第二节　心脏的电生理活动

心肌细胞（cardiac muscle cell）属于可兴奋的肌细胞，具有受到刺激产生动作电位（兴奋）和收缩的特性。正常情况下，心脏中心肌细胞的节律性兴奋源自窦房结，通过可靠的传导到达全部心肌细胞。兴奋通过兴奋-收缩耦联（excitation-contraction coupling）引发心肌细胞收缩。心脏泵血则有赖于心肌细胞有力而同步的收缩。

一、心肌细胞的电活动与兴奋

所有横纹肌细胞的收缩是由发生在细胞膜上的动作电位（兴奋）所引发。心肌细胞的动作电位与骨骼肌细胞的明显不同，主要表现在：①能自发产生；②能从一个细胞直接传导到另一个细胞；③有较长的时程，可防止相邻收缩波的融合。为了理解心肌的这些特殊的电学特性以及心脏功能是如何依赖这些特性的，需要先了解心肌细胞的电活动表现与机制。

心肌细胞动作电位的形状及其形成机制比骨骼肌细胞的要复杂，不同类型心肌细胞的动作电位不仅在幅度和持续时间上各不相同，而且形成的离子基础也有差别。

（一）心室肌细胞的电活动

根据组织学和生理学特点，可将心肌细胞分为两类：一类是普通的心肌细胞，即工作细胞，包括心房肌和心室肌。另一类是一些特殊分化了的心肌细胞，组成心脏的特殊传导系统，包括窦房结、房室结、房室束和浦肯野纤维。心房肌和心室肌细胞直接参与心脏收缩泵血。心房肌细胞与心室肌细胞的电活动形式与机制类似，以下以心室肌细胞为例说明工作细胞的电活动规律。

1.静息电位 人类心室肌细胞的静息电位约为-90mV，其形成机制与骨骼肌细胞的类似，即静息电位的数值是K⁺平衡电位、少量Na⁺内流和生电性Na⁺-K⁺泵活动产生电位的综合反映。心室肌细胞在静息时，膜对K⁺的通透性较高，K⁺顺浓度梯度由膜内向膜外扩散所达到的平衡电位，是心室肌细胞静息电位的主要组成部分。由于在安静时心室肌细胞膜对Na⁺也有一定的通透性，少量带正电荷的Na⁺内流。另外，生电性Na⁺-K⁺泵活动产生一定量的超极化电流。心室肌细胞静息电位的实际测量值是上述三种电活动的代数和。

2.动作电位 心室肌细胞的动作电位（action potential，AP）与骨骼肌细胞的明显不同。心室肌细胞动作电位的主要特征在于复极过程复杂，持续时间较长，动作电位降支与升支不对称。通常将心室肌细胞兴奋的动作电位分为0、1、2、3、4五个时期（图2-5），其主要离子机制见表2-1。

0期：即快速去极化期。心室肌细胞在邻近细胞电流的刺激下，首先引起部分电压门控式Na⁺通道开放及少量Na⁺内流，造成细胞膜部分去极化；当去极化达到阈电位水平（约-70mV）时，膜上Na⁺通道开放概率明显增加，出现再生性Na⁺内流，于是Na⁺顺其浓度梯度和电位梯度由膜外快速进入膜内，使膜进一步去极化，膜内电位向正电性转化，直至接近Na⁺平衡电位。决定0期去极化的Na⁺通道是一种快通道，它激活开放的速度和失活关闭的速度都很快。由于Na⁺通道激活速度快，又有再生性Na⁺内流循环出现，这是心室肌细胞0期去极速度快、动作电位升支陡峭的原因。在心脏电生理学中，通常将由快Na⁺通道开放引起快速去极化的心肌细胞称为快反应细胞（fast response cell），如心房肌、心室肌及浦肯野纤维等，所形成的动作电位称为快反应动作电位（fast response action potential），以区别于以后将要介绍的慢反应细胞和慢反应动作电位。

1期：即快速复极初期。在复极初期，仅出现部分复极，膜内电位下降到0mV附近，与2期平滑过渡。在复极1期，快Na⁺通道已经失活，在去极化过程（-20mV）中K⁺通道被激活，两种因素使膜电位迅速下降到0mV水平。

2期：即平台期（plateau）。当复极膜电位达到0mV左右后，复极过程就变得非常缓慢，是心室肌细胞动作电位持续时间较长的主要原因，也是其区别于骨骼肌细胞动作电位的主要特征。平台期的形成与外向电流（K⁺外流）和内向电流（主要是Ca²⁺内流）的同时存在有关（图2-1）。在平台期初期，两种电流处于相对平衡状态，随后，内向电流逐渐减弱，外向电流逐渐增强，总和的结果是出现一种随时间推移而逐渐增强的、微弱的外向电流，导致膜电位的缓慢复极化。平台期的外向离子流是由K⁺负载的，动作电位过程中心室肌细胞膜对K⁺的通透性随时间变化。平台期的内向离子流主要是由Ca²⁺（和少量Na⁺）负载的，当细胞膜去极到-40mV时，心室肌细胞膜上的电压门控型L（long-lasting）型Ca²⁺通道被激活，Ca²⁺顺其浓度梯度向膜内缓慢扩散。L型Ca²⁺通道主要是对Ca²⁺通透（也允许少量Na⁺通过），通道的激活、失活以及复活所需的时间均比Na⁺通道长，故又称为慢通道。Na⁺-Ca²⁺交换体的生电活动对平台期也有贡献，3个Na⁺进入细胞的同时交换出1个Ca²⁺。

3期：即快速复极末期。2期复极末，膜内电位逐渐下降，延续为3期复极。在3期，复极速度加快，膜内电位由0mV附近较快地下降到-90mV，完成复极化过程。3期复极是由于L型Ca²⁺通道失活关闭，内向离子流终止，而外向K⁺流进一步增加所致。

从0期去极化开始，到3期复极化完毕的时间称为动作电位时程（action potential duration，APD）。

4期：即静息期，又称电舒张期。4期是膜复极完毕，心室肌细胞膜电位恢复到动作电位发生前的时期，基本上稳定于静息电位水平（-90mV）。由于在动作电位期间有Na⁺和Ca²⁺进入细胞内和K⁺流出细胞，引起了细胞内外离子分布的改变，所以4期内离子的跨膜转运仍然在活跃进行，以恢复细胞内外离子的正常浓度梯度，保持心肌细胞的正常兴奋性。4期内，细胞通过膜上生电性Na⁺-K⁺泵的活动，排出Na⁺的同时摄入K⁺，并产生外向电流（泵电流）。在动作电位期间流入细胞的Ca²⁺则主要通过细胞膜上的Na⁺-Ca²⁺交换体和Ca²⁺泵排出细胞外，而由细胞内肌浆网释放的Ca²⁺则主要由肌浆网上的Ca²⁺泵摄回。

（二）窦房结起搏细胞的电活动

特殊传导系统细胞具有自发产生动作电位或兴奋的能力，又称自律细胞。正常情况下，在所有特殊传导系统细胞中，以窦房结起搏细胞（简称P细胞）发生动作电位的频率最高。窦房结产生的节律性兴奋通过特殊传导系统扩布到心房肌和心室肌，引起心房和心室的节律性收缩。

窦房结起搏细胞的动作电位由0期、3期和4期组成，没有1期和2期（图2-6）。窦房结起搏细胞与心室肌细胞的动作电位有明显不同。心室肌细胞的4期膜电位在前一动作电位复极末基本达到静息电位水平，是基本稳定的，只有在外来刺激作用下，才产生动作电位。而窦房结起搏细胞的4期膜电位在前一动作电位复极末达到最大值（-70mV），即最大复极电位（maximal repolarization potential），然后，4期膜电位立即开始自动的、逐步的去极化，达阈电位（-40mV）后引起一次新的动作电位。这种4期自动去极化（phase 4 spontaneous depolarization）过程，具有随时间而递增的特点，其去极化速度较缓慢，是自律细胞产生自动节律兴奋的基础。

0期：即去极化过程。当膜电位由最大复极电位（-70mV）自动去极达阈电位水平（约-40mV）时，激活膜上的L型Ca²⁺通道，引起Ca²⁺内流，形成0期去极化。由于L型Ca²⁺通道的激活和失活缓慢，故0期去极化缓慢，持续时间较长。通常将由此类慢Ca²⁺通道开放引起的缓慢去极化兴奋的心肌细胞称为慢反应细胞（slow response cell），如窦房结起搏细胞、房室结细胞等，所形成的动作电位称为慢反应动作电位（slow response action potential）。

3期：即复极化过程。与心室肌细胞的动作电位分期相比，窦房结起搏细胞的动作电位无1期和2期，0期后直接进入3期。0期去极化达到0mV左右时，L型Ca²⁺通道逐渐失活，Ca²⁺内流相应减少；同时，在复极初期K⁺通道被激活，出现K⁺外流。Ca²⁺内流的逐渐减少和K⁺外流的逐渐增加，使细胞膜逐渐复极并达最大复极电位。

4期：又称4期自动去极化。窦房结起搏细胞4期自动去极化是外向电流和内向电流共同作用，最后产生净内向电流所形成。至少有3种机制参与4期自动去极化的形成。首先，4期内细胞膜对K⁺的通透性进行性降低，导致K⁺外流逐渐减少，即外向电流的衰减；其次，细胞膜对Na⁺通透性轻度增加，内向电流增加。细胞膜对Na⁺/K⁺通透性比值的逐渐增加引起膜电位从K⁺平衡电位向Na⁺平衡电位方向缓慢变化。第三种机制是细胞膜对Ca²⁺通透性的轻度增大，导致正离子内流而去极化。

窦房结起搏细胞动作电位机制见表2-2。

二、心脏的电生理特性

心肌组织具有可兴奋组织的基本特性，即：①具有在受到刺激后产生动作电位的能力，称为兴奋性（excitability）；②将动作电位从产生部位扩布到同一细胞的其他部分和相邻其他心肌细胞的能力，称为传导性（conductivity）；③在动作电位的触发下产生收缩反应，称为收缩性；④也具有自己的独特特性，即自发产生动作电位的能力，称为自动节律性（autorhythmicity）。兴奋性、自动节律性、传导性和收缩性是心肌组织的4种生理特性。收缩性是心肌的一种机械特性，而兴奋性、自动节律性和传导性以细胞膜的生物电活动为基础，称为电生理特性。心脏各部分在兴奋过程中出现的生物电活动，通过心脏周围的导电组织和体液传导到身体表面，用专门仪器（心电图仪）可以记录到心脏兴奋过程发生的电变化，称为心电图（electrocardiogram，ECG）。心肌组织的电生理特性及其电活动是形成心电图的基础，疾病情况下的电生理特性及电活动的改变是异常心电图表现的原因。

（一）兴奋性

兴奋性是指细胞在受到刺激时产生兴奋（动作电位）的能力。衡量心肌兴奋性的高低，可以采用刺激阈值作为指标，阈值高表示兴奋性低，阈值低表示兴奋性高。

心肌细胞兴奋（动作电位）的产生机制与骨骼肌细胞的相同，即外部刺激引起细胞膜局部去极化，当去极化达到细胞膜上电压门控Na⁺通道（如心室肌）或L型Ca²⁺通道（如窦房结起搏细胞）开放的阈电位，即引发动作电位。因此，静息电位或最大复极电位水平、阈电位水平以及细胞膜上Na⁺通道或L型Ca²⁺通道的性状改变均可影响心肌细胞的兴奋性。

如图2-7所示，心室肌细胞受到刺激发生兴奋时，在动作电位大部分时程内细胞处于对任何强度的刺激都不发生反应的状态（不能产生动作电位），即为绝对不应期（absolute refractory period，ARP）。在近动作电位3期末的一段时程内，细胞对阈刺激不产生动作电位，但对阈上刺激则可产生动作电位，这一时程称为相对不应期（relative refractory period，RRP）。在比绝对不应期稍长的一个时期内，细胞对阈上刺激也不能产生可传导的动作电位，这一时期称为有效不应期（effective refractory period，ERP）。在动作电位结束即刻的一段时程，细胞对阈下刺激也能反应产生动作电位，表明心肌的兴奋性高于正常，故称为超常期（supranormal period，SNP）。

心肌细胞每产生一次兴奋，其膜电位将发生一系列有规律的变化，膜通道由备用状态经历激活、失活和复活等过程，兴奋性随之发生相应的周期性改变。兴奋性的这种周期性变化，影响心肌细胞对重复刺激的反应能力，对心肌的收缩反应和兴奋的产生及传导过程都具有重要的影响。

慢反应细胞发生动作电位过程中及随后的兴奋性的周期性改变与心室肌细胞类似，但是细节尚未完全阐明。

（二）自动节律性

组织与细胞能够在没有外来刺激的条件下，自动地发生节律性兴奋的特性，称为自动节律性，简称自律性。衡量自动节律性的指标包括频率和规则性，前者指组织或细胞在单位时间（每分钟）内能够自动发生兴奋的次数，即自动兴奋的频率；后者则是指在单位时间内这种自动兴奋的分布是否整齐或均匀。在正常情况下，心肌组织自动发生的兴奋都较规则，因此常以自动兴奋的频率作为衡量自律性的指标。临床上，则需要同时获取兴奋频率（心率）与兴奋是否规则（节律整齐）两方

面的指标。

心脏的特殊传导系统具有自律性，但是特殊传导系统的不同部位的自律性存在等级差别（表2-3）。心脏始终依照当时情况下由自律性最高的部位所发出的兴奋来进行活动。正常情况下，窦房结的自律性最高，它自动产生的节律性兴奋向外扩布，依次激动心房肌、房室结、房室束、心室内传导组织和心室肌，引起整个心脏兴奋和收缩。窦房结是主导整个心脏兴奋和搏动的正常部位，故称之为正常起搏点（normal pacemaker）或原发起搏点（primary pacemaker），所形成的心脏节律称为窦性节律。而其他部位的自律组织并不表现出它们自身的自律性，只是起着传导兴奋的作用，故称之为潜在起搏点（latent pacemaker）。当疾病情况下，上级起搏点不能发放兴奋，则次一级起搏点就接替主导整个心脏的兴奋和搏动。但是，一般认为，浦肯野纤维由于内在起搏频率过低无法承担主导整个心脏起搏点的作用。

自律细胞的自动兴奋是4期自动去极化使膜电位从最大复极电位达到阈电位水平而引起的。因此，4期自动去极化速度、最大复极电位水平与阈电位水平影响自律细胞的自律性高低（图2-8）。

值得指出的是，正常心房肌与心室肌细胞的4期基本稳定，无法自动去极化达到阈电位水平引发动作电位。但是，当在病理情况如心肌缺血时，这些心肌细胞可以转变为异位起搏点（ectopic pacemaker）发放动作电位，主导部分或整个心脏的兴奋与收缩。

（三）传导性

细胞与组织具有传导兴奋（动作电位）的能力，称为传导性。传导性的高低可用兴奋的扩布速度来衡量。

心脏内，心肌细胞与细胞之间通过闰盘端对端互相连接。闰盘内的缝隙连接保证了兴奋的跨细胞扩布。心肌细胞的兴奋以局部电流的形式通过缝隙连接直接进入邻近细胞（图2-9），引发动作电位并迅速扩布，实现同步性活动，使整个心房或心室成为一个功能性合胞体（functional syncytium）。因此，在心脏任何部位发生的动作电位也会通过这种细胞-细胞的传导方式扩布到整个心室肌或者心房肌。

兴奋在心脏内不同组织的传导速度并不相等（表2-4）。以浦肯野纤维的传导速度最快，而在窦房结与房室结内的传导速度最慢。房室结是正常时兴奋由心房进入心室的唯一通道。由于房室结细胞的直径较小，兴奋在房室结内的传导速度缓慢，通过房室结到达房室束时耗费了一定时间，这一现象称为房-室延搁（atrioventricular delay）。房-室延搁使心室在心房收缩完毕之后才开始收缩，不至于产生心房和心室收缩发生重叠的现象，有利于心室的充盈和射血。

心肌细胞的兴奋传导速度至少受到三类因素的影响：①传导速度与心肌纤维的直径大小呈正变关系。直径小的细胞因其细胞内电阻大，产生的局部电流小于直径大的细胞，兴奋传导速度也较后者缓慢。②传导速度与局部去极化电流大小呈正变关系。动作电位。期去极化速度与幅度大，引起的局部电流密度大、影响范围广，兴奋传导速度就快。③传导速度与心肌细胞膜的被动电学特性、缝隙连接和胞质性质有关。细胞膜的被动电学特性和胞质性质的改变可以影响细胞内电阻。缝隙连接的电学性质可受到一些细胞外因素的影响，后者可引起连接蛋白的磷酸化/去磷酸化进而影响缝隙连接的通透性。

兴奋在心脏内的传播是以特殊传导系统为主干进行的有序扩布（图2-10）。正常情况下，窦房结发出的兴奋通过心房肌传播到整个右心房和左心房，沿着心房肌组成的优势传导通路（preferential pathway）迅速传到房室结，经房室束和左、右束支传到浦肯野纤维网，引起心室肌兴奋，再直接通过心室肌将兴奋由内膜侧向外膜侧心室肌扩布，引起整个心室兴奋。如图2-10所示，心脏不同部位动作电位去极化的发生时间显示了心脏兴奋从窦房结发源，然后按照一定顺序到达心脏的不同部位。动作电位在通过房室结时传导非常缓慢，房室结细胞的4期自动去极化比窦房结以外的心肌细胞要快。兴奋在心室内的传导要比心房内传导要快得多。那些晚去极化的、具有较短动作电位时程的心室肌细胞反而先复极化，该现象的原因尚未完全阐明，但是会影响心电图表现。

三、心电图

心脏各部分在兴奋过程中出现的电活动通过细胞外液等导电物质传导，可以在身体表面用电极和仪器测到，即心电图。心电图是反映心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电变化，是记录电极之间的电位差，而与心脏的机械收缩活动无直接关系。

在心电活动周期的某一瞬间，心电图记录的是众多心肌细胞此刻产生的电活动所形成的许多微弱电场的总和。当较多心肌细胞同时去极化或复极化，心电图上观察到的电压变化也较大。正常时，由于通过心脏的电兴奋波（动作电位）以同样的途径扩布，在体表两点之间记录到的电压变化的时间模式也是一致的，可以在每个心电周期重复观察到。

临床常规使用的心电图记录是通过一套国际通用的标准导联系统测量得到的。常规心电图导联共包括12个导联，在体表的规定部位放置探测电极，通过导联线与心电图机相连。由于电极放置位置不同，不同的导联记录到的心电图波形也有所不同。但心脏每次兴奋在心电图记录中基本上都包括一个P波、一个QRS波群和一个T波，以及各波形之间形成的间期或时间段（图2-11，表2-5）。