Johannes Enevoldsen

Excitable Cells

一个展示如何在 Excitable Cells 系统中发展出折返性心动过速的演示。 作者 Johannes Enevoldsen 发布日期 2025 年 2 月 18 日 修改日期 2025 年 3 月 28 日

我写这篇文章是为了回答我作为医学生第一次学习心律失常时的一些问题。主要是，启动和维持_折返性心律失常_需要哪些条件？也就是说，心脏肌肉持续被一个自我维持的环路激活，而独立于正常的起搏系统。这些心律失常可能是良性的，如房室结折返性心动过速 (AVNRT)，这是年轻人心悸的常见且通常无害的原因。或者它们可能是致命的，如室颤。

心肌细胞 (cardiomyocytes) 具有一些有趣的特性。当它们被激活时，它们会去极化。去极化导致细胞收缩，但也激活相邻的细胞，引发连锁反应。

在下面的演示中，我们使用了一个高度简化模型的心脏。下面是一个模拟 cardiomyocytes 的网格，每个细胞都准备激活其相邻的细胞。它们都从一个_静息状态_开始，准备被_激活_。

被激活的细胞是黑色的。过一会儿，它们变得不活动并进入_不应期_。处于不应期的细胞不能被激活。在模拟中，处于不应期的细胞从深灰色变为浅灰色，直到它们恢复到静息状态，并准备好进行新的激活。

👆️ 点击/轻触下面框中的任何位置以激活一个细胞。

请注意，激活并非完全对称和可预测的。为了使模拟具有更自然的感觉，我为细胞的激活增加了一些随机性。每个细胞被激活的概率越高，其四个邻居中被激活的越多（如果一个邻居被激活，则有 33% 的几率被激活，当 3 或 4 个邻居被激活时，则有 100% 的几率被激活）。

起搏细胞

窦性心律。来自 ECGpedia。

cardiomyocytes 的另一个有趣的特性是它们的_自律性_；如果 cardiomyocytes 在一段时间内没有受到相邻细胞的刺激，它们会自发激活。右心房_窦房结_（sinus node）中的细胞具有最快的自发激活率，因此激活剩余的心脏，使窦房结成为心脏的起搏器。

在下面的模拟中，左上角的一组细胞充当起搏细胞。

👆️ 移动模拟下方的滑块以更改自发去极化的速率（心率）。

当窦房结的自发去极化决定心率时，心脏被称为处于窦性心律，这是心脏的正常（生理）激活路径。如果窦房结以高于每分钟 100 次的速度起搏心脏，则该心律称为窦性心动过速。窦性心动过速（以及增加的每搏输出量）会增加心脏的血液流量，是对运动的生理反应。

折返性心动过速

室性心动过速。来自 Ecgpedia。

在折返性心动过速中，心脏不是由窦房结起搏，而是由一组形成回路的细胞起搏，其中去极化波可以循环并一次又一次地刺激自身。这需要在细胞中存在一个无反应区域（一个无法激活的区域），因此可以围绕它形成一个回路。

在下面的模拟中，红色细胞是无反应的（死亡）。它们可能代表心肌梗塞后的疤痕组织——室性心动过速的常见原因。或者，该模拟可以说明心房扑动，其中折返环路可以围绕三尖瓣形成。

👆️ 要停止折返性心动过速，请按“⚡️除颤！”按钮来电击心肌细胞。

⚡️ 除颤！

除颤后，系统处于窦性心律。起搏细胞一直都在，但被折返环路抑制了。

上面的模拟说明了折返环路如何围绕死亡区域自我维持，但是它最初是如何开始的呢？

👆️ 您可以尝试单击/轻触上面的模拟以触发异位搏动（从窦房结外部开始的去极化），但您将无法再次启动折返环路。

折返环路是如何开始的？

为了启动折返环路，去极化波必须仅以一种方式绕过死亡区域传播。否则，以相反方向传播的两个波将在另一侧相遇时相互消除。但是，如果一个通路中的细胞具有较长的refractory period，则当一个通路准备好去极化时，而去极化波可以刚好到达，而另一个通路仍然处于不应期。

在下面的模拟中，左下角的细胞具有较长的refractory period。

👆️ 尝试在具有较长refractory period的区域旁边启动异位搏动（单击/轻触），同时该区域仍处于不应期。

⚡️ 除颤！

👆️ 您可以通过⚡️除颤，或者通过巧妙地定时一个新的异位搏动来阻止折返环路，从而使系统恢复到窦性心律。

颤动

室颤。来自 Ecgpedia。

另一种常见的心律失常是颤动——房颤或室颤。颤动是一种折返性心律失常，但去极化波不会围绕固定的解剖区域传播，而是不规则地在心肌中蜿蜒。

在下面的模拟中，细胞具有不同的refractory time。异位去极化将激活某些细胞，而另一些细胞仍处于不应期。这会产生相当复杂的去极化模式，并可能创建一个折返环路，而没有任何死亡区域可以围绕它循环。

👆️ 尝试在下面的模拟中设置一些异位搏动，看看您是否可以启动一个或多个折返环路。通过更改scale（在高scale下，附近的细胞具有相似的refractory time）和range（系统中refractory time的总体范围）使系统更加不稳定。高range和低scale使系统不稳定。

设置refractory time的可变性。 Scale: Range: ⚡️ 除颤！

当一些细胞处于不应期而另一些细胞不处于不应期时刺激系统，对应于心电图的 T 波期间发生的异位搏动 - 这是室颤的高风险情况。此外，较大的refractory time range对应于心电图中的宽 T 波。

鸣谢

本文的灵感来自 Bartosz Ciechanowski 令人惊叹的互动文章。