สรีรวิทยาไฟฟ้าและการนำไฟฟ้าของหัวใจ

สรีรวิทยาไฟฟ้าและการนำไฟฟ้าของหัวใจคือการศึกษาว่าการเต้นของหัวใจแต่ละครั้งเกิดขึ้นได้อย่างไรด้วยไฟฟ้าและแพร่กระจายไปทั่วหัวใจได้อย่างไร เนื้อเยื่อสร้างจังหวะและนำไฟฟ้าที่เชี่ยวชาญ ได้แก่ โหนดไซโนเอเทรียล (sinoatrial node), โหนดเอเทรียลเวนทริคูลาร์ (atrioventricular node), บันเดิลออฟฮิส (bundle of His), แขนงบันเดิล (bundle branches) และเส้นใยเพอร์คินเจ (Purkinje fibers) เป็นตัวกำหนดจังหวะและเส้นทางของกระแสประสาท เพื่อให้หัวใจห้องบนและหัวใจห้องล่างหดตัวตามลำดับที่ถูกต้อง

Definition

สรีรวิทยาไฟฟ้าและการนำไฟฟ้าของหัวใจ หมายถึง การสร้างศักย์ไฟฟ้ากิจกรรมของหัวใจและการแพร่กระจายอย่างเป็นระเบียบผ่านระบบนำไฟฟ้าที่เชี่ยวชาญ ซึ่งประสานเวลาการหดตัวของหัวใจห้องบนและหัวใจห้องล่าง

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมศักย์ไฟฟ้ากิจกรรมของหัวใจ (cardiac action potential) และกระแสไอออนที่กำหนดรูปร่างของมัน, การสร้างจังหวะอัตโนมัติของเซลล์สร้างจังหวะ, กายวิภาคศาสตร์และสรีรวิทยาของระบบนำไฟฟ้า, การแพร่กระจายของกระแสประสาทอย่างเป็นระเบียบจากโหนดไซโนเอเทรียลไปยังกล้ามเนื้อหัวใจห้องล่าง และบทบาทของแกปจังก์ชัน (gap junctions) ในการนำไฟฟ้าแบบเซลล์ต่อเซลล์ เป็นสรีรวิทยาเชิงพรรณนา ไม่ใช่คู่มือสำหรับการวินิจฉัยหรือการจัดการภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะ

Core questions

• เซลล์สร้างจังหวะสร้างกระแสประสาทเองได้อย่างไร?
• กระแสไอออนใดที่กำหนดรูปร่างของศักย์ไฟฟ้ากิจกรรมของหัวใจและการไม่ตอบสนอง?
• กระแสประสาทเดินทางจากโหนดไซโนเอเทรียลไปยังหัวใจห้องล่างได้อย่างไร?
• เหตุใดการนำไฟฟ้าจึงล่าช้าที่โหนดเอเทรียลเวนทริคูลาร์?

Key concepts

• ศักย์ไฟฟ้ากิจกรรมของหัวใจและระยะต่างๆ
• การสร้างจังหวะอัตโนมัติของเซลล์สร้างจังหวะและกระแสฟันนี่ (funny current)
• โหนดไซโนเอเทรียลและโหนดเอเทรียลเวนทริคูลาร์
• ระบบฮิส-เพอร์คินเจ (His-Purkinje system)
• แกปจังก์ชันและการนำไฟฟ้าแบบเซลล์ต่อเซลล์
• ช่วงเวลาดื้อ (refractory period) และความเร็วในการนำไฟฟ้า

Mechanisms

โหนดไซโนเอเทรียลเกิดการดีโพลาไรซ์ (depolarize) เองโดยธรรมชาติผ่านกระแสสร้างจังหวะ (pacemaker currents) ซึ่งกำหนดอัตราการเต้นของหัวใจ กระแสประสาทแพร่กระจายไปทั่วหัวใจห้องบน รวมกันที่โหนดเอเทรียลเวนทริคูลาร์ ซึ่งการนำไฟฟ้าจะถูกชะลอลงโดยเจตนาเพื่อให้หัวใจห้องล่างเติมเลือด จากนั้นจึงผ่านอย่างรวดเร็วผ่านบันเดิลออฟฮิส, แขนงบันเดิล และเครือข่ายเพอร์คินเจ เพื่อกระตุ้นกล้ามเนื้อหัวใจห้องล่างจากส่วนยอดไปยังส่วนฐาน การแพร่กระจายขึ้นอยู่กับกระแสโซเดียมและแคลเซียมที่สร้างขึ้นใหม่ และแกปจังก์ชันที่มีความต้านทานต่ำซึ่งเชื่อมต่อเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจที่อยู่ติดกันด้วยไฟฟ้า (Kleber & Rudy, 2004) รูปร่างและระยะเวลาของศักย์ไฟฟ้ากิจกรรม ซึ่งควบคุมโดยการทำงานร่วมกันของกระแสไอออนเข้าและออก กำหนดความเร็วในการนำไฟฟ้าและการไม่ตอบสนอง (refractoriness) (Bers, 2002) เทคนิคการทำแผนที่ด้วยแสงทำให้สามารถมองเห็นการแพร่กระจายของกระแสประสาทผ่านเนื้อเยื่อหัวใจได้โดยตรง (Efimov et al., 2004)

Clinical relevance

การนำไฟฟ้าปกติเป็นข้อมูลอ้างอิงที่ใช้ในการกำหนดภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะ, การบล็อกการนำไฟฟ้า และภาวะกระตุ้นก่อนกำหนด (pre-excitation) และเป็นพื้นฐานในการตีความคลื่นไฟฟ้าหัวใจ หัวข้อนี้อธิบายระบบนำไฟฟ้าที่แข็งแรงและมีลักษณะเป็นการให้ความรู้ ไม่ได้ให้คำแนะนำในการวินิจฉัยหรือรักษาความผิดปกติของจังหวะการเต้นของหัวใจ

Evidence & guidelines

สรีรวิทยาการนำไฟฟ้าอ้างอิงจากการทบทวนสรีรวิทยาไฟฟ้าทั้งแบบคลาสสิกและสมัยใหม่ (Kleber & Rudy, 2004) และตำรามาตรฐาน (Katz, 2010) หัวข้อนี้สรุปสรีรวิทยาไฟฟ้าปกติและไม่ใช่แนวทางปฏิบัติทางคลินิก

History

ระบบนำไฟฟ้าถูกทำแผนที่ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20: ฮิส (His) อธิบายบันเดิลเอเทรียลเวนทริคูลาร์, ทาวาระ (Tawara) อธิบายโหนดและการเชื่อมต่อเพอร์คินเจ และคีธ (Keith) กับแฟล็ก (Flack) อธิบายโหนดไซโนเอเทรียล พื้นฐานทางชีวฟิสิกส์ของศักย์ไฟฟ้ากิจกรรม ซึ่งสร้างขึ้นบนกรอบแนวคิดของฮอดจ์กิน-ฮักซ์ลีย์ (Hodgkin-Huxley) และวิธีการทางแสงและคอมพิวเตอร์ที่ทันสมัย ได้เชื่อมโยงกายวิภาคศาสตร์นี้เข้ากับกลไกไอออนของการแพร่กระจายในเวลาต่อมา

Key figures

• Wilhelm His Jr.
• Sunao Tawara
• Arthur Keith
• Andre G. Kleber
• Yoram Rudy

Seminal works

• kleber-rudy-2004
• efimov-2004

Frequently asked questions

อะไรเป็นตัวกำหนดอัตราการเต้นของหัวใจปกติ?

โหนดไซโนเอเทรียล ซึ่งเกิดการดีโพลาไรซ์เองโดยธรรมชาติเร็วกว่าเนื้อเยื่อสร้างจังหวะอื่นๆ เป็นตัวสร้างจังหวะปกติของหัวใจและเป็นตัวกำหนดอัตราการเต้นของหัวใจ

เหตุใดจึงเกิดความล่าช้าที่โหนดเอเทรียลเวนทริคูลาร์?

การนำไฟฟ้าที่ช้าผ่านโหนดเอเทรียลเวนทริคูลาร์จะหน่วงการกระตุ้นหัวใจห้องล่างนานพอที่หัวใจห้องบนจะเติมเลือดให้หัวใจห้องล่างจนเสร็จก่อนที่หัวใจห้องล่างจะหดตัว