Tim người là một hệ thống chuyên biệt bởi khả năng tự kích thích và co bóp lặp đi lặp lại theo nhịp gần 100,000 lần mỗi ngày hay 3 tỷ lần trong thời gian sống trung bình của con người. Khả năng ấn tượng này của tim được thực hiện bởi một hệ thống chuyên biệt mà có thể làm được những điều sau đây: (1) tạo ra các xung động điện để khởi động sự co bóp theo nhịp của cơ tim; và (2) dẫn truyền những xung động này một cách nhanh chóng qua tim. Khi hệ thống này hoạt động bình thường thì tâm nhĩ sẽ co khoảng 1/6 giây trước khi co tâm thất, điều này sẽ cho phép sự đổ đầy tâm thất trước khi tâm thất bơm máu qua các phổi và tuần hoàn ngoại vi. Một đặc điểm đặc biệt quan trọng khác của hệ thống là nó cho phép tất cả các phần của tâm thất co gần như đồng thời, điều này là cần thiết cho việc tạo ra áp suất hiệu quả nhất trong các buồng tâm thất.
Hệ thống dẫn truyền và hoạt động theo nhịp này của tim thì sẽ dễ bị tổn thương bởi bệnh tim, đặc biệt là bởi thiếu máu cục bộ do không đủ lưu lượng mạch vành. Tác động thường sẽ là một nhịp điệu tim “kỳ quái” hoặc một trình tự co bất thường của các buồng tim và hiệu quả bơm máu của tim có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng, thậm chí là đến mức độ gây tử vong.
Hình 1 cho thấy hệ thống có khả năng dẫn truyền và dễ bị kích thích của tim, giúp kiểm soát các sự co của tim. Hình 1 cũng cho thấy nút xoang, (còn gọi là nút xoang-nhĩ) mà trong nút xoang này thì các xung động theo nhịp bình thường sẽ được tạo ra; các đường dẫn truyền gian nút giúp dẫn truyền các xung động từ nút xoang đến nút nhĩ-thất; nút nhĩ-thất là nơi mà các xung động từ tâm nhĩ bị trì hoãn trước khi vào trong các tâm thất; bó nhĩ-thất, giúp dẫn truyền các xung động từ tâm nhĩ vào trong các tâm thất; và các nhánh bó trái và phải của các sợi Purkinje giúp dẫn truyền các xung động tim đến tất cả các phần của các tâm thất.
Nút xoang (nút xoang-nhĩ)
Nút xoang là một dải cơ tim đã biệt hóa có kích thước nhỏ, dẹt, hình ellipsoid, rộng khoảng 3mm, dài khoảng 15mm và dày khoảng 1 mm. Nó nằm ở trong phía trên thành sau-ngoài của tâm nhĩ phải, ngay bên dưới và hơi ngoài lỗ mở của tĩnh mạch chủ trên. Các sợi của nút này thì hầu như không có các vi sợi có khả năng co và chỉ có đường kính khoảng 3 đến 5 micrometers, nhỏ hơn nhiều so với các sợi cơ tâm nhĩ có đường kính từ 10 đến 15 micrometers ở xung quanh. Tuy nhiên, các sợi nút xoang sẽ kết nối một cách trực tiếp với các sợi cơ tâm nhĩ để bất cứ điện thế hoạt động nào bắt đầu ở nút xoang đều sẽ lan truyền ngay lập tức vào thành cơ tâm nhĩ.
Nhịp điện tự động của các sợi xoang
Một số sợi cơ tim có khả năng tự kích thích, một quá trình mà có thể gây ra các sự phóng điện và co cơ theo nhịp một cách tự động. Khả năng này thì hoàn toàn đúng đối với hệ thống dẫn truyền đã biệt hóa của tim, bao gồm các sợi của nút xoang. Vì lý do này, nút xoang thông thường sẽ kiểm soát tần số đập của toàn bộ tim và điều này sẽ được nói đến sau. Đầu tiên, hãy mô tả về nhịp tự động này.
Cơ chế của nhịp nút xoang
Hình 2 cho thấy các điện thế hoạt động được ghi lại từ bên trong một sợi nút xoang đối với 3 nhịp đập của tim và có sự so sánh với một điện thế hoạt động của sợi cơ tâm thất. Chú ý rằng điện thế màng nghỉ của sợi nút xoang giữa các lần phóng điện là khoảng -55 đến -60 millivolts so với -85 đến -90 millivolts của sợi cơ tâm thất. Nguyên nhân của sự giảm tính âm của điện thế là do các màng tế bào của các sợi nút xoang sẽ có sự rò rỉ đến với các ion natri và canxi, và các điện tích dương của các ion natri và canxi đi vào sẽ làm trung hòa bớt đi tính âm của điện thế nội bào.
Trước khi giải thích về tính nhịp điệu của các sợi nút xoang thì đầu tiên hãy nhớ lại rằng là cơ tim sẽ có 3 loại kênh ion màng chính, đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các sự thay đổi điện thế của điện thế hoạt động. Chúng là (1) các kênh natri nhanh, (2) các kênh canxi (cụ thể là loại L hay các kênh canxi chậm), và (3) các kênh kali (xem Hình 3).
Sự mở của các kênh natri nhanh trong khoảng vài phần mười ngàn giây sẽ chịu trách nhiệm cho đỉnh hướng lên nhanh của điện thế hoạt động, được quan sát thấy trong cơ tâm thất do dòng ion natri dương đi nhanh vào trong sợi cơ tâm thất. Sau đó, giai đoạn “cao nguyên” của điện thế hoạt động tâm thất được gây ra chủ yếu bởi sự mở chậm hơn của các kênh natri-canxi, kéo dài trong khoảng 0.3 giây. Cuối cùng, sự mở của các kênh kali cho phép sự khuếch tán của một lượng lớn ion kali tích điện dương ra khỏi màng sợi và đưa điện thế màng về mức điện thế nghỉ.
Tuy nhiên, có một sự khác biệt trong chức năng của những kênh này trong sợi nút xoang bởi vì điện thế nghỉ thì ít âm hơn nhiều – chỉ -55 millivolts trong sợi nút xoang thay vì là -90 millivolts trong sợi cơ tâm thất. Ở mức -55 millivolts này thì các kênh natri nhanh hầu như đã trở nên bất hoạt hay bị đóng. Điều này là bởi vì bất cứ khi nào điện thế màng tế bào ở mức ít âm hơn khoảng -55 millivolts trong thời gian trên vài mili giây thì các cổng bất hoạt ở bên trong của màng tế bào mà làm đóng các kênh natri nhanh sẽ được đóng lại. Vì thế, chỉ các kênh natri-canxi có thể mở ra và bằng cách đó gây ra điện thế hoạt động. Kết quả là, điện thế hoạt động của nút xoang sẽ chậm tiến triển hơn so với điện thế hoạt động của tâm thất. Ngoài ra, sau khi điện thế hoạt động diễn ra thì sự trở về trạng thái âm của điện thế hoạt động sẽ xảy ra một cách chậm chạp thay vì xảy ra một cách đột ngột như đối với các sợi tâm thất.
Sự rò rỉ của các sợi nút xoang đối với các ion natri và canxi gây ra sự tự kích thích
Do nồng độ ion natri cao trong dịch ngoại bào bên ngoài sợi nút xoang cũng như là một số lượng trung bình các kênh ion natri đã mở sẵn nên các ion natri mang điện tích dương từ bên ngoài các sợi nút xoang bình thường sẽ có xu hướng rò rỉ vào bên trong sợi nút xoang. Vì thế, giữa các nhịp đập của tim, dòng ion natri mang điện tích dương gây ra một sự tăng lên nhẹ trong điện thế màng nghỉ. Vì thế, như trong Hình 2, điện thế nghỉ dần dần tăng lên và trở nên ít âm hơn giữa mỗi hai nhịp đập của tim. Khi điện thế đạt đến một ngưỡng điện thế khoảng -40 millivolts thì các kênh canxi loại L sẽ được hoạt hóa, do đó, tạo ra điện thế hoạt động. Vì thế, về cơ bản, tính chất rò rỉ của các sợi nút xoang đối với các ion natri và canxi sẽ gây ra sự tự kích thích.
Tại sao sự rò rỉ đối với các ion natri và canxi này thì không làm cho các sợi nút xoang luôn ở trạng thái khử cực? Có hai sự kiện xảy ra trong suốt quá trình điện thế hoạt động giúp ngăn cản một trạng thái khử cực hằng định. Đầu tiên là các kênh canxi loại L trở nên bất hoạt (chúng đóng lại) trong khoảng 100 đến 150 milli giây sau khi mở; và thứ hai, gần như là đồng thời với sự đóng của kênh canxi là sự tăng lên mạnh của số lượng các kênh kali mở ra. Vì thế, sự đi vào của các ion natri và canxi mang điện tích dương qua các kênh canxi loại L ngừng lại, trong khi cùng lúc đó, một lượng lớn các ion kali mang điện tích dương khuếch tán ra khởi sợi nút xoang. Cả hai tác động này đều sẽ làm giảm điện thế nội bào về giá trị âm lúc nghỉ của nó và do đó, kết thúc luôn điện thế hoạt động. Hơn thế nữa, các kênh kali vẫn sẽ mở trong khoảng vài phần mười giây tiếp theo, điều này sẽ tạm thời làm cho các điện tích dương tiếp tục di chuyển ra khỏi tế bào, gây ra điện thế âm quá mức bên trong sợi nút xoang; quá trình này được gọi là “quá phân cực”. Trạng thái quá phân cực ban đầu sẽ đưa điện thế màng nghỉ xuống mức -55 đến -60 millivolts ở cuối điện thế hoạt động.
Tại sao trạng thái quá phân cực mới này không duy trì mãi mãi? Nguyên nhân là trong suốt vài phần mười giây tiếp theo sau khi điện thế hoạt động kết thúc thì ngày càng nhiều kênh kali đóng lại. Sự rò rỉ vào bên trong của các ion natri và canxi một lần nữa xảy ra và vượt qua dòng ion kali đi ra bên ngoài về mặt điện thế, điều này làm cho điện thế nghỉ tăng lên một lần nữa, cuối cùng đạt đến ngưỡng phóng điện ở một điện thế có giá trị khoảng -40 millivolts. Sau đó, toàn bộ quá trình bắt đầu lại một lần nữa: sự tự kích thích gây ra điện thế hoạt động, sự quá phân cực sau khi điện thế hoạt động kết thúc, sự dịch chuyển của điện thế nghỉ đến ngưỡng kích thích và cuối cùng là sự tái kích thích sợi nút xoang để khởi động một chu kỳ khác. Quá trình này sẽ tiếp tục trong suốt đời sống của một người.
Các đường dẫn truyền gian nút và gian nhĩ giúp truyền các xung động tim qua tâm nhĩ
Các đầu tận của các sợi nút xoang sẽ kết nối trực tiếp với các sợi cơ nhĩ xung quanh. Vì thế, các điện thế hoạt động bắt nguồn trong nút xoang sẽ đi ra ngoài để vào trong các sợi cơ tâm nhĩ này. Theo cách này, điện thế hoạt động sẽ lan truyền trong toàn bộ khối cơ tâm nhĩ và cuối cùng là đến nút nhĩ-thất. Tốc độ dẫn truyền trong hầu hết cơ tâm nhĩ là khoảng 0.3 m/s nhưng sự dẫn truyền sẽ nhanh hơn, khoảng 1 m/s, trong một số dải nhỏ của sợi tâm nhĩ. Một trong số các dải này được gọi là dải gian nhĩ trước (còn được gọi là bó Bachman’s), đi qua thành trước của tâm nhĩ đến nhĩ trái. Ngoài ra, 3 dải nhỏ khác cong qua thành trước, thành ngoài và thành sau của tâm nhĩ và tận cùng ở nút nhĩ-thất, được thể hiện trong Hình 1 và Hình 4; những dải này được gọi lần lượt là các đường dẫn truyền gian nút trước, giữa và sau. Nguyên nhân của sự dẫn truyền nhanh hơn trong các dải này là do sự xuất hiện của các sợi dẫn truyền được biệt hóa. Những sợi này thì tương tự thậm chí nhanh hơn so với các sợi Purkinjie dẫn truyền của tâm thất, sẽ được nói đến sau.
Nút nhĩ-thất trì hoãn sự dẫn truyền xung động từ các tâm nhĩ đến các tâm thất
Hệ thống dẫn truyền của tâm nhĩ được tổ chức sao cho xung động của tim không đi từ các tâm nhĩ vào trong các tâm thất quá nhanh; sự trì hoãn này cho phép có thời gian để các tâm nhĩ tống máu bên trong nó vào trong các tâm thất trước khi sự co tâm thất bắt đầu. Chủ yếu là nút nhĩ-thất và các sợi dẫn truyền lân cận của nó giúp trì hoãn sự dẫn truyền xung động vào trong các tâm thất.
Nút nhĩ-thất thì nằm ở trong thành sau của nhĩ phải, ngay sau van ba lá, như trong Hình 1. Sơ đồ trong Hình 4 cho thấy các phần khác nhau của nút này cùng với sự kết nối của nó với các sợi của đường dẫn truyền gian nút đi vào và bó nhĩ-thất đi ra. Hình này cũng cho thấy các khoảng thời gian gần đúng giữa sự khởi phát ban đầu của xung động tim trong nút xoang và sự hiện diện kế tiếp của xung động trong hệ thống nút nhĩ-thất. Chú ý rằng xung động sau khi đi qua các đường dẫn truyền gian nút, đến nút nhĩ-thất khoảng 0.03 giây sau khi bắt đầu xung động trong nút xoang nhĩ. Sau đó, có một sự trì hoãn trong khoảng 0.09 giây tiếp theo trong chính nút nhĩ-thất trước khi xung động đi vào trong phần đâm xuyên của bó nhĩ-thất, nơi mà nó đi vào trong các tâm thất. Một sự trì hoãn cuối cùng trong khoảng 0.04 giây nữa xảy ra chủ yếu trong phần đâm xuyên của bó nhĩ-thất này, phần đâm xuyên này bao gồm nhiều bó nhỏ đi qua mô sợi phân tách giữa các tâm nhĩ với các tâm thất.
Vì vậy, tổng thời gian trì hoãn trong hệ thống nút nhĩ-thất và bó nhĩ-thất là khoảng 0.13 giây. Sự trì hoãn này cộng với sự trì hoãn dẫn truyền ban đầu là khoảng 0.03 giây từ nút xoang đến nút nhĩ-thất, tổng cộng là 0.16 giây trước khi tín hiệu kích thích đi đến các cơ tâm thất.
Nguyên nhân của sự dẫn truyền chậm
Sự dẫn truyền chậm của trong các sợi chuyển tiếp, các sợi nút và các sợi của phần đâm xuyên của bó nhĩ-thất được gây ra chủ yếu bởi sự giảm số lượng các liên kết khe giữa các tế bào kế tiếp trong các con đường dẫn truyền, vì thế, có một sự cản trở lớn đối với sự dẫn truyền của các ion gây ra kích thích từ một sợi dẫn truyền đến sợi dẫn truyền tiếp theo. Vì thế, dễ dàng thấy rằng tại sao mỗi tế bào kế tiếp sẽ chậm bị kích thích.
Sự lan truyền nhanh của xung động tim trong hệ thống Purkinje của tâm thất
Các sợi Purkinje chuyên biệt đi từ nút nhĩ-thất qua bó nhĩ-thất vào trong các tâm thất. Trừ phần đầu của những sợi này (nơi mà chúng đâm xuyên qua lớp sợi nhĩ-thất) các sợi Purkinje có các đặc điểm chức năng ngược lại với các sợi của nút nhĩ-thất. Chúng là các sợi rất lớn, thậm chí còn lớn hơn so với các sợi cơ tâm thất bình thường và chúng sẽ lan truyền các điện thế hoạt động ở tốc độ khoảng 1.5 đến 4.0 m/s, một tốc độ gấp khoảng 6 lần so với trong cơ thất bình thường và gấp khoảng 150 lần so với trong các sợi nút nhĩ-thất . Tốc độ này cho phép sự lan truyền xung động tim gần như là tức thời qua toàn bộ phần còn lại của cơ tâm thất.
Sự lan truyền nhanh của các điện thế hoạt động bởi các sợi Purkinje được cho là gây ra bởi tính thấm rất cao của các liên kết khe ở các vạch bậc thang giữa các tế bào kế cận mà giúp hình thành nên các sợi Purkinje. Vì thế, các ion được lan truyền một cách dễ dàng từ một tế bào sang tế bào khác, do đó làm tăng cường tốc độ lan truyền. Các sợi Purkinje cũng có rất ít các tơ cơ, có nghĩa là chúng co ít hoặc không co trong suốt quá trình lan truyền xung động.
Bó nhĩ-thất bình thường là một con đường dẫn truyền một chiều
Một đặc điểm đặc biệt của bó nhĩ-thất là sự bất hoạt (trừ trong các trạng thái bất thường) của các điện thế hoạt động đi ngược từ các tâm thất đến các tâm nhĩ. Đặc điểm này ngăn cản sự vào lại của các xung động tim bởi con đường từ các tâm thất đến các tâm nhĩ và chỉ cho phép sự dẫn truyền đi từ các tâm nhĩ đến các tâm thất.
Hơn thế nữa, một điều mà các bạn nên nhớ là ở tất cả mọi nơi, trừ bó nhĩ-thất thì cơ tâm nhĩ sẽ được phân tách khỏi cơ tâm thất bởi một hàng rào sợi liên tục, một phần trong đó được thể hiện trong Hình 4. Hàng rào này bình thường sẽ đóng vai trò như là một điện trở giúp ngăn cản đường đi của xung động tim giữa cơ tâm nhĩ và cơ tâm thất thông qua bất cứ chặng nào khác ngoài sự dẫn truyền từ nhĩ đến thất qua bó nhĩ-thất. Trong các trường hợp hiếm, một cầu nối cơ bất thường hay đường dẫn truyền phụ thì sẽ xuyên qua hàng rào sợi xơ ở bất cứ đâu khác ngoài vị trí của bó nhĩ-thất. Dưới những tình trạng này, xung động tim có thể vào lại các tâm nhĩ từ các tâm thất và gây ra các rối loạn nhịp tim nghiêm trọng.
Sự phân bố của các sợi Purkinje trong các tâm thất – các nhánh bó trái và phải
Sau khi đâm xuyên qua mô sợi giữa cơ tâm nhĩ và cơ tâm thất thì phần xa của bó nhĩ thất sẽ đi xuống dưới trong vách tâm thất cách đỉnh tim khoảng khoảng 5 đến 10 mm, như trong Hình 1 và Hình 4. Sau đó, bó sẽ chia thành các nhánh bó trái và phải nằm bên dưới nội tâm mạc tương ứng ở 2 bên của vách tâm thất, rồi dần dần sẽ chia thành các nhánh nhỏ hơn. Những nhánh này cuối cùng sẽ đi sang bên, bao quanh mỗi buồng tâm thất và quay lại về phía đáy tim. Các đầu tận cùng của các sợi Purkinje sẽ đâm xuyên trên khoảng 1/3 chặng đi vào trong khối cơ và cuối cùng trở nên liên tục với các sợi cơ tim.
Tổng thời gian tiêu tốn trung bình chỉ khoảng 0.03 giây từ thời điểm mà xung động tim đi vào các nhánh bó trong vách tâm thất cho đến khi nó đến các đầu tận cùng của các sợi Purkinje. Vì thế, một khi xung động tim đi vào hệ thống dẫn truyền Purkinje của tâm thất thì gần như nó sẽ lan truyền trong toàn bộ khối cơ tâm thất ngay lập tức.
Sự lan truyền xung động tim trong cơ tâm thất
Một khi xung động đến đầu tận của các sợi Purkinje thì nó sẽ truyền qua khối cơ tâm thất bởi chính các sợi cơ tâm thất. Tốc độ lan truyền tín hiệu lúc này chỉ vào khoảng 0.3 đến 0.5 m/s, tức là bằng khoảng 1/6 tốc độ truyền xung động trong các sợi Purkinje.
Cơ tim bao quanh tim theo kiểu xoắn ốc kép với vách sợi giữa các lớp xoắn; vì thế, xung động tim tất yếu sẽ không đi trực tiếp ra ngoài về phía bề mặt tim mà thay vào đó, nó sẽ tạo góc về phía bề mặt tim dọc theo các hướng xoắn ốc. Do sự tạo góc này mà sự lan truyền xung động từ mặt nội tâm mạc đến mặt thượng tâm mạc của tâm thất cần khoảng 0.03 giây, gần bằng thời gian cần cho sự lan truyền xung động qua toàn bộ phần tâm thất của hệ thống Purkinje. Vì thế, tổng thời gian cần cho sự lan truyền xung động tim từ các nhánh bó ban đầu đến sợi cơ tâm thất cuối cùng trong tim bình thường là khoảng 0.06s.
Tóm tắt sự lan truyền của xung động trong tim
Hình 5 tổng hợp sự lan truyền của xung động tim qua tim người. Các con số trên hình đại diện cho các khoảng thời gian tiêu tốn giữa điểm khởi đầu của xung động tim trong nút xoang và sự xuất hiện của xung động ở mỗi điểm tương ứng trong tim. Chú ý rằng là xung động lan truyền ở tốc độ trung bình qua các tâm nhĩ nhưng bị trì hoãn hơn 0.1 giây trong nút nhĩ-thất trước khi xuất hiện trong bó nhĩ-thất của vách tâm thất. Một khi xung động đi vào trong bó nhĩ-thất thì nó sẽ lan truyền rất nhanh trong các sợi Purkinje để đến toàn bộ bề mặt nội tâm mạc của các tâm thất. Sau đó, xung động một lần nữa lan truyền hơi chậm hơn qua cơ tâm thất đến các mặt thượng tâm mạc.
Sẽ rất quan trọng đối với các sinh viên y khoa trong việc học chi tiết đường đi của xung động tim qua tim và các thời gian xuất hiện chính xác của xung động trong mỗi phần riêng rẽ của tim. Một sự hiểu biết kỹ lưỡng về quá trình này sẽ là điều cần thiết để hiểu về điện tâm đồ, điều này sẽ được nói đến trong các bài viết sau này.
Cảm ơn các bạn đã theo dõi bài viết. Hẹn gặp lại các bạn trong các bài viết tiếp theo nhé !!!
