Detail předmětu

Bioelektrické jevy

FEKT-BPC-BEJAk. rok: 2024/2025

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

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 I, CERM Brno, 1995 (CS)
J.Šimurda, Bioelektrické jevy, elektronická skripta 2007 (CS)
S. Silbernagl, A. Despopoulos: Atlas fyziologie člověka, GRADA Publishing a.s. 2004 (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

Mgr. Bc. Darina Čejková, Ph.D.
Ing. Vratislav Čmiel, Ph.D.
MUDr.Ing. Richard Ředina

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

Larisa Chmelíková, Ph.D.
Mgr. Bc. Darina Čejková, Ph.D.
Ing. Vratislav Čmiel, Ph.D.
Ing. Romana Ščotková
Ing. Jan Odstrčilík, 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