第一节 心脏的生物电活动
(The electrical activity of heart)

一、心肌细胞的电活动

二、心肌的电生理特性

(The electrophysiological characters of cardiac muscle)
心肌细胞具有兴奋性、自律性、传导性和收缩性四个生理特性。其中兴奋性、自律性和传导性以心肌细胞膜的生物电活动为基础，属电生理特性。收缩性则以收缩蛋白的功能活动为基础，是心肌的机械特性。心肌的兴奋通过兴奋-收缩耦联(excitation-contraction coupling)引起心肌的收缩，完成泵血功能。
（一）兴奋性
心肌细胞具有对刺激产生兴奋的能力或特性称为兴奋性(excitability)。引起心肌细胞产生动作电位的刺激阈值越低，表示其兴奋性越高。
1．决定和影响兴奋性的因素
（1）静息电位和阈电位之间的电位差：兴奋是由静息电位（最大舒张电位）去极化到阈电位水平而引起。两者的电位差距加大，则兴奋性降低；反之则兴奋性升高。例如在迷走神经兴奋时，其末梢释放的递质乙酰胆碱可使心房肌细胞膜上的乙酰胆碱依赖性钾通道开放，K＋循该通道外流，形成IK-ACh，使心房肌细胞的静息电位加大（超极化），更接近钾平衡电位，心房肌细胞的兴奋性因而降低。在生理情况下，阈电位水平很少变化，高血钙时心室肌阈电位上移，使其兴奋性降低。
（2）离子通道的性状：INa通道和ICa-L通道都有备用（或称静息，resting）、激活(activation)和失活(inactivation)三种功能状态。处于何种状态，取决于当时的膜电位水平和在该电位的时间进程，即所谓电压依从性(voltage-dependence)和时间依从性(time-dependence)。以INa通道为例，在膜电位去极化到－70mV开始再生性激活，随即失活关闭，一直要到动作电位复极化到－60mV或更负，才能开始从失活状态恢复过来，称为复活(reactivation)，而INa通道要完全恢复到备用状态，需待膜电位回复到静息电位以后。ICa-L通道的激活慢、失活慢，而复活更慢，常见动作电位完全复极化后，兴奋性尚未完全恢复正常。
2．兴奋性的周期性变化
在心肌细胞兴奋过程中，离子通道发生了激活、失活和复活等一系列变化，相应地细胞的兴奋性也发生一系列周期性变化。以下以心室肌细胞为例进行说明。
（1）绝对不应期和有效不应期：从0期去极化开始到3期复极达－55mV，无论多强的刺激，心肌细胞均不能产生反应，为绝对不应期(absolute refractory period，ARP)。这是由于INa通道都处在失活状态之故。从－55mV复极到－60mV这段时间内，给予强刺激可以产生局部兴奋，但不能产生动作电位，这是由于INa通道只有少量复活，不足以产生动作电位。因此，从0期去极化开始到复极化到－60mV电位水平这段时间内，都不能产生动作电位形式的反应，合称为有效不应期(effective refractory period，ERP)。
（2）相对不应期：从复极化－60mV到－80mV的时间内，若给予阈上刺激可以使心肌细胞产生动作电位，称为相对不应期(relative refractory period，RRP)。越是相对不应期的早期，引起动作电位所需要的刺激强度越大，潜伏期越长，产生的动作电位幅值越小，最大去极化速率越慢，动作电位时程越短。这是由于INa通道尚未回复到正常的备用状态，而IK通道尚未完全去激活，外向K＋流仍很大，所以复极化快，而动作电位时程短。
（3）超常期：相当于膜电位－80mV到－90mV这段时期。由于膜电位接近阈电位，稍低于阈强度的阈下刺激，就可以引发出动作电位，表明兴奋性高于正常，故称超常期(supernormal period，SNP)。这是由于膜电位与阈电位距离较小，兴奋性较高。但应该指出，在超常期内，INa通道尚未完全恢复到正常的备用状态，故产生的动作电位幅值小，最大去极化速率慢，动作电位时程也短。
关于慢反应动作电位，由于ICa-L通道复活速率很慢，往往在动作电位已经完全复极后，细胞仍处在不应期内，称为复极后不应状态(postrepolarization refractoriness)。
3．兴奋性的周期变化和心肌收缩的关系
（1）不发生强直收缩：由于心肌细胞的有效不应期长，相当于整个收缩期和舒张早期（图4-5）。因此心肌不会发生像骨骼肌那样的完全强直收缩，保证心脏的舒张和收缩交替进行，有利于心室的充盈和射血，实现泵血功能。

（2）期前收缩和代偿间歇：正常的心室搏动是由窦房结发出的节律性兴奋下传而引起的。如果在心室肌的不应期之后和下一次窦性兴奋到达之前，心室受到一次人工刺激或者来自异位起搏点的兴奋刺激，可以出现一次提前出现的收缩，称为期前收缩(premature systole)或期外收缩(extrasystole)，期前收缩本身也存在不应期。如果期前收缩之后紧接有窦性兴奋下传到心室，落在期前收缩的不应期之内，这次窦性兴奋就不能引起心室收缩而出现一次"脱失"，直到下一次窦性兴奋到达时心室才能再次收缩。这样，在一次心室期前收缩之后，往往有一段较正常为长的舒张期，称为"代偿间歇"(compensatory pause)（图4-6）。

（二）自律性
心脏特殊传导系统细胞在没有外来刺激的条件下，能自动发生节律性兴奋，这种特性称为自动节律性(autorhythmicity)，简称自律性。自律性的高低可用单位时间（分）内自动发生节律性兴奋的频率来衡量。
1．心脏的起搏点
心脏特殊传导系统不同部位广泛存在自律细胞，但各部分心肌细胞的自律性存在着高低差异。窦房结P细胞的自律性最高，然后由高到低依次为房室交界区、房室束和末梢浦肯野细胞，它们每分钟的自律性频率分别为100、50、40和25次左右。心房心室各按当时驱动它们的最高自律性频率搏动。
正常心脏，窦房结的自律性最高，整个心脏的节律性搏动由它控制，称为窦性节律(sinus rhythm)。因此窦房结称为主导起搏点(dominent pacemaker)。而窦房结之外的其他自律组织在正常情况下的节律活动频率受窦房结控制，只起兴奋传导作用，称为潜在起搏点(latent pacemaker)。潜在起搏点可以在窦房结起搏功能障碍或传出障碍时充当备用起搏点，取代窦房结以较低频率维持心脏跳动，因而具有生理意义。但当其自律性异常增高超过窦房结时，就成为异位起搏点(ectopic pacemaker)，控制部分或整个心脏，造成心律失常。
窦房结通过两种方式对潜在起搏点进行控制，保证其主导心脏节律的作用：①抢先占领(preoccupation)：窦房结的自律性高于其他潜在起搏点，当潜在起搏点4期自动去极化尚未达到阈电位水平时，已被窦房结传来的冲动所激动而产生动作电位，其自身的自律性无法表现出来。②超速压抑(overdrive suppression)：自律细胞受到高于其自身固有频率的刺激而发生兴奋时，称为超速驱动。超速驱动一旦停止，该自律细胞的自律性活动不能立即恢复，需要经过一段时间后才能呈现，这种超速驱动后自律活动暂时受压抑的现象称为超速压抑。超速驱动的频率和自律细胞的固有频率相差越大，受压抑的时间也越长。超速压抑发生的原理十分复杂，在心脏不同部位原理不同。对心室肌的研究表明，超速驱动时细胞膜上的钠-钾泵活动增强，将高频活动时进入细胞内的大量Na＋及时排出，保持细胞内环境的稳定。超速驱动突然停止时，钠-钾泵活动仍处于增强状态，和进入细胞内Na＋量的减少不相匹配。前面已经提到，钠-钾泵运转一次，排出3个Na＋，泵回2个K＋，具有生电性，超速驱动停止后的一段时间内，钠-钾泵过度运转，形成一个外向电流，它既对抗了自律细胞自动去极化时的内向电流，又可以导致细胞膜超极化，使最大舒张电位和阈电位之间的电位差加大，自动去极化不易达到阈电位，因而出现一段时间的自律性压抑。如果窦房结起搏活动突然停止（窦性停搏），而潜在起搏点因受超速压抑而不能起搏，可以导致全心停搏而猝死。
2．自律性活动发生原理
所有自律性心肌细胞的电活动都有一个共同特点，就是在没有外来刺激的条件下，其膜电位会发生自动去极化，达到阈电位就产生一个新的动作电位。这种自动去极化发生在4期，称为4期自动去极化，也称为舒张除极(diastolic depolarization)。
从电学理论看，当内向电流和外向电流相等时，膜电位静息不变。内向电流逐渐增加或者外向电流逐渐减少都可以引起去极化。窦房结P细胞和浦肯野细胞是两种不同类型的心肌细胞，动作电位发生原理不同，而它们的自律活动发生在不同的最大舒张电位水平（浦肯野细胞－90mV，窦房结P细胞－60mV），这提示着它们的自动去极化发生原理也是不同的，以下分别进行讨论。
（1）浦肯野细胞自律活动发生原理
浦肯野细胞4期自动去极化的离子流基础是：①外向K＋流的逐渐衰减；②内向电流的逐渐增加。外向K＋流主要是指IK，它在除极到－40mV时激活开放，而在复极到－40～－50mV时去激活逐步关闭。由于IK通道的逐步关闭，循之而外流的K＋量逐步衰减减弱。但是这一衰减过程在膜电位复极化到－90mV左右时已基本完成，所以它在自动去极化中起的作用很小。浦肯野细胞的主要起搏离子流是一种特殊的内向电流，其通道因膜电位超极化而激活开放，和其他的通道因去极化而激活开放截然相反，甚为奇异(funny)，故被命名为If通道。If通道在膜电位－60mV开始激活，－100mV充分激活，但If通道的开放缓慢，需要一定时间才能开放到该膜电位水平所能达到的最大开放程度。所以If电流在4期内逐步增大。当If内向电流引起的自动去极化达到阈电位水平时，就使浦肯野细胞产生一个动作电位。由于If通道的开放速率缓慢，所以浦肯野细胞的自律性低。
If电流是一种混合离子流，主要成份是Na＋。但是，一般的INa通道阻断剂如河豚毒(TTX)不能阻断它，而低浓度的铯(Cs)可以完全阻断它，而且INa和If通道的激活要求相反的膜电位变化，所以是完全不同的两种通道。
（2）窦房结P细胞自律活动发生原理
窦房结P细胞是心脏的主导起搏点，自律性最高，其自律活动的发生原理涉及多种离子流，既有外向电流的衰减，也有内向电流的增加，从而造成快速的4期舒张去极化。现选择几种主要的离子流介绍如下（图4-7）：

1）IK：IK通道在P细胞去极化时激活开放，在复极化到－40～－50mV时逐渐去激活关闭，IK逐步衰减。这种外向电流的逐渐衰减造成内向电流幅值相对地逐渐增加，引起舒张去极化。由于IK的电流幅值很大，所以在窦房结P细胞的起搏活动中，起着最重要的作用。应该指出，IK的衰减在窦房结P细胞的自律活动发生原理中重要而在浦肯野细胞不重要，主要由于两者的最大舒张电位水平不同之故。前者最大舒张电位为－60mV，这时IK的幅值很大，举足轻重；后者最大舒张电位为－90mV，IK的衰减已经接近完毕，幅值很小，故所起作用很小。
2）ICa：心肌细胞的跨膜钙流有两种，一种是L型(ICa-L)，形成窦房结细胞动作电位的去极化；另一种是T型(ICa-T)，比较微弱而短暂(transient)，故名。ICa-T通道的激活膜电位比较负，约为－50～－60mV（ICa-L通道的激活电位为－40mV）。窦房结P细胞复极到最大舒张电位－60mV时，ICa-T通道被激活开放，Ca2＋循之内流，引起舒张去极化。当舒张去极化达到ICa-L通道的阈电位水平时，ICa-L通道激活开放，产生一个新的动作电位。
3）If：在窦房结P细胞最大舒张电位水平，If通道的激活程度很小，If形成的内向电流也很小，所以在P细胞的舒张去极化发生原理中作用不很重要。但是，If通道对植物神经递质去甲肾上腺素和乙酰胆碱十分敏感，植物神经可以通过改变If通道的活动而调变窦性心律。

3．决定和影响自律性的因素
自律性的高低取决于自动去极化的速度和最大舒张电位与阈电位之间的电位差距（图4-8）。

（1）最大舒张电位和阈电位之间的差距：两者间差距越小，自动去极化越易达到阈电位，自律性越高。阈电位很少变化，迷走神经递质乙酰胆碱使IK-ACh通道开放，K＋外流，最大舒张电位绝对值增大，和阈电位差距变大，自律性降低。

（2）4期自动去极化速度：速度越快，从最大舒张电位去极化到阈电位所需时间越短，自律性越高。交感神经递质去甲肾上腺素通过兴奋β1受体，促进If和ICa-L通道开放，使窦房结和心室浦肯野细胞的自律性增加，既可以加快窦性心律，也可能引发室性期前收缩。迷走神经递质乙酰胆碱，除了可以增加K＋外流外，还可以抑制If和ICa-L通道，降低窦房结自律性。
4．自律性和心律失常
（1）窦性心律失常：正常窦房结以规则的节律发出冲动，每分钟约60～100次。自律性过高、过低、不规则或不能发出冲动，分别产生窦性心动过速、窦性心动过缓、窦性心律不齐和病态窦房结综合征。
（2）异位性心律失常：指由异位起搏点产生的心脏节律。一类是由于窦房结不能正常地发出冲动，潜在起搏点取代之产生冲动，保证心脏节律性跳动，称为逸搏(escape)。另一类是由于异位起搏点自律性异常增高，超过窦房结的自律性，异位起搏点抢先控制心脏产生提前的搏动，称为额外收缩或早搏(premature)。逸搏和早搏可以分别起源于心房、房室交界区或心室。
（三）传导性
心肌细胞具有传导兴奋的能力，称为传导性(conductivity)。兴奋的传导依靠局部电流刺激相邻细胞，使后者也发生兴奋。细胞间兴奋的传导主要经由闰盘的缝隙连接(gap junction)进行，因为该处电阻低，局部电流易于通过。心肌传导性的高低用兴奋的传播速度来衡量。
1．心脏内兴奋传播的特点
（1）兴奋通过特殊传导系统的有序传播：正常的节律性兴奋由窦房结产生，传到右、左心房。心房内兴奋除由心房肌本身直接传播外，还杂以浦肯野样细胞的"优势传导通路"(preferential pathway)，快速将兴奋传播到两侧心房，使两侧心房几乎同时收缩，形成一个功能合胞体(functional syncytium)。优势传导通路同时将兴奋传播到房室交界区，经房室束、左右束支、浦肯野纤维网到心室心内膜下心肌，然后依靠心室肌本身的传导，将兴奋经室壁中层传到心外膜下心肌，引起左右心室的兴奋收缩。由于心室内传导迅速，所以两侧心室也形成一个功能合胞体。
（2）心脏内兴奋的传导速度：心脏各部分心肌细胞电生理特性不同，细胞间的缝隙连接分布密度和类型不同，使得兴奋在心脏各部分的传导速度不同。心房肌的传导速度约为0.4m/s，"优势传导通路"约为1.0～1.2m/s。房室交界区的传导性很低，尤其是其中间的结区细胞产生的动作电位是慢反应动作电位，传导速度仅为0.02m/s，兴奋通过房室交界区耗时约0.1s，称为房室延搁(atrioventricular delay)。房室延搁的存在具有重要生理意义，它保证心室的收缩发生在心房收缩完毕之后，有利于心室的充盈和射血。兴奋传播通过房室交界区进入房室束、左右束支和浦肯野纤维网后，传导速度骤然加快，达到2～4m/s，将兴奋迅速传导到左右心室。这是由于浦肯野细胞直径粗大、细胞内阻小，动作电位0期最大去极化速率快（可达400～800V/s）、细胞间耦联紧密、缝隙连接又充分发育的缘故。左右束支和浦肯野纤维顺次兴奋室间隔、心尖和心底。浦肯野纤维深入室壁内层兴奋心室肌细胞，然后由心室肌细胞以0.4～0.5m/s的传导速度使室壁由内而外发生兴奋。由于室内传导系统传导兴奋迅速，所以左右心室也几乎同时收缩，形成功能上的合胞体。
（3）房室交界区传导的生理、病理意义：房室交界中间部的结区兴奋时产生的慢反应动作电位是房室延搁重要的电生理基础。另外，前文已谈到，慢反应动作电位的不应期特别长，往往延续到动作电位完全复极后，称为复极后不应期。房室交界区的长不应期对来自心房的过高频率的兴奋冲动（例如心房纤维性颤动时颤动频率可以高达500次/分）有一个阻滞过滤作用，落在房室交界区不应期中的兴奋不能下传到心室，只有在不应期过去后，心房的兴奋才能下传到心室，使心室有一定的时间充盈和射血，对循环机能有一个保护作用。但另一方面，正因为房室交界区传导速度慢，不应期长，对传导功能而言是一个薄弱环节，容易发生传导阻滞。房室传导阻滞是比较常见的一种疾病。
2．影响传导性的因素
（1）结构因素
1）心肌细胞：直径粗大、细胞内结构简单者，细胞内电阻较低，传导速度较快。例如浦肯野细胞直径可达70μm，细胞内肌丝较少，传导速度可达4m/s；而房室交界区中间部位的结区，细胞直径仅3～4μm，传导速度只有0.02m/s。
2）细胞间连接：心肌细胞间的兴奋传导通过缝隙连接完成。它是存在于相邻细胞间的膜通道结构。它不仅进行着细胞间信息的直接交流，对细胞的新陈代谢、增殖和分化过程都起着重要调控作用。构成缝隙连接的连接蛋白(connexin，Cx)有多种，不同心肌细胞间缝隙连接的分布不同，连接蛋白也不同，数量上也存在很大差异，这也是它们传导速度不同的一个重要因素。缝隙连接通道既是电压依从性的，也是化学依从性的。当心肌细胞受到损伤，细胞内酸中毒，pH值下降时，通道关闭，细胞间兴奋传导减慢。
（2）生理因素
兴奋传导依赖局部电流的传播来完成。传导速度快慢取决于兴奋细胞电活动引起的电位变动大小以及未兴奋部位的细胞能否接受刺激而发生兴奋。
1）兴奋细胞动作电位0期去极化速度和幅度：动作电位0期去极化速度越快，幅度越大，所形成的局部电流就越大、向前影响范围越广，相邻细胞去极化达到阈电位的速度就越快，传导速度也就越快。快反应动作电位去极化速率快，幅值大，所以浦肯野细胞、心房心室肌的传导速度快，而产生慢反应动作电位的窦房结、房室结细胞传导速度慢。
膜反应曲线(membrane responsiveness curve)的概念：快反应动作电位的0期去极化依赖于快钠通道的激活开放，后者又依赖膜电位的大小。前文已经谈到，快钠通道有激活、失活、备用三种状态，当心肌细胞膜处于正常极化状态，静息电位（或最大舒张电位）为－90mV时，快钠通道处于正常备用状态，一旦兴奋，通道可以充分激活开放，Na＋快速内流，动作电位0期去极化速率可以达到最大值。如果心肌细胞膜电位部分去极化，快钠通道就处于部分失活状态，兴奋时不能充分开放，Na＋内流量减少，动作电位0期去极化速率降低。心肌细胞膜电位部分去极化到－40mV，快钠通道全部失活，不能开放，不能产生快反应动作电位。如果以膜电位为横轴，以0期最大去极化速率为纵轴作图，可见两者的关系是一个S形曲线，称为膜反应曲线。某些药物可影响膜反应曲线的改变，如苯妥英钠可使膜反应曲线左上移位，提高传导性（图4-9）。
3相阻滞和4相阻滞：当房性期前收缩传导到心室，如果束支、心室肌细胞的动作电位尚未复极完毕，膜电位尚在部分去极化状态（3期），这时传导速度慢于正常，称为3相（期）阻滞(phase 3 block)。当房性逸搏下传至心室时，由于和上一次心动的间歇期过长，浦肯野细胞由于其本身固有的自律性，已经发生舒张除极，膜电位部分去极化，逸搏在心室内的传导速度也慢于正常，由于这种传导阻滞发生在4期，故称为4相（期）阻滞(phase 4 block)。
2）邻近未兴奋部位心肌的兴奋性：邻近未兴奋部位的心肌细胞静息电位和阈电位的电位差增大时兴奋性降低，膜去极化达到阈电位所需时间延长，传导减慢。若邻近心肌细胞膜快钠通道处在失活状态则不能引起兴奋，导致传导阻滞。若邻近心肌细胞膜快钠通道处于部分失活状态（如处于相对不应期或超常期内），则兴奋时产生的动作电位0期去极化速率慢、幅度小、传导减慢。

三、心电图