Detail předmětu

Bioelektrické jevy

FEKT-BPC-BEJAk. rok: 2023/2024

Fyzikální výklad elektrických jevů v živé tkáni je speciální oblastí biofyziky. Předmět „Bioelektrické jevy“ seznamuje posluchače s biofyzikálním základem vzniku elektrických signálů na různých strukturálních úrovních, s elektrickými vlastnostmi živé tkáně a se současnými měřicími metodami.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

5

Garant předmětu

Larisa Chmelíková, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav biomedicínského inženýrství (UBMI)

Vstupní znalosti

Jsou předpokládány znalosti z biologie, matematiky a fyziky odpovídající doposud absolvovaným předmětům bakalářského studia.
Práce v laboratoři je podmíněna platnou kvalifikací „osoby poučené“, kterou musí studenti získat před zahájením výuky. Informace k této kvalifikaci jsou uvedeny ve Směrnici děkana Seznámení studentů s bezpečnostními předpisy.

Pravidla hodnocení a ukončení předmětu


Výsledné hodnocení předmětu bude stanoveno z bodů získaných z průběžných testů a aktivity
ve cvičeních (celkem max. 30 bodů) a závěrečné písemné zkoušky (max. 70 bodů).   

Pro získání zápočtu je nutné splnit následující podmínky: 

Závěrečnou zkoušku mohou vykonat pouze studenti s uděleným zápočtem.
- získání alespoň 15 bodů v laboratorních cvičení včetně bodů za průběžné písemné testy,
- nenulové hodnocení v průběžných písemných testech,
- nenulové hodnocení za vypracované protokoly nebo domácí úlohy,
- splnění plné docházky,
- získání alespoň 50 % bodů ze závěrečné zkoušky.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.

Učební cíle

Cílem kurzu je naučit posluchače aplikovat poznatky získané předchozím studiem fyziky a matematiky na elektrické děje, probíhající v živých organizmech.

Student, který absolvoval předmět je schopen :
- na základě známých fyzikálních zákonů vysvětlit vznik membránového napětí u živých buněk a definovat veličiny vystupující v Nernstově vztahu pro vyjádření rovnovážných napětí,
- popsat elektrické náhradní schéma buňky,
- vysvětlit vznik akčního napětí u excitabilních buněk a mechanizmus jeho šíření buněčnými vlákny,
- popsat základní metody měření membránových napětí a membránových proudů,
- charakterizovat elektrické signály zaznamenávané na buněčné a molekulární úrovni a popsat jejich vzájemný vztah,
- definovat pojmy „chemický potenciál a „elektrochemický potenciál“,
- popsat rozdíly mezi funkcí membránových kanálů a přenašečů,
- popsat vztah mezi šířící se excitací na úrovni buňky a vznikem elektromagnetického pole v okolní tkáni,
- vysvětlit podstatu vazby mezi elektrickou excitací a kontrakcí buňky,
- vysvětlit vznik ECG signálu na základě šíření akčního napětí sítí srdečních buněk.
- připravovat fyziologické roztoky, měřit jejich pH, měřit impedanci živé tkáně a vlastnosti elektrod

Základní literatura

J. Šimurda: Bioelektrické jevy I, CERM Brno, 1995 (CS)
S. Silbernagl, A. Despopoulos: Atlas fyziologie člověka, GRADA Publishing a.s. 2004 (CS)
F. Bezanilla: Electrophysiology and the Molecular Basis of Excitability. (University of California at Los Angeles) Volně dostupné na adrese http://nerve.bsd.uchicago.edu/ (EN)
J.Šimurda, Bioelektrické jevy, elektronická skripta 2007 (CS)

eLearning

eLearning: aktuální otevřený kurz

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program BPC-BTB bakalářský, 3. ročník, zimní semestr, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Ing. Vratislav Čmiel, Ph.D.
Larisa Chmelíková, Ph.D.

Osnova

1. Vznik a funkce elektrických signálů v živých buňkách. Membránové napětí.
2. Akční napětí a jeho fyziologický význam. Šíření akčních napětí buněčnými vlákny.
3. Možnosti získání elektrického kontaktu s vnitřkem buňky. Metody měření membránových napětí a membránových proudů (režim vnuceného napětí a vnuceného proudu).
4. Fyzikální základy bioelektrických jevů. Model buňky pro výklad elektrických jevů. Elektrické náhradní schéma buněčné membrány.
5. Kvantitativní vztah mezi celkovým iontovým membránovým proudem a průběhem akčního napětí. Hlavní složky iontového membránového proudu a jejich vlastnosti.
6. Fyzikální výklad šíření vzruchu buněčnými vlákny. Biofyzikální popis elektrických jevů soustavami diferenciálních rovnic.
7. Výklad bioelektrických jevů na molekulární úrovni. Struktura a funkce biologické membrány.
8. Membránové kanály: přechody mezi stavy kanálů (vrátkování). Měření membránových elektrických proudů na molekulární úrovni (metoda "patch clamp")
9. Přenašečové systémy transportu iontů přes membrány. Interakce látek s kanály a přenašeči (mechanizmy účinku některých léků a toxických látek).
10. Excitabilní buňka jako zdroj elektromagnetického pole v okolním prostředí. Biofyzikální základy elektrofyziologických diagnostických metod.
11. Elektrokardiografický a magnetokardiografický signál jako důsledek šíření akčního napětí v síti elektricky propojených srdečních buněk.
12. Vazba mezi elektrickým podrážděním a stahem (kontrakcí) svalové buňky.
13. Metody měření elektromechanických projevů srdečních buněk, tkáně a srdce.

Laboratorní cvičení

26 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Vratislav Čmiel, Ph.D.
Larisa Chmelíková, Ph.D.
Ing. Inna Zumberg

Osnova

1. Měření elektrických vlastností kovových elektrod pro záznam bioelektrických signálů
2. Příprava a měření vlastností skleněných mikroelektrod.
3. Příprava roztoků pro celulární elektrofyziologická měření. Měření pH.
4. Měření a analýza iontových membránových proudů u excitabilních buněk (simulované experimenty)
5. Měření prahu dráždivosti
6. Měření elektrické impedance živé tkáně
7. Záznam kontrakce u izolovaných srdečních buněk
8. Exkurze do laboratoře buněčné elektrofyziologie
9. Elektrické vlastnosti buněčných membrán (numerické cvičení)
10. Měření membránových napětí a membránových proudů (seminář s demonstrací)
11. Molekulární základy bioelektrických jevů (interaktivní počítačový program)
12. Šíření elektromagnetického pole generovaného srdcem (numerické cvičení)
13. Elektromechanická vazba (interaktivní počítačový program)

eLearning

eLearning: aktuální otevřený kurz