЭГ
Энцефалограф комплектуется программой с набором различных видов анализа. Среди них — амплитудный, спектральный, биспектральный, периодометрический, корреляционный, кросскорреляционный, когерентный, сравнительный, вейвлет-анализ, анализ независимых компонент и эпилептиформной активности. Программа может строить двух- и трехмерные топографические карты всей записи и выбранного участка кривых. Результаты всех видов анализа синхронизированы с записанными кривыми.

Рис 36 Расположение регистрирующих электродов

Цель работы – освоение методов регистрации и анализа электроэнцефалограммы.
Электрокортикографией (ЭКоГ) называют регистрацию потенциалов, возникающих в коре головного мозга, с помощью электродов, которые вводят в глубь коры или располагают на её поверхности. Регистрацию потенциалов от поверхности головы через кожу и кости черепа или с помощью подкожного введения игл называют электроэнцефалографией (ЭЭГ). У людей и высших млекопитающих потенциалы ЭЭГ обусловлены деятельностью коры головного мозга, амплитуда их достаточно мала. Амплитуда потенциала ЭЭГ обычно в 10 раз меньше амплитуды ЭКоГ. Как в острых, так и в хронических опытах на животных предпочтительно использовать электрокортикографию, так как при этом исключаются потенциалы больших подкожных мышц скальпа или смежных височных мышц (кошка, собака). ЭкоГ можно получить либо путем регистрации с обнаженных участков мозга после обширной краниотомии, либо с помощью игольчатых электродов, которые подводятся через кость к поверхности твердой мозговой оболочки (эпидуральная регистрация) или к коре. Можно также пользоваться другими методами, например, регистрацией потенциалов от поверхности коры через небольшие отверстия, сделанные трепаном.
Регистрация биотоков мозга осуществляется с помощью многоканального аппарата – электроэнцефалографа, который состоит из входного устройства с коммутатором; предварительных и выходных усилителей; блока контроля и калибровки; блока питания.
Устройство входа представляет собой щиток с клеммами для подключения электродов и заземления пациента. Щиток располагается в непосредственной близости от головы испытуемого и связан с коммутатором кабелем. С помощью коммутатора каждый канал электроэнцефалографа может быть соединен с любой парой электродов.
Предварительные усилители представляют собой симметричные дифференциальные усилители переменного тока с высоким коэффициентом дискриминации (до 5000) и коэффициентом усиления (до 100 тыс.), с входным сопротивлением от 0,5 до 10 мОм и полосой пропускания от 0,1–0,5 Гц до 3–10 кГц. Наличие многих каналов регистрации (обычно не более 16) позволяет осуществлять одновременную синхронную запись целого ряда показателей жизнедеятельности организма, включая ЭЭГ, ЭКГ, ЭМГ, КГР и др., т. е. получить полиграфическую запись. Связь предусилителей с оконечными каскадами усиления осуществляется через систему фильтров, определяющих полосу пропускания частот. В качестве регистрирующих устройств в электроэнцефалографах используются чернильнопишущие магнитоэлектрические вибраторы, струйные гальванометры. Чтобы иметь возможность судить о величине и полярности регистрируемых потенциалов, в прибор введен калибратор, который позволяет, подав на входы всех каналов усилителей стандартные сигналы определенной величины, настроить чувствительность каждого из каналов соответственно цели исследования. Процедура калибровки является и способом проверки работоспособности прибора.

Методика отведения потенциалов ЭЭГ
Существуют два основных способа отведения биопотенциалов мозга: униполярный (монополярный) и биполярный. При униполярном отведении один из электродов, являющийся общим для всех каналов регистрации, расположен над «нейтральным» участком ткани (индифферентный электрод). В качестве нейтральной точки может быть использована только
та, собственный потенциал которой в минимальной степени подвержен влиянию биотоков мозга. Это обычно мочка уха, переносица, область сосцевидного отростка височной кости, области лобных пазух. Монополярный метод регистрации дает возможность судить об активности в точке отведения ЭЭГ. Отведение называют биполярным, когда на канал регистрации подключают два независимых электрода, каждый из которых расположен над «активными», в смысле генерирования ЭЭГ, участками мозга. Этот метод дает достаточно точное представление о локализации очага биоэлектрической активности. Биполярный метод регистрации дает возможность судить об активности в области отведения ЭЭГ.
Основные требования, соблюдение которых обязательно во всех случаях, – это отведение потенциалов от симметричных точек обоих полушарий, стандартизация схемы расстановки электродов и обеспечение равенства межэлектродных расстояний.
Регистрация спонтанной биоэлектрической активности мозга животных
Объект исследования: наркотизированные кролик, кошка или крыса, лягушка.

Порядок выполнения работы
1. Животное наркотизируют, затем фиксируют в станке. Обязательным условием для получения хорошего отведения является жёсткое крепление головы с помощью специального держателя. После инъекции новокаина производят разрез мягких тканей головы по средней линии, начиная от точки, расположенной на один сантиметр выше линии, соединяющей верхние края глазниц, до уровня наружного слухового прохода. Кожу оттягивают по возможности дальше в стороны, обнаженную кость очищают от мышц, фасции и вытирают насухо, так, чтобы отчетливо видеть черепные швы, которые служат важным ориентиром.
1а. Трепанация черепа лягушки. Лягушку наркотизируют, помещая в 3%-й водный раствор эфира. Далее лягушку, завернутую в кусок марли так, чтобы голова её оставалась свободной, берут в левую руку, фиксируют указательным пальцем этой руки голову животного, а правой рукой ножницами вскрывают полость черепа. Двумя дуговыми разрезами, начинающимися от затылочного отверстия, вырезают кожный лоскут и откидывают его вперед, между глазами животного. Затем, максимально сгибая голову лягушки, подрезают мышцы и желтую связку и вводят браншу ножниц в обнажившееся затылочное отверстие, направляя острие бранши так, чтобы оно все время касалось внутренней стенки черепа и не поранило бы мозг. При максимальном сгибании головы опасность повреждения мозга минимальна, так как он смещается вентрально. Затем двумя дуговыми разрезами вырезают костный лоскут, который откидывают вперед так же, как и кожный. Открывается передний, средний и задний мозг. Поверхность мозга заливают вазелиновым маслом.
Животное должно находиться в состоянии поверхностного наркоза. Не вскрывая скальп, удерживая электроды специальным иглодержателем, их либо осторожно вколачивают, либо просто вкалывают в кость через кожные покровы. На каждом полушарии располагают по 3 игольчатых электрода в лобной, теменной и височной области. Другой, игольчатый электрод фиксируют в лобной кости над передним краем глазниц (на 7–9 мм ростральнее венечного шва). Электроды соединяют гибкими проводами длиной 20–30 см (лучше всего тонким высокочастотным кабелем) с панелькой, укрепленной над головой животного. Панельку соединяют с ЭЭГ-установкой экранированным кабелем. После укрепления электродов наркоз уменьшают, но полностью не прекращают.
Спустя 10–20 мин, в течение которых, если это необходимо, выправляют положение головы, начинают регистрацию потенциалов. В зависимости от числа каналов в электроэнцефалографе одновременно регистрируют одно или несколько отведений. Отведения от различных электродов обычно отличаются друг от друга. Однако в нескольких отведениях от одного и того же или даже разных полушарий можно обнаружить одновременно характерные волны (особенно на ЭЭГ во время сна).
общих чертах имеет следующая закономерность: при равных расстояниях между электродами монополярная регистрация дает волны большей амплитуды, чем биполярная. Следует иметь в виду, что полярность записи зависит от того, какой из электродов присоединен к левой или правой половине входа усилителя. При многоканальных отведениях этому обстоятельству необходимо уделять особое внимание.
4. Дать амплитудную и частотную характеристику фоновой ЭЭГ-активности.
Регистрация электрической активности коры головного мозга человека.
Зарегистрировать ЭЭГ человека в состоянии покоя в монополярном отведении в лобной, теменной и затылочной областях.
Общепринятой является система расположения электродов «10–20». По этой системе измеряют расстояние по сагитальной линии между носовой впадиной и затылочным бугром. Во фронтальной плоскости – от одного наружного слухового прохода через вертекс до другого слухового прохода. Каждая из этих величин принимается за 100%. В продольном направлении электроды располагают таким образом, чтобы первый электрод (лобный) и последний (затылочный) устанавливались в точках, отстоящих от конечных пунктов измерений (переносица и затылочный бугор) на 10% общего расстояния. Остальные три электрода ряда располагаются от крайних электродов и один от другого на равных расстояниях, составляющих 20% всего расстояния. Всего устанавливается 5 рядов электродов: один по сагитальной линии и по два параллельно справа и слева на равных расстояниях, составляющих по 20% от общего расстояния во фронтальной плоскости. Височные ряды электродов отстоят от наружных слуховых проходов на 10% общего поперечного расстояния.
Порядок выполнения работы
1.  Включить электоэнцефалограф, прогреть в течение 5–
мин, произвести проверку работоспособности и калибровку каналов
Наложить электроды испытуемому. Измерить межэлектродное сопротивление оно должно быть не более 10-20 кОм
Произвести компьютерную регистрацию ЭЭГ в состоянии покоя при закрытых и открытых глазах.
Сделать описательный анализ ЭЭГ:
а) дать описательную характеристику ЭЭГ, отметив распределение ритмов по областям и полушариям, выраженность ритмов, общий уровень амплитуды;
б) вычислить альфа-индекс по формуле I = t / T, где Т – время выборки ЭЭГ (обычно 1м записи при скорости бумаги 3 см/с; t – время выраженности ритма.
в) на основании анализа дать классификацию типа ЭЭГ, исходя из предложенных 4 типов:
I тип. Хорошо выражен альфа-ритм (альфа-индекс больше 60%), амплитуда – 40–100 мкв, бета-ритм составляет 20–25% записи. Медленная активность в виде тета-ритма наличествует не более чем в 3–5% записи.
II тип. Амплитуда потенциалов при записи с закрытыми глазами не превышает 25–40 мкв. В ЭЭГ альфа- и бета-ритмы отмечаются вместе (альфа-индекс не более 50–60%), тета- и дельта-волны составляют не более 5% записи, альфа-ритм лабильный.
III тип. ЭЭГ высокой амплитуды, смешанной активности. На фоне альфа- волн амплитудой 60–120 мкв, присутствуют тета-волны такой же амплитуды.
IV тип. ЭЭГ низкой амплитуды (до 20 мкв) альфа-ритм практически отсутствует, могут быть альфа-волны;
г) по характеру, выраженности и локализации основных ритмов в ЭЭГ сделать выводы о функциональном состоянии мозга.
5. Провести компьютерную обработку, анализ ЭЭГ по прилагаемой программе.

Лабораторная работа № 14

Вызванные потенциалы мозга
Для работы необходимо: компьютерный электроэнцефалограф или биоусилитель с персональным компьютером и аналогоцифровым преобразователем, фотостимулятор, хирургический инструмент для препаровки, игольчатые электроды.
Цель работы – освоение методов регистрации и анализа первичных ответов.
В путях, соединяющих рецептор с высшими центрами, существует весьма сложная активность, источником которой служит рецептор. При регистрации от поверхности мозга электрические признаки большого числа асинхронных потенциалов действия, поступающих непрерывно к тому или иному участку коры (например, от глаза к зрительной зоне), взаимно уничтожаются и маскируются электрической активностью других нейронов. Воздействие на рецепторы сравнительно сильными и непродолжительными раздражениями, которые вызывают синхронизированные залпы импульсов в большом числе волокон афферентных систем, приводят к другим результатам. Эти импульсы почти одновременно прибывают к различным «станциям переключения» специфических трактов, и последовательность их поступления в ограниченный участок коры вызывает синхронные изменения мембранного потенциала тел и дендритов корковых нейронов. При этом возникают характерные электрические потенциалы, которые могут быть чётко выделены и легко выявляются на основном фоне спонтанной ЭЭГ-активности. Их локализация позволяет определить электрофизиологическим методом точные границы проекции изучаемого анализатора в коре. Таким образом, вызванные потенциалы (ВП) – биоэлектрическая реакция мозга, которую рассматривают как алгебраическую сумму потенциалов, генерируемых сложно организованными системами нейронов в результате поступления афферентного залпа при раздражении рецепторов. Вызванный потенциал в целом представляет собой сложный многокомпонентный феномен, фазы которого отличаются друг от друга и по источнику своего происхождения в подкорковых структурах, и по механизму их электрогенеза в корковых элементах. В конфигурации ВП отражается последовательное чередование процессов возбуждения и торможения, как результат взаимодействия активирующих и тормозных ансамблей нейронов на широких территориях мозга.
Регистрация и анализ вызванных потенциалов у человека в ответ на световые стимулы
Одним из распространенных методов стимуляции при исследовании ВП у человека является световое раздражение. В большинстве современных фотостимуляторов в качестве источника света применяют газоразрядные лампы. Длительность вспышки света определяется временем разряда лампы и находится в пределах нескольких микросекунд. Величина светового стимула может быть изменена только по интенсивности, что, естественно, сужает возможности таких фотостимуляторов. Необходимо отметить, что в газоразрядных лампах при каждом световом стимуле возникает небольшой звуковой щелчок, который в данном случае является посторонним раздражителем и может мешать правильной оценке исследования ВП на свет. Источник света при световой стимуляции должен находиться вблизи глаз исследуемого не ближе 50 см. Глаза, в зависимости от целей работы, могут быть закрыты или открыты. Кроме светового раздражения, используется также звуковое раздражение (щелчки, тоны). Звуковые стимулы широко применяются при изучении ВП коры больших полушарий, для оценки функционального состояния и реактивности головного мозга, часто в сочетании со световым раздражением.
Для регистрации ВП используют те же электроды, которые применяются для записи ЭЭГ. При регистрации ВП с поверхности черепа можно использовать стандартное расположение электродов по системе «10–20», однако каждый исследователь вправе разместить электроды так, как он находит нужным, исходя из целей своих исследований. В качестве индифферентной точки у человека чаще всего служит мочка уха, сосцевидный отросток височной кости, реже – переносица.
Поскольку ВП у человека регистрируются на фоне спонтанной биоэлектрической активности, для выделения их, как правило, используются методы, применяемые для обнаружения слабых сигналов, в частности усреднение. Для автоматического усреднения и суммации ВП в настоящее время используют специализированные цифровые усредняющие устройства или персональные компьютеры с соответствующим программным обеспечением. Операция усреднения, независимо от типа вычислительной машины, состоит в следующем. Первоначально компьютер выполняет аналого-цифровое преобразование через определенные промежутки времени, осуществляя таким образом периодическую выборку ЭЭГ и генерируя ряд численных значений – векторов. Каждый такой вектор есть электрическая активность за определённый период времени после стимула. Этот параметр записывается в память машины и затем складывается с последующими реализациями. В конце суммирования накопленный результат делится на число предъявленных стимулов, преобразуется в аналоговую форму и выводится на регистратор (графопостроитель, монитор, принтер). Кроме усреднения, компьютер одновременно проводит и анализ ВП: подсчитывает дисперсию временных и амплитудных характеристик, выполняет кросс и автокорреляционный анализ, измеряет амплитуду сигнала и т. д.
Включить приборы, входящие в установку регистрации ВП.
Провести тестирование программы записи и анализа ВП.
Испытуемому наложить электроды на область проекции первичных зрительных полей, измерить межэлектродное сопротивление.
Согласно программе усреднения ВП сделать пробную запись из 10–15 усреднений и при необходимости выполнить регулировку установки.
Зарегистрировать вызванные потенциалы на световые вспышки при следующих условиях: а) с фиксацией внимания на вспышку; б) с отвлечением внимания во время устного счета.
Количество усреднений – 20–30.
Произвести анализ усредненных ВП по группе «а» и «б».
Сделать выводы.
Большинство авторов выделяют в зрительном ответе 7– 8 волн положительной (Р) и отрицательной (N) полярности.
Примерные латентности основных компонентов ВП в мс приведены в табл. 3.
Таблица 3

P	N	P	N	P	N	P	N	
30-35	50-55	80-85	120-125	180-185	245-255	290-295	335-350	
								
Первичный ответ	Вторичный ответ	

Литература

1. Большой практикум по физиологии / под ред. А. Г. Камкина.  М.: Академия, 2007. – 441 с.
2. Большой практикум по физиологии человека и животных: в 2т. / под ред. А. Д. Ноздрачева. М.: Академия, 2007.
3. Большой практикум по физиологии человека и животных / под ред. Б. А. Кудряшова. М.: Высшая школа, 1984. – 406 с.
4. Зенков, Л. Р.Клиническая электроэнцефалография/ Л. Р. Зенков. Таганрог: Медиком-Лтд, 1996.
 5. Гнездицкий, В. В. Вызванные потенциалы мозга в клинической практике / В. В. Гнездицкий. Таганрог: Медиком -Лтд, 1997.
6. Матюшкин, Д. П. Основы электрофизиологии: учебное пособие / Д. П. Матюшкин. – Л.: Изд-во ЛГУ, 1984. – 102 с.
7. Лакомкин, А. И. Электрофизиология / А. И. Лакомкин, И. Ф. Мягков. – М.: Высшая школа, 1997.
8. Мухина И.В. Грибков А.В. Регистрация и измерение параметров потенциала действия нерва лягушки, учебно-методическое пособие / И.В. Мухина А.В. Грибков: Нижний Новгород: Издательство Нижегородского госуниверситета, 2010. – 24 с.
9. Мышкин И. Ю. Электрофизиологические методы исследования: метод.  указания по физиологическим методам исследования / И. Ю. Мышкин; Яросл. гос. ун-т им. П. Г. Демидова. Ярославль: ЯрГУ, 2011.   68 с
10. Киселев В.Д., Томилова И.Н., Плешкова Н.В. Лабораторный практику по физиологии человека. Учеб. пособие / В.Д. Киселев, И.Н. Томилова, Н.В. Плешкова. Барнаул: Изд-во АлтГУ, 2008. 210с.