CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÍN HIỆU ĐIỆN CƠ 1.1 CƠ SỞ SINH LÝ VÀ GIẢI PHẪU CƠ 1.1 Chức năng của cơ Cơ là tổ chức tồn tại cùng với con người từ lúc mới sinh cho đến lúc đi vào cõi vĩnh hằng. Các cơ quan của cơ thể vận động được hay biểu thị cảm xúc là nhờ có hệ thống cơ. Cơ và sự vận động của cơ thể luôn luôn ảnh hưởng, tương tác lẫn nhau: nếu vận động nhiều thì cơ phát triển và ngược lại kém vận động hay không vận động thì cơ sẽ thoái biến. Cơ được chia làm ba loại: Cơ chủ động (còn gọi là cơ chủ động xương, cơ vân) gắn vào xương giúp ta cử động, hô hấp và di chuyển trong không gian.
Cơ trơn có ở những thành nội tạng, mạch máu và các tuyến. Chúng là thành phần quan trọng bảo đảm sự vận động của các cơ quan nội tạng. Cơ tim là loại cơ đặc biệt vừa có tính chất của cơ chủ động, vừa có tính chất của cơ trơn. Cơ tim có liên quan mật thiết tới hệ thống tuần hoàn trong cơ thể.
Trong nội dung của luận văn này chỉ nghiên cứu về cơ chủ động còn cơ trơn và cơ tim, tôi không đề cập đến.2 Cấu trúc của cơ chủ động Cơ chủ động chiếm khoảng 50% khối lượng cơ thể. Mỗi bắp cơ gồm nhiều bó sợi cơ xếp song song theo chiều dài của cơ, gắn liền với nhau bởi tổ chức liên kết. Mỗi sợi cơ (fiber) là một tế bào cơ dài khoảng 5 – 60 mm, có đường kính từ 10 – 100 µm. Mỗi sợi cơ được một tận cùng thần kinh điều khiển thường nằm ở giữa sợi cơ, nếu tách riêng sợi cơ có thể co được.
Toàn bộ bắp cơ co là kết quả co của tất cả những sợi cơ tạo thành nó.3 Đặc tính của cơ chủ động Cơ chủ động có hai đặc tính chủ yếu: tính đàn hồi và tính hưng phấn 7 1.1 Tính đàn hồi Bình thường ở trạng thái nghỉ ngơi, cơ luôn ở tư thế đàn hồi không hoàn toàn. Cơ luôn chịu sức kéo từ hai đầu bám của nó, nếu ta cắt đứt một đầu gân, cơ sẽ thu ngắn lại ở phía đầu kia. Hiện tượng này không hoàn toàn do tính đàn hồi đơn thuần về vật lý mà là hiện tượng sinh học, đó là trạng thái trương lực của cơ. Khi tách cơ ra khỏi cơ thể, nuôi trong điều kiện nhân tạo dưới ảnh hưởng của một lực, cơ sẽ thay đổi hình dáng.
Khi lực đó thôi tác dụng, cơ sẽ trở về hình dáng ban đầu. Hình 2: Cấu trúc cơ chủ động 1.2 Tính hưng phấn (co cơ) Nếu kích thích lên cơ với cường độ tới ngưỡng sẽ làm cho cơ hưng phấn, biểu hiện bằng hình thức co cơ. Kích thích sinh lý lên cơ là các xung động thần kinh phát ra từ hệ thần kinh trung ương, theo sợi thần kinh vận động truyền tới cơ. Người 8 ta cũng có thể gây co cơ bằng cách kích thích trực tiếp lên cơ các kích thích cơ học (châm, kẹp) hay nóng, lạnh, axit, dòng điện… Tùy điều kiện vận động mà cơ chủ động có các kiểu và các hình thức co khác nhau.4 Các kiểu co cơ Khi co cơ đơn độc sẽ thay đổi độ dài hay trương lực cơ, hoặc thay đổi cả hai thông số này.
Nếu cơ co rút ngắn chiều dài mà không tăng trương lực cơ là loại cơ co đẳng trương (isotonic). Nếu cơ co không rút ngắn chiều dài tuy nhiên làm tăng trương lực cơ là loại cơ co đẳng trường (isometric). Trong hoạt động sống hầu hết các động tác ta có co cơ hỗn hợp, gồm co cơ đẳng trường trước, lực phát triển ngày càng tăng đến lúc đủ mạnh, cơ rút ngắn để di chuyển trọng tải (tức cơ co đẳng trương). Các cơ chủ động có độ lớn và kích thước dài ngắn rất khác nhau, việc sử dụng năng lượng cho các cơ cũng khác nhau và thường thể hiện ở tốc độ co cơ.5 Các dạng co cơ Có hai dạng co cơ phụ thuộc vào tần số kích thích là: – Co cơ đơn giản: khi cơ chịu tác động của một kích thích đơn lẻ đạt trị số ngưỡng trở lên, cơ sẽ đáp ứng bằng một co cơ đơn nhất, nhanh và ngắn (thường kéo dài 100 ms).
– Co cơ cứng: khi cơ chịu nhiều kích thích liên tiếp có cường độ như nhau thì ở cơ có hiện tượng tập cộng. Nếu khoảng cách giữa hai kích thích nhỏ hơn thời gian của một co cơ đơn giản thì sự co cơ của kích thích sau sẽ chồng lên sự co cơ của kích thích trước đó, gây ra hiện tượng co cơ cứng.6 Nguồn năng lượng cho co cơ Người ta chia nguồn năng lượng cho co cơ thành 3 hệ là: 9 – Hệ năng lượng phosphogen: gồm ATP và creatinphosphat. ATP là nguồn năng lượng trực tiếp cho cơ hoạt động, nó bị phân hủy và tái tổng hợp liên tục khi co cơ. – Hệ năng lượng lactic: là hệ năng lượng do con đường đường phân yếm khí.
Con đường này rất quan trọng vì tốc độ nhanh gấp 2,5 lần con đường oxy hóa có oxy. – Hệ năng lượng oxy hóa: đây là nguồn năng lượng bảo đảm cho cơ hoạt động kéo dài. Vật chất bị oxy hóa chủ yếu là lipid, glucid và một phần protein.7 Đơn vị vận động (Motor Unit) Đơn vị chức năng nhỏ nhất để miêu tả sự điều khiển của hệ thần kinh vận động đối với quá trình co cơ được gọi là 1 đơn vị vận động (Motor Unit – MU). Nó bao gồm một sợi thần kinh vận động xuất phát từ một nơ-ron vận động (alpha motoneuron) và tất cả các sợi cơ được điều khiển bởi các nhánh sợi trục của sợi thần kinh vận động đó (Hình 3).
Hình 3: Sơ đồ minh hoạ đơn vị vận động 10 Các nơ-ron vận động có kích thước tế bào nhỏ, có sợi trục tương đối mảnh và có số lượng sợi nhánh tận cùng ít, do đó có MU nhỏ, ngưỡng hưng phấn thấp và tốc độ dẫn truyền xung chậm. Các nơ-ron vận động có kích thước tế bào lớn, có sợi trục tương đối dày và có số lượng sợi nhánh tận cùng nhiều, do đó có MU lớn, ngưỡng hưng phấn cao và tốc độ dẫn truyền xung nhanh.8 Sợi cơ nhanh và sợi cơ chậm Tất cả các sợi cơ trong một MU có cùng tính chất, nghĩa là MU nhanh chỉ bao gồm các sợi cơ nhanh, còn MU chậm chỉ bao gồm các sợi cơ chậm. Sự khác nhau ở các sợi đó là sức mạnh, sức nhanh và sức bền co cơ. Các sợi cơ nhanh dày hơn, có sức co cơ mạnh với tốc độ nhanh nhưng thời gian co cơ ngắn và sức bền không cao.
Các sợi cơ chậm mảnh hơn, không tạo được sức cơ nhanh và mạnh nhưng đảm bảo sự co cơ bền bỉ kéo dài với một lực không lớn. Mỗi bắp cơ gồm cả những sợi cơ nhanh và sợi cơ chậm. Những cơ cần phản ứng nhanh gồm chủ yếu các sợi cơ nhanh để phù hợp với chức năng của từng loại cơ.1 Cơ sở phát sinh tín hiệu điện cơ Tín hiệu điện cơ được phát sinh từ sự kích thích của các sợi cơ bởi các nơ-ron. Hiện tượng này có thể được giải thích bởi mô hình của một màng bán thấm, mô tả các thuộc tính về điện của màng tế bào.
Trạng thái cân bằng ion giữa các ion bên trong và bên ngoài màng tế bào tạo nên một điện thế nghỉ tại màng tế bào cơ (khoảng từ – 80 đến – 90 mV khi không co cơ). Khi có kích thích sẽ làm xuất hiện sự khác nhau về điện thế giữa bên trong và bên ngoài màng tế bào: điện thế bên trong trở nên âm hơn. Sự khác nhau này được duy trì bởi một quá trình sinh lý đựơc gọi là quá trình “bơm ion”. Sự hoạt hóa của một tế bào sừng trước alpha-motor gây nên sự dẫn truyền các kích thích dọc theo dây thần kinh vận động.
Sau khi giải phóng các chất dẫn truyền tại tấm vận động (the 11 motor endplates), một điện thế tấm vận động được tạo ra tại sợi cơ được kích thích bởi MU. Đặc điểm khuếch tán này của màng sợi cơ bị thay đổi trong một thời gian ngắn và các ion Na+ di chuyển vào bên trong màng tế bào. Điều này gây nên một sự khử cực màng tế bào (Depolarization). Sự khử cực này được phục hồi lại ngay lập tức bởi sự trao đổi ngược lại các ion bên trong quá trình “bơm ion” và tạo nên sự tái khử cực màng tế bào (Repolarization) (Hình 4).
Hình 4: Quá trình khử cực và tái khử cực của màng tế bào cơ 1.1 Điện thế hoạt động Khi dòng ion Na+ chảy vào bên trong màng tế bào cơ vượt qua một mức ngưỡng nào đó, quá trình khử cực màng tế bào gây nên một điện thế hoạt động thay đổi nhanh chóng từ – 80 mV đến + 30 mV. Như vậy khi một xung động thần kinh từ dây cột sống dẫn truyền đến tấm vận động làm giải phóng Ach (Acetylcholine) tại khe synap (1) và gây nên một sự khử cực (điện thế hoạt động) (Hình 5). Điện thế hoạt động này dẫn truyền vào bên trong sợi cơ thông qua một ống ngang (2). Đến đây làm giải phóng ion Ca++ (3), khiến cho cầu ngang khép lại (4) và làm cơ bắt đầu co (5).
12 Hình 5: Cơ chế phát sinh điện thế hoạt động Hình 6: Điện thế hoạt động của các tế bào cơ. 13 Tín hiệu điện cơ EMG dựa trên cơ sở các điện thế hoạt động tại màng sợi cơ là kết quả từ các quá trình khử cực và tái khử cực được mô tả ở trên (Hình 5). Phạm vi của vùng khử cực (Depolarization zone) khoảng từ 1 – 3 mm2. Kích thích ban đầu tại khu vực này sau khi di chuyển dọc theo sợi cơ với tốc độ 2 – 6 m/s sẽ đi tới bề mặt các điện cực (Hình 7).
Hình 7: Khu vực khử cực trên các màng sợi cơ 1.2 Mô hình điện đối với điện thế hoạt động Chu kỳ khử cực – tái khử cực tạo nên một dạng sóng khử cực hay là một lưỡng cực điện. Lưỡng cực điện này truyền dẫn dọc theo bề mặt của một sợi cơ. Một điện cực lưỡng cực và một bộ khuếch đại vi sai điển hình được sử dụng cho việc đo các tín hiệu EMG (Hình 8). Để cho đơn giản, trong bước đầu tiên, ta chỉ minh hoạ trên sơ đồ tín hiệu của một sợ cơ đơn lẻ.
Phụ thuộc vào khoảng cách không gian giữa điện cực 1 và điện cực 2, lưỡng cực sẽ tạo ra một sự chênh lệch điện thế giữa các điện cực.
