心脏起搏细胞利用随机共振避免窦性停搏

背景：窦房结（SAN）是心脏的主要起搏器。近期高分辨率成像显示，从窦房结传出的同步动作电位（AP）源于异质性信号，包括非放电（静息）细胞中的阈下信号。这在心脏生物学中提出了一个新问题：这些信号如何有助于心跳的产生？在此，我们检验了起搏细胞利用随机共振确保故障安全运行的假设，尤其是在接近窦性停搏的低频率下。方法：使用穿孔膜片钳记录暴露于正弦波或白噪声电流的兔窦房结细胞中的膜电位和钙信号。此外，我们对完整小鼠窦房结组织中的钙信号进行了成像，并在亚细胞、细胞和组织水平进行了多尺度模型模拟。结果：除了同步钙瞬变，窦房结组织还表现出不同动力学的异质性局部钙信号。模拟异质性自然细胞环境的噪声电流恢复了静息细胞中的动作电位发放，并显著改善了那些发放不频繁和不规则细胞的频率和节律性。性能呈钟形曲线，先升高后降低，证明了随机共振的典型特征。对不同频率正弦波电流的节律性动作电位生成定义了窦房结细胞中的共振谱，反映了它们通过随机共振响应嵌入噪声中的特定频率分量的能力。胆碱能刺激在所有测试幅度下将共振谱和噪声响应向较低频率移动，使细胞对高频信号无反应，同时能够更有效地处理较慢的信号。数值模型和膜电位与钙动力学同步记录均表明，随机共振通过耦合的电和钙信号增强，从而在低噪声水平下增强动作电位的生成。向细胞和组织数值模型添加噪声电流使得在原本会停止放电的条件下也能放电。结论：窦房结细胞利用由耦合的膜-钙信号放大的随机共振来确保节律性心跳的启动，尤其是在低频率下。这种新的信号机制可能有助于在心脏减慢且生物噪声增加时（例如副交感神经刺激、缓慢性心律失常或衰老期间）避免窦性停搏。