2　心电传导的原理

电传导是心肌组织的生理学基本特性之一，了解心脏的正常以及异常电传导，有助于提高我们对心律失常发病机制的认识水平。本文介绍心脏电传导的基本原理以及相关临床电生理现象的解释。

一、传导性的定义及电生理基础

心脏的兴奋性是指单个细胞发生除极产生动作电位的过程，而心脏的电传导是指电激动在心肌组织间扩布的现象，该过程可简单地概括为上游兴奋区细胞将激动扩布至下游静息细胞。微观上，当单个细胞兴奋时，该细胞产生的局部电流可激动周围未兴奋的心肌细胞，后者的静息膜电位达到阈电位后又可成为新的兴奋元，为下一处未兴奋的心肌细胞提供电能，上述过程周而复始，不断向前扩展，直到传导轴前方的全部心肌细胞均发生除极，与多米诺骨牌的连锁反应类似。

二、源-库理论与心脏电传导

现代电生理观念认为，心脏的电传导可以用源-库（source-sink）理论加以解释，动作电位能否顺利传导取决于上游兴奋细胞产生的激动电流（源）与下游待激动的静息细胞（库）两方面，源-库之间必须匹配才能保证电传导的顺利进行。类似于日常生活当中电流与负载之间的关系，如夏天安装了多台空调，而不进行线路改造，常因负载功率过大，跳闸断电。兴奋心肌细胞作为电源，其电压只有35mV左右（超射和平台期），因此动作电位时间越长和已经兴奋的心肌细胞越多，作为“源”越强劲。库方面，即作为负载的紧邻下游静息细胞，待除极的细胞数目越多则“库”越大；此外，细胞间缝隙连接越紧密，这些细胞可以作为一个“合胞体”，则“库”越大，上游已兴奋的心肌细胞作为电源，由于需要同时供电给“合胞体”，造成紧邻已兴奋心肌旁边的心肌细胞供电量不足，难以达到兴奋的阈值，不能完成从静息细胞到兴奋细胞（成为电源）的转变，以致电传导不能维持。

心电传导的源-库理论可以用多米诺骨牌现象形象地解释。图1-2-1A为基础状态，骨牌间距正常（相当于心肌细胞的缝隙连接功能正常），第1块骨牌倒下，其余的骨牌就会产生连锁反应，依次倒下；图1-2-1B从第4块骨牌开始排列过密，第4块骨牌倒下时，其能量会同时传递给第5、第6，甚至第7块骨牌，而不仅仅是第5块骨牌，导致能量分散，多米诺效应终止。这相当于心肌细胞缝隙连接功能增强，上游兴奋心肌细胞传递来的能量被分散到多个细胞的合胞体，以致紧邻的静息细胞无法达到兴奋阈值，电传导终止；图1-2-1C骨牌排列稀疏，但倒下骨牌仍能够触及下一个骨牌，其倒下的能量仅仅供应下一个骨牌，虽然连锁反应速度减慢，但多米诺效应维持，这与心肌细胞缝隙连接功能受损类似，已兴奋的心肌的能量，仅仅供下一个静息细胞达到兴奋阈值，电传导能够维持；图1-2-1D第2块骨牌（箭头所示）的能量将传递给并列的3张骨牌，传递有可能终止，这与已兴奋心肌过少或者下游静息的细胞过多，电传导不能维持类似。总之，源小库大则传导延缓甚至阻滞，源大库小则传导维持。

已兴奋心肌下游连接的心肌细胞数目以及其缝隙连接功能对于兴奋扩布至关重要。Rohr等分离乳鼠心室肌细胞制备条状细胞带与扇形细胞面相连接的体外模型（图1-2-2），应用动作电位光标测技术对此问题进行了简明的回答。电刺激条状细胞带的a端，光标测显示，电信号沿着条状细胞带长轴传递，终止于条状细胞带与扇形细胞面相连处，根本原因在于接头处待除极的扇形单层细胞数目多，源小库大不匹配，导致传导阻滞。同一模型，电刺激扇形细胞面侧b端，电传导顺利地传递到条状细胞带侧，此时源强库弱，传导维持。更有趣的现象发生在心肌细胞灌注缝隙连接解偶联剂5min后，电刺激条状细胞带侧a端，观察到电信号传导速度下降，但是原本受阻的电信号顺利通过阻滞区域而在扇形单层细胞内扩布，呈现矛盾性传导改善，其机制在于缝隙连接功能减低，传导下游负荷降低，电库减小，源-库失衡改善，电传导得以维持；灌注解偶联剂>10min，细胞间完全失偶联，电信号无法传导，再次出现前向传导阻滞，洗脱解偶联剂时上述现象次序逆转，出现传导改善，直至传导再次阻滞。

临床常用1.5倍阈值强度刺激心脏才能稳定夺获，诱发早搏，这表明需要一定数量的心肌细胞同步除极才可能产生可扩布的兴奋，但是究竟需要多少细胞也是一个电传导的最基本问题。Xie等应用计算机模拟对此进行了探讨，在缝隙连接功能正常的心肌组织，一维模型需要70～80个细胞同步除极，才能产生可扩布的兴奋；三维模型中则需要高达696 910～817 280个细胞，这大约相当于44mm3心肌组织同步除极才能在正常心脏组织产生一个早搏。根据电传导源-库匹配理论，一维空间里，兴奋细胞周围待除极的细胞少，而在三维空间里，待除极的细胞数目呈指数增长，相应所需要的产生电源能量的细胞数也呈指数增长。在缝隙连接功能减低的心肌组织，电源周围作为“库”的心肌细胞“合胞体”功能下降，因此在三维模型仅需要50 965～57 906个细胞同步除极，就可以产生一个早搏，这大约相当于3mm3的心肌组织。最近实验研究显示，最少需要700 000干细胞植入心室肌，才能够产生一个具有功能性的起搏异位点，这与前述计算机模拟的结果相符。

三、源-库理论与常见电生理现象

1.房室折返性心动过速

房室旁路是房室折返性心动过速（AVRT）发生的解剖学基础。心电图上右侧旁路Δ波明显，旁路同时存在前传和逆传；而左侧旁路Δ波一般不明显，旁路通常无前传功能，而逆传功能正常。房室旁路是条带状心肌细胞连接心房和心室，电信号双向性传导的主要障碍是两端所连接的心肌细胞的数量，即“库”，由于左室最厚，这就造成旁路电信号传向左室，更易于源-库不匹配，电传导减缓或者终止；而心房和右室较薄，因此右侧旁路的双向性传导以及左侧旁路的逆传功能，并不受影响。

慢传导性的房束旁路最常见的是Mahaim纤维，通常为特殊的长旁路连接心房和束支。此旁路无逆传功能，并且较为纤细脆弱，机械刺激即可阻断电传导功能。此种Mahaim纤维如直接插入心房肌或者心室肌，则源小库大，传导不能维持，因此Mahaim纤维插入已有的电传导网络—束支，则显著降低“库”。此外，Mahaim纤维与房室结细胞类似，细胞间缝隙连接功能偏弱，传导较慢，使“源”能够集中传递给下游较小的“库”，因此其慢传导的特性也是适应源—库匹配，维持电传导。

2.早搏起源

心脏结构正常的早搏起源多来源于心内膜或者心外膜，而深层心肌的早搏较为少见。中层心肌的动作电位较长，易于产生后除极，但是由于处于心肌深处，电信号呈现三维传递模式，“库”负荷过重。研究表明，产生可以扩布的兴奋，心外膜仅仅需要1300～1800个心肌细胞同步除极，而中层心肌需同步除极细胞数>700 000个。同理，与自律性或者触发机制相关的早搏多来自于心肌较薄处，如心室早搏多来源于右室流出道、动脉窦等部位；而房性早搏多来源于肺静脉肌袖、上腔静脉、心耳等部位。根据源—库匹配，这些部位产生的早搏，兴奋灶周围的细胞数目较少，“库”小，早搏更易于扩布。临床上常用儿茶酚胺刺激诱发早搏，其原理主要是使除极的细胞同步化，易于克服源-库不匹配，产生可扩布的局灶性心律失常。

3.浦肯野纤维相关心律失常

浦肯野纤维成网状分布于心内膜表面，快速传递窦房结发出的电信号于心室肌，确保心室肌的同步收缩。浦肯野纤维与心肌组织绝缘，仅在纤细的末端与心肌相连，这处易发生源-库不匹配，电信号传递延缓或者终止常常发生于浦肯野纤维与心肌连接处。即使部分电信号传递终止，由于浦肯野纤维成网状分布，并不会影响到心室肌的同步收缩功能。浦肯野纤维与心肌连接处的电信号传递终止，可造成单向传导阻滞，但由于浦肯野纤维的有效不应期长，电信号从已兴奋的心肌组织难以逆传入浦肯野纤维，因此不能形成折返性心律失常。如果某些部位的浦肯野纤维与心肌连接处的电传导过于延缓，而其他部位的浦肯野纤维电信号顺利下传心肌并脱离不应期，此部分传导延缓电信号下传心肌并逆传入浦肯野纤维，即可形成微折返机制的分支型特发性室速。

浦肯野纤维动作电位长，易于产生早后除极和晚后除极，浦肯野纤维网内的电传导基本上是一维模式，因此仅需90～160个浦肯野细胞同步除极，即可产生可扩布的电兴奋。临床实践中的确观察到长QT综合征和儿茶酚胺敏感性室速患者的早搏最易起源于浦肯野纤维网。

4.导管消融相关电生理现象

肺静脉内的触发灶是阵发性房颤发生的主要电生理机制，双侧环肺静脉消融是治疗心房颤动（房颤）的最基本手术方式。与线性消融双向传导阻滞的标准不同，环肺静脉消融成功的标准是窦性时肺静脉电位消失或分离，临床实践中基本上不采纳肺静脉内起搏验证传出阻滞。理论上这仅仅是单向的传入阻滞，因此仍存在触发性心律失常从肺静脉传递到心房的可能性。实际上，环肺静脉消融的位置位于肺静脉开口的前庭处，是较薄的肺静脉肌袖与较厚的心房肌连接处，依据源—库理论，如果较厚的心肌组织的电信号无法传递到较薄的心肌组织，较薄的心肌组织的电信号必然传递不到较厚的心肌组织。

环肺静脉消融线上的gap是房颤消融术后复发的主要因素。尽管术中验证了肺静脉电位消失或分离，但也可能是消融造成暂时性心肌损伤形成的电隔离现象。有研究表明，在肺静脉隔离后，应用腺苷诱发肺静脉和左心房之间的电传导，指导进一步gap的消融。消融后的心肌细胞受损，静息膜电位上抬，钠通道失活，腺苷促进心肌细胞超极化钾通道开放，使膜电位下降，钠通道功能恢复，激动传导“源”增强，易于克服gap处的源-库不匹配，使心房的电冲动通过gap传递进肺静脉。

5.异常心电图现象

胸前导联ST段抬高是Brugada综合征的主要心电图特征，与右室流出道（RVOT）的电生理异常相关。RVOT是非常薄的心肌组织，右边与右心室连接，左边与非常厚的室间隔以及左室相接；Brugada综合征的病理分子学基础是功能缺失性钠通道突变，这使得RVOT处的电冲动难以克服源—库不匹配，特别是朝室间隔方向的电冲动传导，这可能是Brugada综合征患者胸前导联ST段抬高原因。计算机模拟研究也证实，钠通道功能减低，RVOT的室早，向左室电传导阻断，电冲动传递方向是：右室—心尖—左室—室间隔—RVOT，易形成单形性室速。

慢频率依赖性房室传导阻滞（SD-AVB）一般为病理性。传统观点认为是束支或者浦肯野纤维的4相自动去极化，钠通道失活，心肌传导组织除极不足引起，故又称“4相阻滞”，但基础研究证实SD-AVB并不依赖于4相除极。SD-AVB一般发生于束支或浦肯野纤维已受损时，心率减慢，电冲动的下游心肌细胞的缝隙连接功能得到充分恢复，即下游细胞作为“合胞体”功能增强，此时电冲动更不易克服源-库不匹配，SD-AVB产生。

本文初步介绍了心脏电传导基本原理源-库理论以及用于解释一些常见的电生理现象。作为最基本的电生理理论，源-库理论已应用到基础和临床电生理的各个方面，如计算机虚拟心脏电生理、房颤“转子（Rotor）”学说和“转子”消融等。笔者希望本文能起到抛砖引玉的作用，促进国内业界对于“源-库理论”的认识，并应用到临床实践中。

（李梦梦　刘念）

参考文献

[1]Grant AO. Cardiac ion channels. Circ Arrhythm Electrophysiol，2009，2：185-194.

[2]Noorman M，van der Heyden MA，van Veen TA，et al. Cardiac cell-cell junctions in health and disease：Electrical versus mechanical coupling. J Mol Cell Cardiol，2009，47：23-31.

[3]Fast VG，Kleber AG. Cardiac tissue geometry as a determinant of unidirectional conduction block：assessment of microscopic excitation spread by optical mapping in patterned cell cultures and in a computer model. Cardiovasc Res，1995，29：697-707.

[4]Rohr S. Role of gap junctions in the propagation of the cardiac action potential. Cardiovasc Res，2004，62：309-322.

[5]Rohr S，Kucera JP，Fast VG，et al. Paradoxical improvement of impulse conduction in cardiac tissue by partial cellular uncoupling.Science，1997，275：841-844.

[6]Xie Y，Sato D，Garfinkel A，et al. So little source，so much sink：requirements for afterdepolarizations to propagate in tissue. Biophys J，2010，99：1408-1415.

[7]Plotnikov AN，Shlapakova I，Szabolcs MJ，et al. Xenografted adult human mesenchymal stem cells provide a platform for sustained biological pacemaker function in canine heart. Circulation，2007，116：706-713.

[8]Haissaguerre M，Cauchemez B，Marcus F，et al. Characteristics of the ventricular insertion sites of accessory pathways with anterograde decremental conduction properties. Circulation，1995，91：1077-1085.

[9]Zaglia T，Pianca N，Borile G，et al. Optogenetic determination of the myocardial requirements for extrasystoles by cell type-specific targeting of ChannelRhodopsin-2.Proc Natl Acad Sci U S A，2015，112：E4495-4504.

[10]Myles RC，Wang L，Kang C，et al. Local beta-adrenergic stimulation overcomes source-sink mismatch to generate focal arrhythmia.Circ Res，2012，110：1454-1464.

[11]Liu BR，Cherry EM. Image-based structural modeling of the cardiac purkinje network. Biomed Res Int，2015，2015：621034.

[12]Behradfar E，Nygren A，Vigmond EJ. The role of Purkinje-myocardial coupling during ventricular arrhythmia：a modeling study.PLoS One，2014，9：e88000.

[13]Berenfeld O，Jalife J. Purkinje-muscle reentry as a mechanism of polymorphic ventricular arrhythmias in a 3-dimensional model of the ventricles. Circ Res，1998，82：1063-1077.

[14]Cerrone M，Noujaim SF，Tolkacheva EG et al. Arrhythmogenic mechanisms in a mouse model of catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia. Circ Res，2007，101：1039-1048.

[15]Haissaguerre M，Extramiana F，Hocini M，et al. Mapping and ablation of ventricular fibrillation associated with long-QT and Brugada syndromes. Circulation，2003，108：925-928.

[16]Duytschaever M，De Meyer G，Acena M，et al. Lessons from dissociated pulmonary vein potentials：entry block implies exit block.Europace，2013，15：805-812.

[17]Spotnitz MD，Markowitz SM，Liu CF，et al. Mechanisms and clinical significance of adenosine-induced dormant accessory pathway conduction after catheter ablation. Circ Arrhythm Electrophysiol，2014，7：1136-1143.

[18]Ten Sande JN，Coronel R，Conrath CE，et al. ST-Segment Elevation and Fractionated Electrograms in Brugada Syndrome Patients Arise From the Same Structurally Abnormal Subepicardial RVOT Area but Have a Different Mechanism. Circ Arrhythm Electrophysiol，2015，8：1382-1392.

[19]Hoogendijk MG，Potse M，Linnenbank AC，et al. Mechanism of right precordial ST-segment elevation in structural heart disease：excitation failure by current-to-load mismatch. Heart Rhythm，2010，7：238-248.

[20]Park DS，Cerrone M，Morley G，et al. Genetically engineered SCN5A mutant pig hearts exhibit conduction defects and arrhythmias.J Clin Invest，2015，125：403-412.

[21]Boyle PM，Park CJ，Arevalo HJ，et al. Sodium current reduction unmasks a structure-dependent substrate for arrhythmogenesis in the normal ventricles. PLoS One，2014，9：e86947.

[22]El-Sherif N，Jalife J. Paroxysmal atrioventricular block：are phase 3 and phase 4 block mechanisms or misnomers? Heart Rhythm，2009，6：1514-1521.

[23]Jalife J，Antzelevitch C，Lamanna V，et al. Rate-dependent changes in excitability of depressed cardiac Purkinje fibers as a mechanism of intermittent bundle branch block. Circulation，1983，67：912-922.