Кафедра биофизики

1. Внешние электрические поля тканей и органов

Электрограммы и пространственное распределение потенциала как основные характеристики внешних электрических полей тканей и органов. Задачи исследования электрограмм. Токовая природа внешних электрических полей тканей и органов. Клетки как токовые электрические генераторы. Пассивные электрические свойства тканей и органов. Эквивалентные электрические схемы тканей и органов. Электрический импеданс тканей, его частотная зависимость.

Описание электрической активности клеток и тканей токовым двухполюсным (дипольным) генератором. Точечный и конечный токовый дипольный генератор; его дипольный момент. Потенциал токового унипольного генератора, находящегося в объемной проводящей среде. Потенциал конечного токового двухполюсного генератора в неограниченной среде и его мультипольное разложение. Влияние непроводящей поверхности (ограничения проводящей среды) на потенциал внешнего электрического поля тканей и органов.

Физические основы регистрации электрокардиограмм при различных отведениях. Длительный мониторинг электрокардиограмм в целях диагностики функционального состояния сердца.Электрическое поле сердца, регистрируемое на поверхности тела; дипольный характер этого поля. Электрический вектор сердца как дипольный момент эквивалентного электрического диполя миокарда. Пространственные и плоские векторные электрокардиограммы и методы их измерения. Мультипольный характер электрического поля сердца на небольшом удалении от миокарда. Клеточный механизм генеза ЭКГ; определение дипольных моментов различных участков миокарда по данным проведения возбуждения и потенциалов действия его клеток. Компьютерный расчет ЭКГ в норме и при патологических состояниях в различных отведениях.

Электрическая активность пирамидных нейронов новой коры как источник генеза электроэнцефалограмм. Импульсная и градуальная электрическая активность пирамидных нейронов новой коры. Формирование токовых двухполюсных и четырехполюсных (квадрупольных) генераторов в пирамидных нейронах. Структура экстраклеточного электрического поля пирамидных нейронов при различных видах электрической активности. Элементы теории случайных процессов (случайных функций) и ее использование для описания генеза ЭЭГ. Статистические характеристики фоновых ЭЭГ. Автокорреляционная функция ЭЭГ. Спектр мощности ЭЭГ. Общая формула для дисперсии ЭЭГ; коэффициент взаимной попарной корреляции электрической активности нейронов. Значение ориентации пирамидных нейронов в новой коре и синхронизации их электрической активности для генеза ЭЭГ. Формулы зависимости дисперсии ЭЭГ при скоррелированной и нескоррелированной электрической активности нейронов. Особенности электрического поля гиппокампа: пространственная зависимость знака и амплитуды его ритмических электрограмм. Формула пространственного распределения потенциала электрического поля гиппокампа с учетом его кривизны. Генез ритмических ЭЭГ в нейронных сетях с возвратным торможением. Значение афферентной импульсации в генезе ритмических ЭЭГ.

2. Пассивные механические явления в тканях и органах

Упругие и пластические деформации тканей и органов; силы, противодействующие деформации. Нормальная и касательная деформация тканей; модуль упругости, коэффициент Пуассона тканей. Ньютоновские жидкости, закон внутреннего трения Ньютона. Скорость сдвига в жидкостях. Вязко-упругие свойства тканей и органов. Релаксация напряжения и ползучесть при деформации тканей; гистерезис механических характеристик тканей. Механические модели тканей и их аналоговые электрические цепи. Вязко-упругие свойства биологических жидкостей. Статическая деформация растяжения мягких тканей; их тангенциальный модуль упругости. Динамическая деформация тканей, динамический модуль упругости. Механические свойства мышц и костей. Термодинамический анализ деформации мягких тканей.

Упругие свойства оболочек полых органов. Уравнение Лапласа для статического состояния тонких упругих оболочек. Статическое состояние упругого кровеносного сосуда, уравнение Ламе. Деформация кровеносного сосуда при изменении внутрисосудистого давления; полные и упрощенные уравнения этой деформации. Методы исследования деформации кровеносных сосудов.

Механические свойства крови. Неньютоновское течение крови при не высоких скоростях сдвига, уравнение Кессона и уравнение Захарченко. Молекулярно-клеточный механизм неньютоновских свойств крови, роль агрегации (межклеточных взаимодействий) эритроцитов. Оптические и электрические методы исследования межклеточных взаимодействий и агрегатного состояния крови.

Механические явления в легких. Диаграммы растяжения легких в условиях заполнения средами с разным поверхностным натяжением. Вклад поверхностного натяжения в альвеолах и упругих сил альвеолярной ткани в работу выдоха. Статическое механическое состояние альвеолы, уравнение Лапласа. Механическая нестабильность альвеол. Роль упругих сил и изменения поверхностного натяжения в механической стабилизации альвеол. Роль сурфактанта в изменении поверхностного натяжения в альвеолах.

Значение поверхностных явлений при отеке легких.

3. Гемодинамика

Линейная и объемная скорость кровотока. Линейная скорость течения крови в различных участках кровеносного сосуда. Методы измерения скорости движения крови, ультразвуковой способ определения скорости движения клеток в крови. Градиент скорости течения крови в различных участках кровеносной системы и его значение в развитии патологических состояний.

Общие закономерности течения крови по упругому сосуду: учет инерции крови, вязкостного сопротивления и деформации сосуда. Пульс как механическая волна деформации кровеносных сосудов. Гемодинамические и электрические аналогии. Вязкостное сопротивление, гидродинамическая емкость и гидродинамическая индуктивность сосуда с кровью. Гемодинамические телеграфные уравнения и их решение при изменении градиента давления во времени по гармоническому закону. Фомула Моенса-Кортевега для фазовой скорости распространения пульсовой волны. Определение упругих свойств сосудов путем измерения скорости пульсовой волны.

Гемодинамические процессы в системе микроциркуляции, резистивный (вязкостный) характер сопротивления мелких сосудов. Общее сопротивление системы сосудов, соединенных последовательно или параллельно. Формула гемодинамического переферического сопротивления. Механизмы регуляции гемодинамического периферического сопротивления.

Систолический и минутный объем крови как показатели производиительности работы сердца. Эталонные методы определения минутного объема (индекса) крови. Роль изменения производительности сердца и гемодинамического периферического сопротивления в развитии различных видов гипертензии. Особенности гемодинамики при сердечной недостаточности.

Анализ кровотока в большом круге кровообращения как в системе объединенных сосудов, состоящей из эквивалентного деформирующегося упругого сосуда и эквивалентного вязкостного сосуда (система сосудов с сосредоточенными параметрами). Уравнение баланса потока крови в этой системе. Гемодинамическая формула для систолического выброса крови и использование этой формулы на основе данных измерения характеристик пульсовой волны.

Вариации электрического импеданса тканей в результате изменения кровенаполнения их сосудов. Применение гемодинамического анализа объединенной системы сосудов для количественного описания вариаций импеданса. Метод импедансной реографии для определения систолического выброса крови; электродные системы, применяемые в импедансной реографии.

Кардиогенное смещение тела. Баллистокардиограммы. Определение систолического выброса крови по данным измерения низко-частотной баллистокардиограммы.

4. Механические явления при сокращении мышц

Различные виды мышечного сокращения. Теплопродукция при укорочении исчерченных мышц. Зависимость общей мощности мышцы от нагрузки. Зависимость скорости изотонического сокращения мышцы от нагрузки, уравнение Хилла. Зависимость механической работы мышцы от нагрузки.

Молекулярная организация сократительного аппарата мышечного волокна. Зависимость напряжения, генерируемого мышечным волокном при изометрическом сокращении, от его длины. Скольжение тонких и толстых нитей относительно друг друга при сокращении мышечного волокна. Общие закономерности работы поперечных мостиков саркомера.

Генерация звука при сокращении мышечного волокна. Кинетическая теория сокращения мышечного волокна. Различные состояния поперечных мостиков. Кинетическое уравнение переходов поперечных мостиков между различными состояниями и уравнение Ньютона для сокращения мышечного волокна. Теоретическое уравнение зависимости скорости изотонического укорочения мышечного волокна от нагрузки в стационарном состоянии и его соответствие уравнению Хилла.

Кинетика изменения механического напряжения при быстром переходе возбужденного мышечного волокна между двумя изометрическими состояниями. Вязко-упругие свойства поперечноых мостиков в замкнутом состоянии в мышечном волокне.

5. Транспорт веществ через эпителий

Векторная организация структуры эпителия в кишечнике и нефронах.

Транспорт сахаров и аминокислот в тонкой кишке в комплексе с переносчиком: кинетика процесса и сопряжение с активным транспортом ионов натрия. Генерация трансэпителиальной азности потенциалов при активном транспорте ионов натрия; метод короткозамкнутого тока Уссинга для исследования активного трнаспорта ионов.

Трансэпителиальный транспорт воды в кишечнике и нефронах. Механизм осмотического концентрирования мочи в нефронах. Клеточный механизм действия нефротропных диуретических веществ.

Кинетика оксигенации крови в альвеолах. Значение скорости диффузии и величины площади дыхательных мембран альвеол в насыщении крови кислородом.

6. Биофизика органов чувств

Природа прозрачности роговицы и хрусталика. Механизм светорассеяния в хрусталике при катаракте.

Спектры поглощения зрительных клеток и их пигментов. Механизм и кинетические характеристики изомеризации родопсина. Электрический ответ фоторецепторной клетки. Система трансдукции сигнала в фоторецепторной клетке. Связь чувствительности зрительного анализатора с шумами в фоторецепторных клетках.

Основные свойства пахучих и вкусовых веществ. Особенности молекулярно-клеточной организации обонятельных и вкусовых клеток. Кинетические характеристики взаимодействия пахучих стимулов с хеморецепторами. Трансдукция сигнала в обонятельной и вкусовой рецепторных клетках. Кодирование качества запаха на уровне обонятельного анализатора и рецепторной клетки.

Физическая природа звука. Частотная зависимость чувствительности уха. Механические свойства барабанной перепонки и базилярной мембраны улитки. Методы исследования колебаний базилярной мембраны. Рецепция колебаний базилярной мембраны волосковыми клетками. Механизм распознования чистых тонов.