整体窦房结组织的锁频行为研究

Sinoatrial node (SAN) is the pacemaker of heart, which determines the heart rhythm. The rhythm resulted from the interactions between the SAN oscillation and external stimulations is called phase-locking behavior. Investigations of phase-locking behaviors of SAN system is significant for interpretations and treatments of arrythmias. Exploring SAN phase-locking behaviors via physical view point is an enlighting idea. In previous studies, researches mainly focused on behaviors of a single cell or a homogeneous piece of tissue, and the stimulus was usually in form of pulse. However, the integral SAN tissue is heterogeneous and linked with atrium, so that it will appear self-organized spatiotemporal patterns. Meanwhile, the physiological parameters and stimulating forms are variable. The above factors were not sufficiently considered in the previous works. Based on this motivation, we investigate phase-locking behaviors of SAN by the heterogeneous SAN tissue model, which includes the following four aspects: (1) The influences of physiological parameters of SAN cell on phase-locking structures; (2) The effect of the pectinate muscle connecting atrium and SAN tissue on phase-locking behaviors; (3) The influences of the stimulation forms, and the development of phase resetting theory satifying different stimulation forms; (4) A preliminary establishment of analytical explanation for phase-locking characteristics. These results may provide theoretical help for medical care.

窦房结组织是心脏活动的起搏点，决定着心脏跳动的基本节律。窦房结与外界刺激相互作用下呈现的节律，称为锁频。研究窦房结组织的锁频行为，对理解和治疗心律失常有重要意义。以物理学观点研究窦房结锁频问题是有启发意义的交叉学科路线。在以往对窦房结锁频的研究中，研究对象集中在单细胞或均匀组织片上，并通常以周期脉冲的形式刺激细胞。实际的整体窦房结组织具有空间不均匀性，且与心房相连，会产生时空自组织效应，同时细胞的生理参数、刺激细胞的形式也处于可变状态，这些因素对锁频行为的影响尚未被充分考虑。基于上述动机，我们采用不均匀性的窦房结组织模型进行研究，包含以下四个方面内容：(1)细胞离子参数对锁频结构的影响；（2）心房伸入窦房结组织的梳状连接对锁频行为的影响；(3)刺激信号的效果，并尽可能发展相位重置理论以解释锁频行为；(4)初步尝试用解析理论解释锁频特性。这些研究结果可能为医学治疗提供理论帮助。

心脏是动物生命活动中血液循环的中心器官，它通过一系列的生理、化学和物理过程完成节律性活动，因此从物理学动力学角度研究心肌系统节律问题是有效和新颖的方向，目前这一交叉学科正在蓬勃开展。本项目关注窦房结的振荡频率问题。窦房结是心肌活动的起搏点，决定着基本心率。在以往对窦房结的研究中，一般采用单个细胞或近似均匀的组织，而在理论上采用过于简单的圆映射模型，从而实际窦房结系统丰富的动力学行为未能充分揭示。在本项目研究中我们采用实际窦房结离子电流模型，并在不均匀窦房结细胞以及心房肌耦合环境下研究窦房结的振荡锁频问题，这是近年来对窦房结锁频问题的较全面和实际的研究，具有良好的理论价值和应用价值。我们的主要研究内容和成果如下：（1）发现和解释了整体不均匀窦房结组织在心房肌耦合环境下的锁频行为新特点。我们发现与窦房结周边区相连的心房肌束会增加窦房结锁频的1:1区而不改变其他锁频区间，这一结果可能解释心率的稳定性，同时我们给出了该结果的理论解释和解析结果。（2）从解析理论角度解释和预测了窦房结相位重置、锁频结构的Anold舌头、耦合强度对锁频区间的改变等基础问题。在该工作中我们用傅里叶级数展开的方法对窦房结的锁频基本问题给予了解析的解释，从数理角度揭示了窦房结锁频特点的根源。（3）分析了刺激波形对心肌系统锁频行为的影响。这一工作在心室系统的双稳行为中研究，揭示了不同刺激信号对心肌系统动力学的影响，并进行了解析分析，从而为实际控制心率提供了更实际的限制。本项目从整体性和不均匀性的角度研究窦房结问题，其研究结果更接近真实的在体窦房结系统行为，从而能为实际应用提出更有效的参考意见，另外，我们的理论能为非线性动力学的基本理论研究带来新的思想，从而丰富了非线性动力学理论，并在生物物理交叉学科领域提供了又一研究范例。