第十六章心脏功能要素：修订间差异

2025年12月11日 (四) 12:44的最新版本

学习目标

完成本章学习后，学生应能回答以下问题：

动作电位如何影响心肌的兴奋性与收缩性？
什么是automaticity？其与兴奋性有何区别？这些特性的紊乱如何导致心律失常？
心电图的结构基础是什么？
前负荷（preload）和后负荷（afterload）的定义及其对心脏收缩的调节机制？
心脏E-C偶联的局部调控理论是什么？
心动周期中心房与心室的压力和容积如何变化？这些变化与心电图的时间关系如何？
舒张末期容积与左心室发展压的关系如何定义Frank-Starling定律并调节心脏收缩力？
左心室压力-容积环的定义及其反映左心室功能变化的机制？
心脏代谢如何与氧耗量相关联？这些过程如何受心脏做功变化的影响？

心脏功能概述

人类心脏在平均寿命期间通常跳动超过30亿次，完成极其惊人的机械工作量。实现这一任务的关键在于能够调节搏动频率、收缩强度和舒张速率。血液有效射入动脉需要心室电激活与收缩的精确时序，这由特化的起搏组织和传导系统提供。构成E-C（E-C）耦联的细胞过程会引起心肌细胞胞质[Ca++]的变化，从而激活收缩蛋白（肌动蛋白、肌球蛋白）。E-C耦联过程受激素和自主神经系统调控。心脏输出也受全身血管系统状态的影响，如总外周血管阻力和静脉容量。最后，心脏对持续且大量代谢能量的需求，与其高度依赖可用代谢底物的氧化磷酸化密切相关。

心脏的电生理特性

与神经元类似，心肌细胞是可产生动作电位的可兴奋细胞。然而，心脏的主要功能是通过循环系统泵送血液。为了实现这一功能，必须在一定时间间隔内发生有序的事件序列。这一过程通过动作电位的启动及其在整个心脏中的传导而完成。心脏动作电位的重要性不仅在于它是通过E-C（E-C）耦联过程触发单个心肌细胞收缩的启动信号，还因为它在细胞间传导时能同步整个心脏的收缩。此外，尽管心脏具有内在自动性（intrinsiCautomaticity），但其活动始终受到内在和外在机制的调控，以满足机体需求。因此，改变心脏的电生理特性是调控心脏功能的重要手段。本节将描述心脏细胞和组织的电生理特性，并讨论这些特性如何形成心电图（ electrocardiogram，ECG）。心脏细胞电活动与机械活动的耦联将在后续章节中探讨。

心脏动作电位

**图16.1** 典型（A）快反应（心室肌）和（B）慢反应（窦房结）动作电位示例。动作电位各时期已标注（详见正文）。注：与快反应细胞相比，慢反应细胞的动作电位升支（0期）斜率较小、幅度较低、无初期复极（1期）或平台期（2期），且舒张期膜电位（4期）负值较小。

人类心脏含有数十亿心肌细胞，尽管所有心肌细胞都能产生动作电位，但并非所有动作电位都相同。动作电位的实际形态与其所在心肌细胞的功能角色相关。一般而言，心肌细胞可分为表现快反应（fast-response）或慢反应（slow-response）动作电位两类（图16.1）。

**图16.2** 单个心室肌细胞跨膜电位变化（上迹线）与细胞缩短（下迹线）的时间关系。膜电位0 mV值以"*0"标示。（引自Pappano A.未发表记录，1995年。）

快反应动作电位存在于构成心脏收缩细胞主体的心房肌细胞和心室肌细胞中。此类动作电位也存在于构成浦肯野纤维的肌细胞中，这些纤维是负责将电冲动快速传导至心室心肌各区域的特殊传导系统的组成部分。快反应动作电位可分为五个时期：上升支（upstroke，0期）、初期复极（1期）、平台期（2期）、终末复极（3期）和静息膜电位（4期）。这些动作电位具有其他几个关键特征：第一，正如其名所示，在升支阶段（0期）表现出膜电位的快速变化，这有利于冲动在细胞间的快速传导。这些动作电位还具有显著的平台期（2期），赋予其特征性的长的持续时间（200-400 ms）。另一个重要的特性是在心脏舒张期（4期，即心脏处于松弛或静息状态时），膜电位保持较高负值（约-90 mV）。心室肌细胞快反应动作电位与收缩的关系如图16.2所示。快速去极化（0期）先于细胞缩短发生，复极完成恰好在缩短达峰之前。肌肉松弛主要发生在动作电位的4期。收缩持续时间通常与动作电位持续时间平行。

慢反应动作电位存在于构成心脏正常起搏区——窦房结（SA node）和负责将电冲动从心房传导至心室的特殊组织——房室结（AV node）的肌细胞中。这些动作电位仅包含三个时期：升支（0期）、终末复极（3期）和舒张期（4期）。其关键特征是升支速度缓慢（0期）。

膜电位的离子基础

心肌细胞的实际膜电位与其他可兴奋细胞一样，是离子在质膜两侧不均等分布的结果。对心肌细胞膜电位起主要决定作用的离子包括K+、Na+和Ca++，这些离子的典型胞内和胞外浓度列于表16.1。尽管每种离子的浓度梯度都很大，但这并不能独自决定它们是否会跨膜扩散并参与动作电位的形成。由于带电特性，离子的运动还受到细胞膜电位(V_M)的影响。能够抵消或平衡某离子浓度梯度的电位差称为该离子的平衡电位（equilibrium potential，E_ion），其值可通过第一章所述的Nernst方程计算。典型心肌细胞中K+、Na+和Ca++的平衡电位见表16.1。因此，任何离子跨质膜移动的潜力取决于膜电位与该离子平衡电位之间的差值(V_M-E_ion)，这被称为电化学梯度或驱动力。

即使存在显著的驱动力，离子也必须有跨膜途径才能影响细胞膜电位。离子无法自行自由扩散通过细胞的脂质膜。这一过程依赖于离子通道的存在——这些膜蛋白形成水性孔道，为被动运输提供路径。最终，任何离子对膜电位的实际贡献取决于膜对该离子的相对通透性或电导率，如弦电导方程（第二章讨论）所示：

该关系式表明：任一离子对膜电位（membrane potential）的贡献程度由两个因素决定：一是该离子在膜电导中的相对占比（即该离子电导g_ion与总膜电导g_M的比值），二是该离子的平衡电位。简言之，V_M本质上是膜通透各离子平衡电位的加权平均值，其中各离子的权重系数即为其在总膜电导中所占比例。由此得出的核心结论是：V_M会向膜电导占比最大的那个离子的平衡电位方向移动。

通过一个简单示例可以说明该原理：若膜仅对某种单一离子具有通透性（gion/gM=1），则膜电位将趋近于该离子的平衡电位。这与心室肌细胞静息期（phase 4）的情况非常相似——此时的膜电导主要由K+主导（gK/gM≈1），而膜对Na+和Ca++的通透性极低。因此，心室肌细胞的静息膜电位呈现高度负值，因为其值非常接近K+的平衡电位(EK)。

然而在动作电位上升支（phase 0）期间，这种情况发生逆转：膜对Na+的电导增加，而对K+的电导降低。结果导致膜电位发生去极化，逐渐偏离EK并趋近于Na+的平衡电位(ENa)。基于这一基本原理，只要明确细胞膜上存在的离子通道类型及其门控（gating）的机制（即控制通道开放与关闭的因素），就能完整解释动作电位的离子基础。

大多数心脏离子通道都是电压依赖性的，这意味着它们的门控过程会受到膜电位变化的影响（图16.3）。激活(activation)是通道从静息（关闭）状态转变为激活（开放）状态所经历的门控过程。当通道开放时，膜对可通透离子的电导率将影响膜电位。通道可通过两种主要机制返回静息关闭状态：第一种是通过去激活(deactivation)过程逆转激活过程；第二种是通过失活(inactivation)过程。处于失活状态的通道是关闭的，因此不会影响膜电位。然而，失活通道除非通过从失活中恢复(recovery from inactivation)的过程首先返回静息状态，否则不能被重新激活或再次开放。所有这些步骤都具有电压依赖性。

理解心脏动作电位的离子基础，关键在于区分哪些通道通过激活和去激活过程实现开放和关闭（如内向整流器和延迟整流器K+通道），以及哪些通道通过激活、失活和从失活恢复的过程实现开放和关闭（如Na+、Ca++和瞬时外向K+通道）。

快反应（心室）动作电位上升支（0相）

• 图16.4 参与快反应（心室）动作电位的传导机制。0相：快速上升支由电压依赖性钠通道激活产生的钠电流（INa）引发的钠电导急剧增加所导致。1相：初始复极化期间钠通道关闭，由瞬时外向钾电流（Ito）通道引起的钾电导短暂增加。2相：平台期由L型钙通道激活产生的钙电流（ICa,L）引发的钙电导增加所导致。同时通过快速延迟整流钾电流（IKr）和慢速延迟整流钾电流（IKs）通道激活，钾电导逐渐增加。3相：钙通道关闭，钾电导持续增加（初期通过IKr和IKs通道，后期通过内向整流钾电流（IK1）通道）。4相：静息膜电位由IK1通道维持的高静息钾电导所决定。详见正文。

心室动作电位的上升支通常由相邻细胞传导的电脉冲引发膜去极化启动。这会激活电压依赖性钠通道。当足够数量的通道开放时，钠电导（g_Na）（图16.4）的增加会使膜电位向E_Na移动，导致进一步去极化。这反过来又会激活更多钠通道，促使钠电导进一步增加，膜电位更快地向ENa移动。这种正反馈机制，加上钠通道对膜电位变化的极快响应特性，共同解释了心室动作电位上升支的快速去极化过程。然而，这些钠通道在开放后会通过失活迅速关闭，且必须待膜复极化后从失活状态恢复才能再次激活。需要注意的是：钠通道的激活和失活均由膜去极化引发，且两个过程都极为迅速——激活过程在微秒级时间尺度完成，失活过程则在毫秒级时间尺度完成。

细胞层面

• 图16.5 使用膜片钳技术在心肌细胞记录到的两个独立Na+通道电流（单位：皮安[pA]）。膜电压最初保持在-85mV，随后突然改变为-45mV（箭头指示时间点）并维持至记录结束。

通过膜片钳技术可以测量单个膜通道传导的离子电流。通道的开放和关闭往往以看似随机的方式反复进行。图16.5展示了这一过程，图中显示了心肌细胞中流经Na+通道的电流。在此实验中，膜电位最初被"钳制"在静息状态下的-85mV。箭头指示时间点时，电位突然被改变为-45mV以激活这些通道，并在记录剩余时间内保持该电位。膜去极化后立即有一个通道开放（幅度1.5pA），随后第二个通道开放（两个通道总电流3 pA）。这些通道随后多次开放和关闭，最终进入失活状态并保持关闭。

**图16.6** 参与快反应（心室）动作电位的离子电流分子基础。去极化内向电流（红色）包括电压依赖性Na+电流(I_Na)和L型Ca++电流(I_Ca,L)。复极化外向电流（蓝色）包括瞬时外向K+电流(I_to,1和I_to,2)、快速和慢速延迟整流K+电流(I_Kr和I_Ks)，以及内向整流K+电流(I_K1)。注：Na/Ca交换体产生的电流(I_NCX)既可为去极化的，也可为复极化的。图中列出了这些电流相关的克隆体及基因。

**图16.7** 心室肌细胞在不同膜电位下记录的内向整流K+电流曲线。纵轴负值表示内向电流，正值表示外向电流。当膜电位(V_M)比K+平衡电位(E_K)更负时表现为内向电流，当V_M比EK更正时表现为外向电流。曲线与x轴的交点为反转电位（空心圆）。注意心室动作电位4期的VM与该电流的反转电位重合。

动作电位上升支期间的膜去极化还会导致背景K+电导降低。这种显著的静息K+电导源于特定类型的K+通道活动，即产生内向整流钾电流(I_K1)的通道（图16.6）。"内向整流"这一术语指这些电压依赖性离子通道会在膜电位更负时被激活的特性（图16.7）。因此，当膜电位比Ek更负时，由于内向驱动力，它们可以产生由K+携带的内向电流。而当膜电位比Ek更正时，虽然驱动力会促使K+外流，但由于通道通过类似失活的过程关闭，实际电流非常小。这种特性通过降低gK促进上升支期间的去极化，使膜电位偏离Ek。这些通道的特殊之处在于其门控机制源于细胞内Mg++和带正电荷的多胺对通道孔的阻断与解除阻断，这与其他通道通过通道蛋白固有的门控机制实现电压依赖性不同。

初始复极化（Phase 1）

在动作电位达到峰值后，会出现一个短暂的有限复极化阶段，导致升支与平台期起始之间形成切迹（见图16.1）。这种现象部分是由于负责升支的Na+通道发生电压依赖性失活，导致gNa（钠电导）快速下降所促成的。初始复极化阶段的显著程度存在较大差异。在切迹最明显的细胞中，该现象主要由K+通道的电压依赖性激活及随后的失活所导致的gK（钾电导）瞬时增加引起，这些通道会产生瞬时外向电流(I_to)。该电流至少包含两个组分，分别由产生I_to,1和I_to,2的K+通道传导（图16.6）。

平台期（Phase 2）

快反应细胞的膜在初始复极化后不会立即恢复静息电位，这是因为升支期间发生的去极化同时引起钙离子电导（g_Ca）增加（图6.4）。在心室肌细胞中，这种现象是由于激活了产生L型钙电流（I_Ca,L）（图16.6）的通道，该电流通过将膜电位推向E_Ca而使细胞去极化。这些通道的电压依赖性行为与产生升支的钠通道相似：它们由膜去极化激活，开放后发生失活。但存在两个重要差异：首先，这些钙通道需要更强的去极化才能激活；其次，它们对膜电位变化的反应更缓慢——激活过程需要1毫秒，失活过程则需数十至数百毫秒。随着I_Ca,L通道激活而发生的钙内流，还通过"E-C耦联"部分（另见第13章）所述的机制触发心肌细胞收缩。这些通道缓慢失活导致的g_Ca长时间升高，是维持平台期膜去极化的主要机制。

在细胞水平

自主神经系统部分通过调节L型Ca++通道活性来调控心脏收缩力。交感神经递质去甲肾上腺素通过刺激心肌细胞质膜中的β-肾上腺素能受体发挥作用。这种相互作用会激活膜结合酶腺苷酸环化酶，进而促进环磷酸腺苷（cAMP；参见第13章）的生成。cAMP水平的升高激活蛋白激酶A，后者通过磷酸化依赖的方式增强通道活性，促进Ca++内流。相反，副交感神经递质乙酰胆碱可通过作用于毒蕈碱受体来抑制腺苷酸环化酶产生cAMP，从而拮抗这一效应。

临床视角

• 图16.8 钙通道拮抗剂地尔硫卓对离体乳头肌动作电位（以毫伏[mV]为单位）和等长收缩力（以毫牛[mN]为单位）的影响。记录轨迹分别为对照条件（C）及3、10和30μmol/L地尔硫卓浓度下的表现。

钙通道拮抗剂如维拉帕米verapamil、氨氯地平amlodipine和地尔硫卓diltiazem是能阻断L型Ca++通道的药物。这些化合物可抑制Ca++进入心肌细胞。这可能导致心室动作电位时程缩短以及收缩力减弱（参见图16.8）。阻断这些通道还可降低窦房结动作电位发放频率，并减缓冲动在房室结的传导速度。钙通道拮抗剂还可抑制血管平滑肌收缩，从而引起全身性血管舒张。如第17章所述，这种血管阻力降低会减少阻碍血液从心室射入动脉系统的反向力（后负荷）。因此，钙通道拮抗剂等血管舒张药物常被称为减后负荷药物。

尽管在去极化膜电位时K+的驱动力显著，但在平台期大部分时间内g_K（钾电导）仍然很低。这是因为在4期开放的I_K1通道在0期时失活，而在1期激活的大部分I_to通道已进入失活状态。这解释了心室动作电位2期时膜电位为何维持在E_Ca（钙平衡电位）和E_k（钾平衡电位）之间。g_K的降低减少了维持去极化所需流入细胞的Ca++量，同时也减少了平台期可能外流的K+量。这两种效应都降低了通过主动转运机制维持这些离子梯度所需的能量。

终末复极化（3期）

当膜的Ca++电导与K+电导之间的平衡重新向gK倾斜时（图16.4），快反应动作电位的平台期结束并进入终末复极化阶段。L型Ca++通道的电压依赖性和时间依赖性失活导致g_Ca（钙电导）下降。同时，产生延迟整流钾电流的通道因电压依赖性和时间依赖性激活，使得g_K增加。这些K+通道在膜去极化至类似激活Ca++通道的电位时被激活。但关键区别在于，延迟整流K+通道的激活非常缓慢（如其名所示），甚至比Ca++通道更慢。因此，这些通道开放引起的g_K增加直到2期结束时才变得显著。

心室肌细胞中最主要的两种延迟整流K+通道分别产生快速激活延迟整流钾电流（I_Kr）和缓慢激活延迟整流钾电流（I_Ks）（图16.6）。两者共同促进gK的增加，驱动膜电位向Ek恢复。当膜电位变得更负时，这会导致这些通道在3期末通过失活而关闭。但g_K并未降低。实际上，它持续增加，因为此时IK1通道开始重新激活，使膜电位恢复至接近E_K的静息电位。

细胞水平

心脏离子通道与多种细胞蛋白结合，形成大分子复合物。这些相互作用涉及离子通道功能的诸多方面，包括转运、门控和翻译后修饰等。例如，L型钙离子通道（Ca_V1.2）是由α1、β、α2δ和γ亚基组成的复合体：其中α1亚基可独立发挥离子通道功能，而β和γ亚基调节通道的电压依赖性，β与α2δ亚基则促进通道向细胞膜转运。α1亚基还能与多种信号蛋白相互作用——包括参与细胞内钙离子介导通道失活调节的钙调蛋白，以及作为支架蛋白锚定蛋白激酶A信号通路各组分的A激酶锚定蛋白。该多聚复合物还与其他膜蛋白存在相互作用，如小窝蛋白-3可促进其与刺激性G蛋白Gs、腺苷酸环化酶及β-肾上腺素能受体的结合，这些成分均参与自主神经系统对该通道的交感神经调节。

静息膜电位（第4期）

如前所述，心室肌细胞的静息膜电导主要由其对K+的通透性主导（图16.4）。因此，第4期的膜电位密切跟随EK。由于gK极大，它能有效稳定膜电位，防止异常去极化，否则可能引发心律失常。在静息膜电位状态下，由于驱动力极小，K+的实际移动量极少。尽管内向驱动力相当大，Na+和Ca++的移动量也极少，因为膜对这些离子的电导非常低。

慢反应（窦房结）动作电位

升支（第0期）

慢反应动作电位的升支由L型Ca++通道（Ca_V1.2）的活性引起（Fig. 16.9）。这些通道激活导致的g_Ca增加使膜电位去极化，并向E_Ca趋近。与快反应动作电位中Na+通道参与的情况不同，窦房结细胞动作电位升支期间的膜电位变化速率要慢得多。这是因为L型Ca++通道的激活速度远慢于Na+通道，且通道密度更低。

• 图16.9 参与慢反应（窦房结）动作电位的电导机制。第0期：升支由产生L型Ca++电流（l_Ca,L）的通道激活所引起的Ca++电导增加所致。注意，这通过Ca++诱导的Ca++释放（CICR）触发了Ca++瞬变。第3期：当ICa,L失活导致Ca++电导降低，以及激活产生延迟整流K+电流（IK）的通道导致K+电导增加时，最终复极化发生。第4期：自发去极化由以下因素引起：(1) sf Isf K失活导致K+电导逐渐降低；(2) 产生起搏电流（If）的通道导致Na+电导增加；(3) 产生T型Ca++电流（l_Ca,top）的通道导致Ca++电导增加；(4) 由肌浆网自发局部Ca++释放激活的Na/Ca交换体（I_CNX）产生的内向电流。

终末复极化（第3期）

如前所述，慢反应动作电位中不存在明显的平台期。然而，快反应和慢反应细胞的动作电位时程都是由gCa与gK之间的平衡变化所决定的相似过程调控。随着负责升支的L型Ca++通道缓慢失活，gCa会逐渐降低；同时由于延迟整流K+通道的激活，gK逐渐增加（图16.9）。gK的增加促使细胞复极化，直至最终达到其最大舒张电位。

舒张期（第4期）

窦房结细胞慢反应动作电位第4期的最大复极电位（maximum diastolic potential^[1]）的负值较小（约-50至-70 mV），低于心室肌细胞的静息膜电位。这可以解释为：窦房结细胞的背景gK较低，这是由产生乙酰胆碱激活K+电流（I_K,ACh）的K+通道所导致的。较低的背景K+电导使这些细胞更容易被其他离子通道和转运体的活动所去极化。

在第4期引发自发去极化的机制实际上始于第3期。随着膜电位变得更负，参与最终复极化的延迟整流K+通道通过失活过程开始关闭（图16.9）。然而，这种门控过程是缓慢的。其结果是第4期gK随时间逐渐降低，使得膜电位缓慢偏离Ek，即发生去极化。

第4相期间的去极化还受到产生起搏电流（pacemaker current）或滑稽电流（funny current）(I_f)的通道激活的促进。这些通道被称为"滑稽"通道，因为它们在膜超极化时被激活——这一特性在最初发现时被认为是不寻常的。因此，当动作电位期间膜处于去极化状态时，这些通道处于关闭状态，但在第4相复极化期间会被激活或开放（图16.9）。起搏通道的另一个特殊之处在于它们对Na+和K+均具有通透性。因此，当这些通道开放时，会使膜电位向其平衡电位（介于EK和ENa之间，即-15mV）移动。由于该值比最大舒张电位更正，最终结果是Na+沿其电化学梯度内流形成的净内向电流。

上述因素的共同作用最终使膜去极化到足以引起gCa的短暂增加，这是由于产生T型Ca++电流（T-type Ca++ current）(ICa,T)的通道被激活所致（图16.9）。这些通道在膜去极化时激活，随后失活，其特性与L型Ca++通道相似。然而存在两个主要区别：T型Ca++通道在更负的膜电位下激活，且激活和失活速度更快。

除了本章前文所述的时相与电压依赖性离子通道的作用外，窦房结细胞还会自发地将肌浆网（sarcoplasmic reticulum, SR）中的Ca++释放至胞质。由此引发的质膜附近胞内Ca++浓度升高会激活钠钙交换体（Na/Ca exchanger, NCX）。该转运体通过将胞外Na+沿其电化学梯度转入胞内，同时将胞内Ca++转运至胞外。由于该过程涉及3个Na+离子的内流与1个Ca++离子的外流，最终形成净内向电流(I_NCX)。这一机制在第4相后期对自发去极化起促进作用（图16.9）。

心肌细胞的兴奋性

任何可兴奋细胞的特征都表现为能够对刺激产生动作电位。然而，要实现这一过程，刺激必须使膜去极化达到阈值电位，其绝对值因细胞类型和时机而异。在心肌组织中，能够启动并传导动作电位的阈值取决于：（1）所涉及的是快反应还是慢反应动作电位；（2）刺激到达时处于心动周期的具体时间点。

细胞层面

血清[K+]的变化可对心脏动作电位和心脏电特性产生显著影响。例如，血清[K+]升高（高钾血症）会使静息膜电位去极化，而血清[K+]降低（低钾血症）可使静息膜电位超极化（见图16.10）。这些反应可通过改变细胞外K+浓度对E_K的影响来简单解释。但若仅考虑E_K的变化，血清[K+]的改变对动作电位时程会产生看似矛盾的影响。需注意，弦电导方程指出膜电位是膜对离子电导度及其平衡电位的函数。事实上，细胞外[K+]的变化也会影响与延迟整流和内向整流K+通道相关的膜K+电导度：增加细胞外[K+]会升高g_K，降低细胞外[K+]则减少g_K。g_K的变化对动作电位时程的影响比E_K的变化更大。因此，高钾血症缩短动作电位时程，而低钾血症延长动作电位时程。

临床关联

• 图16.10 细胞外[K+]浓度变化对浦肯野纤维动作电位的影响。刺激伪迹（D中的St）表现为动作电位升支左侧的双相尖波。动作电位峰值附近的水平虚线标示0mV。当细胞外[K+]为3mM时（A和F），静息膜电位为-82mV，0相升支斜率陡峭。0相结束时超射达到+30mV，故动作电位幅度为112mV。刺激伪迹至0相起始点的间距与传导速度成反比。当细胞外[K+]逐步升高至16mM（B至E）时，静息V_M逐渐去极化。同时动作电位的幅度、时程及升支陡峭度均降低，导致传导速度进行性下降。当细胞外[K+]达14和16mM时（tracing D和E），静息V_M达到可使所有快钠通道失活的水平，从而产生特征性的慢反应动作电位。

图16.10所示的实验性跨膜电位变化模拟了冠状动脉疾病患者心脏组织中可能发生的变化。当局部心肌血流减少时，缺血组织获得的O2和代谢底物供应不足。心肌细胞膜上的Na+, K+-ATPase需要大量代谢能量来维持Na+和K+的正常跨膜梯度。当血流不足时，Na+,K+-ATPase活性受损，受累心肌细胞会过量摄取Na+并向周围间质丢失过量K+。这可能导致快反应细胞产生类似慢反应的动作电位，从而严重干扰电冲动的传导。细胞外间隙[K+]的升高会引起E_K偏移，导致这些细胞静息膜电位去极化。这会使通常参与上升支的电压依赖性Na+通道失活，从而导致上升支减慢（如图16.10所示）甚至阻滞，常成为心律失常的发生机制。

快反应细胞

在快速反应细胞中，兴奋性取决于可用的电压依赖性Na+通道生成动作电位升支的能力。一旦快速反应动作电位被引发，去极化的细胞在至少部分复极化之前不能被再次兴奋。这是因为在动作电位升支后立即失活的Na+通道必须从失活状态恢复后才能重新开放。这是一个具有时间和电压依赖性的过程，发生在更负的膜电位水平。

• 图16.11 动作电位在前次兴奋相对不应期不同阶段被引发时，其振幅和升支斜率的变化。

从动作电位开始到细胞能够产生至少某种类型动作电位的时间间隔称为有效不应期（effective refractory period）。该时期持续至复极化中期，即第3相。此时，通常已有足够多的Na+通道从失活状态恢复，从而恢复一定程度的兴奋性。然而，快速反应细胞必须完全复极化后才能完全恢复兴奋性。有效不应期结束到完全复极化之间的时间称为相对不应期（relative refractory period）。当在相对不应期期间诱发反应时，其特性会随刺激到达时膜电位的不同而变化（图16.11）。这反映了从失活状态恢复并参与动作电位升支的Na+通道数量差异。

• 图16.12 河豚毒素阻断Na+通道对浦肯野纤维记录动作电位的影响。A轨迹中河豚毒素浓度为0mol/L，B轨迹为3×10^-8mol/L，C轨迹为3×10^-7mol/L，D和E轨迹为3×10^-6mol/L；E记录时间晚于D。

在相对不应期越早刺激快速反应细胞，其动作电位升支速度越慢，振幅越小。因此，传导速度也会降低。这种效应可以通过药物河豚毒素对Na+通道的药理阻断来模拟（图16.12）。结果由于L型Ca++通道的激活，会产生类慢反应动作电位。

慢反应细胞

在慢反应细胞中，兴奋性取决于产生动作电位升支的L型Ca++通道的可用性。这类细胞的相对不应期通常显著延伸至第3相之后。即使细胞已完全复极，仍可能在一段时间内难以诱发传导性反应。这种特性被称为复极后不应性（postrepolarization refractoriness）。慢反应细胞的不应性源于L型Ca++通道的失活状态，只有当这些通道恢复后，正常兴奋性才能重建。

图16.13 慢反应纤维动作电位起始后不同时期进行刺激的效果。在该纤维中，第3相末期（或第4相早期）的刺激仅引发小而无法传导的局部反应（波形a）；第4相稍晚时可引发可传导反应（波形b），但其幅度较小且上升支斜率较低，传导速度极慢；第4相更晚时兴奋性完全恢复，反应（波形c）呈现正常特征。

与快反应细胞的Na+通道类似，慢反应细胞Ca++通道从失活状态的恢复是一个时间依赖性和电压依赖性的过程。但由于该过程恢复速度显著更慢，因此不应期持续时间较长。当刺激在相对不应期出现得越晚（见图16.13），慢反应动作电位的振幅和升支速度将逐步改善。完全兴奋性恢复显著晚于完全复极点这一特性，在房室结的慢反应细胞中尤为重要。长不应期使得来自心房的期前刺激难以传导至心室，也可导致房室结传导阻滞。在某些情况下，房室结可能仅能传导来自心房的部分冲动。

临床应用

对于偶发房性期前除极的患者（参见图16.28），这些早期搏动的发生时机决定其临床后果。若发生于前次除极的相对不应期（relative refractory period）晚期或完全复极化之后，这种期前除极并无显著影响。但若期前除极发生于心室相对不应期早期，来自起源部位的期前冲动传导将延缓，从而使心脏冲动更可能通过先前经过的心肌区域再次兴奋（此现象称为折返[reentry]）。若发生不规则折返（即引发心室颤动），心脏将无法有效泵血，可能导致死亡。

频率依赖性对兴奋性的影响

• 图16.14 周期长度（CL）变化对浦肯野纤维动作电位时程（APD）的影响。

心肌细胞的兴奋性也可能受到周期长度（即连续动作电位之间的时间间隔）变化的影响。这是由于周期长度对动作电位时程的作用所致。因此，起搏频率或心率的变化通常是某些心律失常（arrhythmias，即不规则心律）发生或终止的重要因素。图16.14显示了浦肯野纤维在周期长度从2000毫秒逐步缩短至200毫秒时引起的动作电位时程变化。值得注意的是，随着周期长度缩短，动作电位时程相应缩短。这种动作电位时程与周期长度之间的正相关关系可通过涉及延迟整流钾离子通道的钾电导变化来解释。这些通道在动作电位平台期通常激活非常缓慢，复极后去激活或关闭的速度也同样缓慢。随着周期长度逐渐缩短，动作电位之间的间隔时间也减少，导致这些通道没有足够时间关闭。因此，保持激活状态的通道会逐渐累积。其结果是在平台期钾电导增加，从而导致更早的复极和更短的动作电位时程。

心脏冲动的传播

• 图16.15 电活动在整个心脏中的传导。注意动作电位形态在冲动从窦房结经心房、房室结、浦肯野纤维至心室肌层的传播过程中发生的变化。详见正文。

每次心跳始于窦房结（SA node）产生的电冲动，随后传导至整个心房。来自心房的冲动在通过房室结（AV node）进入希氏-浦肯野系统（His-浦肯野 system）时会减速，之后再次加速，同步化地传播至心室整个心内膜下表面。兴奋波由此通过细胞间传导扩散至整个心室心肌。由窦房结启动并以此方式在心脏规律传导的电活动（图16.15）称为正常窦性心律（normal sinus rhythm），其频率通常为60-100次/分钟。维持这种速率、节律和传导模式对于确保心脏协调收缩并有效泵血至关重要。

被动特性

影响心脏冲动传导速度和方向的因素有多方面，其中一类与细胞和组织的被动特性或电缆特性相关。心肌纤维上细胞间传导的动作电位通过局部回路电流传播，其机制与神经和骨骼肌纤维类似（见第5章）。这些局部电流产生于动作电位上升支期间的膜去极化，沿细胞内部或细胞间流动，使相邻膜区域或细胞去极化（图16.16）。因此，动作电位传导速度受到细胞内和细胞间对这种局部电流流动的电阻影响。

（细胞内的）电阻值决定了刺激电流从刺激点传播的距离。细胞内电阻越低，电流传播的距离越远，动作电位=的传导速度也越快。因此，直径较大且形态较简单的细胞（如浦肯野纤维中的细胞）能够更快传导冲动，而较小的细胞（如房室结（AV node）中的细胞）则倾向于以较慢速度传导冲动。

心肌细胞通过缝隙连接实现电耦联（见第6章），这一特性促进了冲动在细胞间的传递。缝隙连接对离子的通透性具有相对非选择性，它们形成了低电阻的细胞间通路，使离子电流能够在相邻细胞间传递。因此，具有更多缝隙连接的心脏区域能更快传导冲动。例如，浦肯野纤维中的缝隙连接密度较高，而房室结某些区域的缝隙连接密度较低。

缝隙连接在细胞中的定位也会影响冲动传导方向。例如，在细长圆柱形的心室肌细胞中，缝隙连接优先位于连接细胞末端-末端的闰盘中，而非将细胞侧面-侧面连接的闰盘中。这有利于冲动更易沿排列形成环绕心室腔的纤维束的肌细胞长轴方向进行（各向同性）传导。这种结构确保了冲动以有序的方式传播，从而实现心脏的协调收缩。

主动特性

沿纤维的传导速度还与动作电位幅度和0期膜电位变化速率（dV_M/dt）直接相关。动作电位幅度是细胞完全去极化区域与完全极化区域之间的电位差。产生的局部电流大小与此电位差成正比（参见第5章）。这些局部电流负责将细胞或纤维相邻静息部分去极化至其阈电位。极化区与去极化区之间的电位差越大（即动作电位幅度越大），局部刺激对膜相邻部分的去极化效果越强，去极化波沿纤维传导的速度也越快。

0期膜电位变化速率也是传导速度的重要决定因素。若纤维的激活部分逐渐去极化，静息区与邻近去极化区之间产生的局部电流较小。激活区相邻的静息区域被逐渐去极化，因此纤维每个新节段达到阈电位所需时间更长。基于这些原因，快反应动作电位（fast-response action potentials）的传导速度比慢反应动作电位（slow-response action potentials）更快。

传导速度还受静息膜电位变化的影响，尤其在快反应组织中。静息电位的去极化会使电压依赖性Na+通道失活，降低动作电位幅度和dVM/d t，从而导致传导速度减慢。当细胞外[K⁺]升高使静息电位去极化时（见图16.10），可观察到这一效应。这种现象也体现在相对不应期内细胞对过早兴奋的响应中。上述两种情况均可能导致冲动传导减慢，进而促进心律失常的发生。

正常窦性心律

心跳的启动

每次心跳的启动是心脏自身固有的特性。心脏内特定细胞类型具有自动节律性（automaticity），即在舒张期自发去极化并启动传导冲动的能力。这种行为最常见于构成SA结的细胞中产生的慢反应动作电位，如前所述。然而，在主要功能通常与传导冲动相关的细胞中（如AV结中产生慢反应动作电位的细胞，以及浦肯野网络中产生快反应动作电位的细胞）也能观察到该现象。

尽管多种细胞类型具有成为心脏起搏器的潜力，但心跳通常始于SA结，因为该处细胞的固有放电频率（60–100次/分钟）快于AV结（40–55次/分钟）或浦肯野纤维（25–50次/分钟）。因此，起源于SA结的冲动会先到达这些潜在起搏器，在其自主放电前触发其产生动作电位。

• 图16.17 起搏点放电频率变化的机制。A，缓慢舒张期去极化的斜率减小（从波形a到b）会降低放电频率。TP为阈值电位。B，阈值电位升高（从TP-1到TP-2）或最大舒张电位幅度增加（从波形段a到d）同样会降低放电频率。

影响自发放电频率的主要因素有三个（图16.17），包括：（1）4期自发性去极化（spontaneous depolarization）的速率；（2）4期最大舒张电位（maximum diastolic potential）的幅度；以及（3）阈值电位（threshold potential）。假设两个细胞具有相同的最大舒张电位，自发性去极化速率较快的细胞将首先达到触发动作电位的阈值，因而放电频率更快。若这两个细胞在4期具有相同的去极化速率，则起始于更去极化状态的最大舒张电位的细胞将更早达到阈值，表现出更快的内在放电频率。最后，若这两个细胞具有相同的最大舒张电位和4期去极化速率，则阈值电位较低的细胞将率先产生升支动作电位，表现出最快的内在放电频率。

窦房结

如前所述，哺乳动物心脏中通常以最高频率产生冲动的区域是窦房结（SA node），它是心脏主要的起搏点。通过详细标测右心房表面的电位分布发现，除窦房结本身外，还有2-3个位于其周围1-2厘米处的自律性位点共同构成心房起搏复合体。这些位点有时会同步发放冲动，但更多情况下最早兴奋位点会随条件（如自主神经活动水平）改变而在不同位点间迁移。

人类的窦房结长约8毫米，厚约2毫米，位于上腔静脉与右心房交界处的后侧沟内。窦房结动脉纵向贯穿结节的中心。窦房结包含两种主要细胞类型：（1）细胞小而圆，细胞器与肌原纤维稀少；（2）细长型细胞，形态介于圆形细胞与普通心房肌细胞之间。圆形细胞可能是起搏细胞，而细长型细胞可能负责在结节内传导冲动至结节边缘。

IN THE CLINIC

起搏器的放电频率受自主神经系统两个分支的活动共同调控。交感神经刺激通过增强窦房结细胞慢反应动作电位第4期的自发性去极化速率来提高心率。这一机制源于β-肾上腺素能受体产生的cAMP，其可直接作用于If起搏通道增强其活性。cAMP还能激活蛋白激酶A，促进肌浆网自发释放Ca²⁺，并增强INCX对第4期去极化的贡献。这些效应共同促使应激和运动时心率加快。

副交感神经通过至少两种机制降低心率：其一，通过毒蕈碱受体抑制cAMP生成，逆转其对If起搏通道活性和Ca²⁺自发释放的影响，从而降低慢反应动作电位第4期舒张期去极化的斜率；其二，毒蕈碱受体激活可通过开启IK,ACh通道并提高gK，使最大舒张电位向超极化方向偏移。这些效应共同导致心率减缓及随之产生的心输出量降低，迷走神经刺激即与此相关。极端案例如血管迷走性晕厥——由迷走神经活动剧烈爆发引起的短暂眩晕或意识丧失，这是对疼痛或特定心理刺激的反射性反应。自主神经对心肌细胞作用的详细阐述见第18章。

需注意的是，自主神经系统对起搏活动的影响未必伴随起搏细胞阈值水平的变化。然而，直接抑制L型Ca²⁺通道的药物可通过减少参与上升支的Ca²⁺通道数量来减缓心率，这会导致起搏细胞需要更长时间去极化至阈值，或达到足以激活Ca²⁺通道引发动作电位的临界点。

在细胞水平

心脏窦房结细胞中所谓的滑稽电流（funny current，I_f）通过超极化激活，并由环核苷酸门控，其通道被命名为HCN（hyperpolarization、cyclic、nucleotides）。HCN基因家族有四个成员，此类通道也存在于中枢神经系统能重复产生动作电位的神经元中。HCN的跨膜片段4（S₄）含有许多带正电荷的氨基酸，可作为电压传感器，这些结构也存在于电压门控Na⁺、K⁺和Ca²⁺通道中。心脏中表达的主要通道源自HCN4基因。S₄及S₄-S₅连接处氨基酸的突变会引起通道激活电压依赖性的显著改变，表现为需要更强的超极化才能使通道开放。这种效应与乙酰胆碱的作用类似，据推测人类心脏中此类突变可能是窦性心动过缓和病态窦房结综合征的潜在机制。

临床联系

在特定情况下，心脏中除窦房结以外的区域也可能触发搏动。这些部位被称为异位起搏点。当出现以下情况时，异位起搏点可转变为主导起搏点：(1) 其自身节律性增强；(2) 更高阶起搏点（如窦房结）的节律性受到抑制；(3) 异位起搏点与更高节律性区域之间的所有传导通路被阻断。当正常起搏中心功能失灵时，异位起搏点可作为一种安全机制发挥作用。然而，若正常起搏中心仍在运作时，异位中心抢先放电，则可能引发偶发性心律紊乱（如期前除极），或持续性心律紊乱（如阵发性心动过速，详见“异位性心动过速”章节）。

心房传导

来自窦房结的心脏冲动沿普通心房肌纤维以约1米/秒的传导速度向右心房全域放射状扩散（见图16.15）。特殊传导通路—— anterior interatrial myocardial band（房间束，或称Bachmann's bundle）将窦房结冲动直接传导至左心房。兴奋波向下通过右心房最终到达房室结（AV node），该结构通常是心脏冲动进入心室的唯一入口。

临床视角

部分人群存在房室旁路（accessory AV pathways）。由于这些通路常作为折返环的组成部分（见"折返"章节），其可能与严重心律失常相关。Wolff-Parkinson-White综合征是一种先天性异常，是最常见的临床病症，其中心肌纤维的旁路形成心房与心室之间的附加传导路径。通常情况下，该综合征不会引起功能异常。心电图可轻易检测到这种异常，因为部分心室通过旁路提前兴奋，而其余心室仍通过房室结和希氏束-浦肯野系统兴奋。这种预兴奋在心电图心室（QRS）波群中表现为异常形态。但是，其偶尔可能形成折返环：心房冲动通过两条房室通路之一（房室结或旁路）传至心室，再经另一条通路返回心房。持续的环路循环会导致极快心率（室上性心动过速）。这种快速节律可能因心室充盈时间不足而引发失代偿。通过静脉注射腺苷模拟迷走神经刺激效应，或通过反射性增强迷走神经活性（按压颈动脉窦区域），可暂时阻断房室结传导，通常能终止心动过速并恢复正常窦性节律。

心房肌细胞的动作电位平台期（2期）较典型心室肌细胞更短暂且发育不完全，复极化过程（3期）也更缓慢（见图16.15）。平台期时程和幅度的降低是由于存在超速延迟整流钾电流（I_Kur）。该电流对应的特定类型延迟整流钾通道导致2期g_K的上升更为迅速。3期复极化较慢可能与I_K1钾通道密度较低有关。

心房肌细胞表达I_K,ACh通道，类似于窦房结和房室结中的慢反应细胞。在迷走神经刺激下，这些通道的激活会进一步缩短心房动作电位时程，导致心房更易发生早搏兴奋和折返性心律失常。

房室传导

心房兴奋波通过房室结传导至心室。在成年人体内，该结长约15 mm，宽10 mm，厚3 mm，位于房间隔右后侧靠近冠状窦口处。房室结包含与窦房结相同的两种细胞类型，但其中圆形细胞较少，细长细胞占主导地位。

房室结由三个功能区域组成：（1）房结区（AN区），即心房与结主体之间的过渡区；（2）结区（N区），即房室结的中部；（3）结希区（NH区），即结纤维逐渐与希氏束融合的区域。希氏束是心室特殊传导系统的上部结构（见图16.15）。正常情况下，房室结和希氏束是心脏冲动从心房传导至心室的唯一通路。

房室传导的若干特征具有重要生理和临床意义。从心房到心室的冲动传导主要延迟发生在房室结的AN区和N区。N区的传导速度较AN区更慢，但AN区的路径长度显著大于N区。通过AN区和N区的传导时间解释了心电图上P波（心房兴奋的电表现）起始与QRS波群（心室兴奋的电表现）之间的延迟（参见"标量心电图"章节）。从功能角度看，这种房室兴奋延迟使心房收缩期间心室能达到最佳充盈状态。

• 图16.18 房室结细胞在对照条件（C）和不同浓度（0.1、0.3、1 µmol/L）钙通道拮抗剂地尔硫卓作用下记录的膜电位。（改绘自Hirth C等，J Mol Cell Cardiol. 1983;15:799）

在N区，慢反应动作电位占主导地位（见图16.15）。其最大舒张电位约为-60 mV，上升支速度缓慢，传导速度约0.05 m/s。阻断电压依赖性钠通道的河豚毒素对此区域动作电位（以及其他慢反应纤维）几乎没有影响。相反，钙通道拮抗剂可降低动作电位幅度和时程（图16.18），并抑制房室传导。

与其他慢反应动作电位相似，N区细胞的相对不应期显著超过完全复极化时期，即这些细胞表现出复极后不应性（见图16.13）。当心率增加时，连续心房去极化之间的时间缩短，房室交界区的传导速度减慢。房室传导时间异常延长称为一度房室传导阻滞（参见"房室传导阻滞"章节）。心房频率增加引起的房室传导延长主要发生在房室结的N区。

在心脏其他区域容易传导的刺激频率下，冲动往往在房室结被阻滞。若心房以高重复频率去极化，可能只有部分（如半数）心房冲动能通过房室交界区传导至心室。这种仅部分心房冲动传导至心室的现象称为二度房室传导阻滞（second-degree AV block）（参见"房室传导阻滞"章节）。此类阻滞可在收缩间期充盈时间不足时保护心室免于收缩。

冲动可通过房室结进行逆向传导。然而与顺向（antegrade，即正常或前向）传导相比，逆向传导时间显著延长，且更易在较低重复频率下发生传导阻滞。此外，房室结是折返的常见部位（参见"折返"章节）。

与窦房结类似，自主神经系统调控房室传导。弱迷走神经活动可能仅延长房室传导时间——对于任何给定的心房周期长度，心房至希氏束或心房至心室的传导时间都会因迷走刺激而延长。更强的迷走活动可能导致部分或全部来自心房的冲动在结内被阻滞。所有心房冲动均未能传导至心室的现象称为三度（完全性）房室传导阻滞（参见"房室传导阻滞"章节）。迷走神经引起的房室结传导延迟或中断主要发生在N区。

这种迷走刺激效应反映了乙酰胆碱通过激活IK,ACh使N区传导纤维膜超极化的作用。当心房冲动到达时膜超极化程度越大，房室传导受损就越严重。传导减慢还与迷走神经抑制ICa,L有关，该抑制会减缓动作电位升支和传导速度。

相反，心脏交感神经可促进房室传导。它们缩短房室传导时间，并增强房室交界区潜在起搏点的节律性。交感神经释放的去甲肾上腺素通过刺激L型钙电流（ICa,L），主要增加房室结前部（AN区）和结区（N区）动作电位升支的幅度和斜率。

心室传导系统

希氏束沿室间隔右侧心内膜下走行约1 cm后，分为右束支和左束支（见图16.15）。右束支是希氏束的直接延续，沿室间隔右侧下行。左束支明显较右束支粗大，几乎垂直地从希氏束发出并穿入室间隔。在室间隔左侧心内膜下表面，左束支分为细小的前分支和粗大的后分支。

临床关联

冲动在右束支、左束支或其分支中的传导可能受损。由于冠状动脉疾病或与衰老相关的退行性改变，这些传导通路中的一条或多条可能发生传导阻滞，并产生特征性心电图（ECG）表现。主要束支的阻滞称为右束支传导阻滞或左束支传导阻滞。左束支分支的阻滞称为左前分支阻滞或左后分支阻滞。

右束支和左束支的两个分支最终分化为复杂的浦肯野纤维网络，分布于左右心室的心内膜下表面。与心肌细胞类似，浦肯野纤维含有大量线性排列的肌小节。然而，在心肌细胞中发育良好的横管系统（T管），在许多物种的浦肯野纤维中并不存在。浦肯野纤维中的肌细胞直径（70-80 μm）显著大于心室肌细胞（10-15 μm）。这些因素降低了细胞内电阻，使其传导速度（1-4 m/sec）快于心脏其他部位，从而实现心室整个心内膜表面的快速激活。

尽管记录到的浦肯野纤维动作电位形态与普通心室肌纤维相似，但其持续时间往往更长。由此产生的不应期延长有助于确保通过房室结传导的房性早搏冲动被阻断。这种保护心室免受房性早除极影响的功能在心率较慢时尤为显著，此时浦肯野纤维动作电位时程延长（见图16.14）。与浦肯野纤维不同，房室结细胞的有效不应期在正常心率范围内变化不大，而在心率极快时反而延长。因此，当心房以高频率兴奋时，通常是房室结保护心室免受过快频率的影响。

导致心律失常的机制

心律失常是指任何改变心脏正常窦性节律的电活动变化。这必然涉及正常电活动起始和/或传导的紊乱。其原因可能是先前讨论的正常起搏与传导机制发生改变，也可能涉及异常机制，如下所述。

触发活动

由电活动起始改变引起的心律失常可能涉及窦房结正常功能的改变，或房室结、心室传导系统（浦肯野纤维）中潜在起搏器的改变（如前所述）。冲动也可能由其他细胞类型的异常电活动触发。此类触发活动由后除极（afterdepolarizations）引起，可分为两种类型：早后除极（early afterdepolarizations, EADs）和延迟后除极（delayed afterdepolarizations, DADs）。EADs通常发生在复极化期间（3期），而DADs发生在复极化完成后（4期）。

早期后除极

EADs通常由延长动作电位时程的因素触发。当心室肌细胞的动作电位时程延长时，心电图（ECG）的QT间期常相应延长。这可能是由与先天性长QT综合征（congenital long QT syndrome）相关的多种离子通道基因突变引起。许多药物也可延长心室动作电位时程，导致"获得性"长QT综合征。

动作电位时程与EADs易感性之间的直接相关性可能与Ca++通道从失活状态恢复有关。当动作电位延长时，在动作电位平台期失活的Ca++通道有时间从失活中恢复，因此可能在细胞完全复极化前被再次激活。这种二次激活被认为是触发EADs的机制。

细胞层面

在某些个体中，QRS波群与T波之间的间隔异常延长，这种情况被称为长QT综合征（图16.31）。这源于心室动作电位的延长。人类已被发现多种先天性长QT综合征类型，其病因可归结为离子通道缺陷——这些缺陷或导致外向复极电流减弱（功能丧失），或引起去极化内向电流增强（功能获得）。遗传学研究已发现至少15种与先天性长QT综合征相关的基因产物中存在超过1000种不同突变，例如位于7号染色体的HERG基因（I_Kr通道）、11号染色体的KCNQ1基因（I_Ks通道），以及3号染色体的SCN5A基因（I_Na通道）突变。此外，多种药物（包括抗心律失常药与非抗心律失常药）可导致正常个体出现获得性长QT综合征，这几乎总是由于快速延迟整流钾通道（I_Kr或HERG）被阻断所致。

临床关联

• 图16.19 不同起搏周期长度（cycle length, CL）对经铯处理的浦肯野纤维中早期后除极（EADs）的影响。铯通过阻断gK延长动作电位时程。A，当纤维以较快频率起搏时，动作电位时程缩短且未观察到EADs。B，当起搏频率减慢时，动作电位时程延长并开始出现EADs（箭头）。注意第三个EAD达到阈值并触发动作电位。C，进一步减慢起搏频率使每个驱动除极后均出现触发动作电位的EADs。D，触发动作电位最终以连续爆发形式出现。

早期后除极的临床意义与先天性和药物诱导性长QT综合征相关。随着心室动作电位时程延长，EADs出现并引发触发自律性。在心电图上，这种异常表现为多形性室性心动过速（polymorphic ventricular tachycardia），也称为尖端扭转型室速（torsades de pointes）。这些发作可能具有自限性，但某些情况下会进展为心室颤动和猝死。低钾血症=和心动过缓（见图16.19）均可导致动作电位时程延长，是诱发此类心律失常的常见因素。因此，将细胞外K⁺浓度恢复至正常水平以及提高心率是预防或治疗这类心律失常的两种方法。

延迟后除极

与EADs不同，DADs更易在SR（肌浆网）内Ca²⁺过度蓄积的条件下发生。这种情况可见于心率较快时（图16.20），也可由强心苷、交感神经过度刺激和心肌缺血引起。DADs是SR内Ca²⁺自发释放至细胞质的结果。细胞质Ca²⁺浓度升高激活INCX（钠钙交换电流），导致膜除极。

再入

在某些情况下，心脏冲动可能重新兴奋其先前已经通过的心肌区域。这种现象称为再入(reentry)，是临床上大多数重要心律失常的机制。再入可分为有序型和随机型。有序型再入中，冲动沿固定的解剖路径传导；而随机型再入中，传导路径持续变化。

图16.21展示了再入发生所需的条件。四个分图均显示一个心脏纤维束分为左、右分支，并通过连接束相连。正常情况下，下传的冲动在分叉处分离，沿左右分支传导（见图16.21A）。当两个冲动到达连接束时，从两侧进入并在碰撞点消失，因为各自遇到了处于不应期的组织。

图16.21B显示，若纤维束左右分支均存在传导阻滞区，冲动无法完成环路传导。然而，若仅单侧分支存在传导阻滞区（图16.21C），冲动可通过未受累分支下传，进入连接束并持续环路传导，直至到达受累区域停止。此为双向传导阻滞区。

折返发生的必要条件是环路中的某一点必须能够单向传导冲动，但反向则不能。这种现象称为单向阻滞。如图16.21D所示，当冲动沿纤维的一个分支向下传导并试图从顺行方向进入受影响的区域时会被阻滞。然而，沿未受影响分支传导的冲动可继续绕环路行进。当该冲动从相反方向再次到达受影响区域时，此时该组织已恢复兴奋性。因此，冲动得以继续传导，重新进入先前已兴奋的组织并以逆行方向传导。

为何顺行冲动被阻滞而逆行冲动不受阻滞？原因是当初始冲动到达时，受影响区域仍处于不应期；而经过绕行环路所需额外时间后，当冲动从相反方向返回时，该组织已脱离不应期。虽然单向阻滞是折返的必要条件，但仅凭此尚不足以保证折返发生。折返的形成还要求：单向阻滞区域的有效不应期持续时间必须短于冲动绕行环路所需的传导时间。

引发特定心律失常的折返环路各组成部分具有多样化的功能特性。某些环路规模较大，涉及整个特殊传导束；另一些则呈微观结构。这些环路可能以几乎任何可能的组合方式包含心肌纤维、特殊传导纤维、结细胞以及交界组织。此外，环路中的各类心脏细胞可能处于正常或异常状态。

心电图学

心电图（ECG）通过记录体表不同部位的电位变化，使临床医师能够推断心脏电冲动的传导路径。通过分析这些电位波动的细节特征，医师可获取以下重要信息：(1)心脏的解剖方位；(2)心腔的相对大小；(3)各种节律与传导障碍；(4)心肌缺血性损伤的范围、部位及进展；(5)电解质浓度改变的效应；(6)特定药物（尤其是洋地黄、抗心律失常药及钙通道拮抗剂）的影响。由于心电图学是一门广博而复杂的学科，本节仅讨论其基本原理。

标量心电图学

在心电图检查中，导联（lead）是指从患者皮肤到记录设备（electrocardiograph）的电连接，该设备用于测量心脏的电活动。用于常规心电图记录的导联系统定位于人体的特定平面。心脏在任何时刻存在的多种电活动都可以用三维向量（vector，具有大小和方向的量）来表示。位于特定平面的导联系统只能检测到三维向量在该平面上的投影。两个记录电极之间的电位差代表该向量在导联连线上投影的结果。

投影在这些连线上的向量分量不是向量而是标量（scalar，具有大小但不具有方向）。因此，记录皮肤表面两点之间电位差随时间变化的过程被称为标量心电图（scalar ECG）。

标量心电图可检测皮肤表面某点与无关电极（indifferent electrode）之间，或皮肤表面成对点之间电位的时间变化。心脏冲动以复杂的三维模式在心脏内传导。因此，心电图的精确形态存在个体差异，且同一受试者的心电图形态也会随导联解剖位置的不同而变化。心电图中记录的电冲动图形显示称为描记图（tracing）。

通常描记图包含P波、QRS波群和T波（图16.22）。其中：P波反映心房去极化的传导过程;QRS波群反映心室去极化;T波代表心室复极化（心房复极化发生在心室去极化期间，因此被掩盖）。PR间期（更准确地说，PQ间期）测量从心房激活开始到心室激活开始的时间，正常范围为0.12到0.20秒。该间期的大部分时间涉及冲动在房室传导系统中的传导。PR间期的病理性延长与房室传导障碍相关，此类障碍可由炎症、循环异常、药物作用或神经机制引起。

QRS波群的形态和幅度在不同个体间存在显著差异。其持续时间通常在0.06至0.10秒之间。异常的QRS波群延长可能提示心室正常传导通路的阻滞（如左或右束支阻滞）。在ST间期，整个心室心肌处于去极化状态。因此，ST段通常位于等电位线上。任何显著的ST段偏离等电位线都可能提示心肌缺血性损伤。QT间期有时被称为心室的"电收缩期"（electrical systole），与心室肌细胞动作电位平均持续时间密切相关。QT间期持续时间约为0.4秒，但与心率呈反比关系，这主要是由于心肌细胞动作电位持续时间与心率呈反比关系（见图16.14）。

在大多数导联中，T波从等电位线的偏转方向与QRS波群的主波方向一致，尽管在某些导联中双相的（即相反方向）T波是完全正常的。当T波和QRS波群从等电位线向相同方向偏离时，表明复极化过程正沿着与去极化过程相反的方向进行。方向或幅度异常的T波可能提示心肌损伤、电解质紊乱或心脏肥大。

标准肢体导联

最初的心电图导联系统由Willem Einthoven在20世纪初设计。在该系统中，任何时刻心脏所有电活动的矢量和被称为心脏综合向量（resultant cardiac vector）。这种方向性电力被认为位于等边三角形中心，该三角形的顶点分别位于左右肩和耻骨区（图16.23）。这个被称为Einthoven三角的结构位于人体的额状面内。因此，该导联系统只能检测心脏综合向量在额状面上的投影。为方便起见，电极通常连接于左右前臂而非对应肩部，因为手臂可视为从肩部延伸出的简单电导联。同理，腿部可视为从耻骨区导联系统的延伸，因此第三电极通常连接于踝部（通常为左侧）。

某些惯例规定了这些标准肢体导联与心电图机的连接方式。导联I记录左臂与右臂之间的电位差。当左臂电位（VLA）高于右臂电位（VRA）时，描记线将从等电位线向上偏转。在图16.23和图16.24中，导联I的这种连接方式通过左臂的加号和右臂的减号表示。导联II记录右臂与左腿之间的电位差，当左腿电位（VLL）超过VRA时，描记线向上偏转。导联III记录左臂与左腿之间的电位差，当VLL超过VLA时，描记线向上偏转。这些连接方式的选择具有任意性，以确保大多数正常个体的所有三个标准肢体导联中QRS波群（QRS complex）均为正向。

• 图16.24 当平均电轴（mean electrical axis）为60度（A）、120度（B）和0度（C）时，肢体导联I、II、III中QRS波群的幅度和方向。

若某时刻合成心电向量在额面的投影以箭头表示（尾端为负，头端为正），如图16.23所示，则导联I记录的电位差VLA-VRA对应于该向量在左臂与右臂之间水平连线上的投影分量（θ角见图16.23）。若该向量与水平线形成60度角（如图16.24A），导联I记录的偏转向上，因为正性箭头头端更靠近左臂而非右臂。导联II的偏转也呈正向，因为箭头头端更靠近左腿而非右臂。此时导联II的偏转幅度大于导联I，因为在此例中向量方向与导联II平行，故其在导联II上的投影幅度超过导联I。类似地，导联III的偏转呈正向且幅度与导联I相等。

若图16.23A中的向量代表QRS波群峰值期间发生的电活动，则该向量的方向称为心脏在额面的平均电轴（mean electrical axis）。该轴的正旋转方向被定义为从水平面开始的顺时针方向（与常规数学惯例相反）。正常个体的平均电轴约为+60度（如图16.24A），因此QRS波群通常在所有三个导联中均呈正向，且在导联II中幅度最大。

临床知识

若平均电轴(mean electrical axis)显著右偏（如图16.24B所示，θ=120度时），QRS波群在标准导联上的投影会发生显著变化。此时，III导联出现最大的正向偏转，而I导联的偏转为负向，因为箭头尖端更靠近右臂而非左臂。这种偏移称为电轴右偏(right axis deviation)，常见于右心室肥大(hypertrophy)（即心室壁增厚）。当电轴左偏时（如左心室肥大时出现的θ值变化，见图16.24C，θ=0度），I导联出现最大的正向偏转，而III导联的QRS波群呈负向。

除肢体导联I、II、III外，临床上常规记录的额面肢体导联还包括：（1）aVR导联，其正极连接右臂，负极定义为心脏中心（即左臂与足部导联相连）；（2）aVL导联，正极连接左臂，负极定义为心脏中心（即右臂与足部导联相连）；（3）aVF导联，正极连接足部，负极定义为心脏中心（即双上肢导联相连）。这些导联的轴线与水平轴形成的角度分别为：aVF导联+90度，aVL导联-30度，aVR导联-150度。

胸部表面还可放置心前区导联(precordial leads)，以测定心电向量在人体矢状面和横切面上的投影。这六个心前区导联的电极分别置于心脏附近胸廓前侧壁的特定位置：从第四肋间胸骨右缘（导联V₁）延伸至第五肋间左腋中线（导联V₆）。每个心前区导联（V₁至V₆）均定义为正极，心脏中心则为负极。通过上述各类导联系统对心电图进行详细分析已超出本书范畴，有兴趣的读者可参阅心电图学专著。

临床知识

若心脏解剖位置改变或左右心室相对质量异常（如某些心血管疾病），平均电轴可能发生偏移。例如：矮胖体型者电轴常左偏（更趋水平），瘦高体型者则右偏（更趋垂直）。此外，左心室或右心室肥大（任一心室心肌质量增加）时，电轴会偏向肥大侧。

窦房结节律异常

房室传导阻滞

多种生理性、药理性及病理性过程可阻碍冲动通过房室结（AV node）的传导。通过希氏束（His bundle）心电图（图16.26）可更精确定位阻滞部位。为获取此类波形，需将电极导管插入外周静脉并推进至心脏右侧，直至电极位于房室交界区。当电极正确定位时，心脏冲动通过希氏束时会记录到明显偏转（图16.26中的H波）。冲动从心房传导至希氏束所需时间（A-H间期）以及从希氏束传导至心室所需时间（H-V间期）可被精确测量。A-H间期或H-V间期的异常延长分别提示希氏束上方或下方的传导阻滞。

临床视角

（注：因原文未提供后续"IN THE CLINIC"章节的具体内容，此处保留标题格式待补充）

房室传导阻滞的程度

如图16.27所示，房室传导阻滞可分为三个程度。一度房室传导阻滞 (first-degree AV block) 的特征是PR间期延长。在大多数一度传导阻滞病例中，心房至希氏束（atrium-to-His）间期延长，而希氏束至心室（His-to-ventricle）间期正常。因此，一度房室传导阻滞的延迟发生在希氏束（His bundle）上方（即房室结内）。

二度房室传导阻滞 (second-degree AV block) 表现为所有QRS波群前均有P波，但并非所有P波后都跟随QRS波群。P波与QRS波群的比例通常为两个小整数的比值（如2:1、3:1或3:2）。阻滞部位可能位于希氏束上方或下方。希氏束下方的阻滞通常比上方更严重，因为前者更容易进展为三度传导阻滞。当阻滞位于希氏束下方时，通常需要植入人工起搏器。

三度房室传导阻滞 (third-degree AV block) 常被称为完全性心脏阻滞，因为冲动完全无法通过房室传导路径从心房传至心室。完全性阻滞最常见的部位位于希氏束远端。在完全性心脏阻滞中，心房和心室节律完全独立。由于心室节律缓慢，心脏泵出的血量常不足，尤其在运动时。三度传导阻滞常伴随晕厥（显著的头晕），这主要由脑血流量不足引起。三度传导阻滞是需植入人工起搏器的最常见指征之一。

早去极化

大多数正常个体偶尔会出现早去极化（premature depolarizations），但在某些异常状态下更易发生。此类去极化可起源于心房、房室交界区或心室。其中一类早去极化以固定的时间间隔（联律间期）跟随正常传导的去极化。若通过某种方式（如迷走神经刺激）抑制正常去极化，则早去极化也会消失。这类早去极化称为偶联性期外收缩（coupled extrasystoles，简称期外收缩），通常反映折返现象（reentry phenomenon）。

第二类早去极化由某个异位起搏点（ectopic focus）的自律性增强引起。该异位中心可能规律发放冲动，而单向传导的组织区域可保护该中心免受正常心脏冲动的去极化影响。若这种早去极化以固定间隔或其整数倍间隔发生，则称为并行收缩（parasystole）。

图16.28A显示了房性早去极化的描记图。房性早去极化时，正常心跳间期缩短。此外，早去极化的P波形态与正常P波不同，因为此时心房兴奋起源于心房内的某个异位起搏点，而非正常由SA结（SA node）引发的兴奋扩散路径。早去极化的QRS波群通常正常，因为心室兴奋仍通过常规路径传导。

临床相关

图16.28B显示了室性期前除极（premature ventricular depolarization）的描记图。由于这种异常兴奋起源于心室的某个异位灶（ectopic focus），冲动传导路径异常，导致QRS波群和T波的形态与正常心室除极波完全不同。期前QRS波群与之前正常QRS波群的间期缩短，而期后QRS波群与后续正常QRS波群的间期则因代偿性间歇（compensatory pause）而延长。从期前兴奋前的QRS波群到期后QRS波群的间期，实际上等于两个正常心动周期的持续时间。

如前所述，室性期前除极后通常伴随代偿性间歇。这种间歇的出现是因为心室异位冲动并未干扰窦房结（SA node）的自然节律。可能原因有二：1）心室异位冲动未通过房室（AV）传导系统逆传；2）在异位冲动到达窦房结并引发其提前除极前，窦房结已按其固有节律发放冲动。同理，在室性早搏（ventricular extrasystole）发生前后产生的窦房结冲动通常也不会影响心室，因为此时房室交界区及可能包括心室本身仍处于室性期前兴奋后的不应期（refractory period）。

• 图16.27 房室（AV）传导阻滞。A，一度房室阻滞：PR间期0.28秒（正常值<0.20秒）。B，二度房室阻滞（P波与QRS波群比例为2:1）。C，三度房室阻滞：注意P波与QRS波群的分离现象。 • 图16.28 房性期前除极与室性期前除极。房性期前除极（A；第二个心搏）的特征为倒置P波（位于第二个"P"下方）和正常QRS波群及T波。房性期前除极后的间期并未显著长于常规心动周期。最后一个房性除极前的矩形波为标准化信号。室性期前除极（B）的特征为异常倒置的QRS波群和高耸T波，并伴随代偿性间歇。

房性或房室交界组织起源的阵发性心动过速

起源于心房或房室交界组织（图16.29A）的阵发性心动过速通常难以区分，因此术语阵发性室上性心动过速（paroxysmal supraventricular tachycardia）可指代这两种类型。在此类心动过速中，冲动常围绕包含心房和房室交界组织的折返环路循环传导。QRS复合波通常保持正常，因为心室激活通过常规传导通路进行。顾名思义，阵发性室性心动过速（paroxysmal ventricular tachycardia）起源于心室的异位起搏点。其心电图特征表现为反复出现的异常QRS复合波，反映心室内异常冲动传导（见图16.29B）。阵发性室性心动过速比室上性心动过速更为凶险，因其常是心室颤动（一种致命性心律失常，详见下节）的前兆。

异位性心动过速

与窦性心动过速的特征性渐变速不同，起源于异位起搏点的心动过速通常突然发生和终止。此类异位性心动过速统称为阵发性心动过速。

• 图16.29 阵发性心动过速。A，室上性心动过速：每个QRS复合波前可见P波；B，室性心动过速：P波不易观察。

阵发性心动过速发作可能仅持续数个心搏，也可能持续数小时或数日，且常反复发作。阵发性心动过速可能由以下机制引发：(1) 异位起搏点快速放电；(2) 达到阈值的后电位引发的触发活动（triggered activity）；(3) 冲动在折返环路中反复循环传导。

纤维性颤动

在某些条件下，心肌会进行无效血液输送的不规则收缩。此类心律失常称为纤维性颤动（fibrillation），可发生于心房或心室。纤维性颤动可能表现为折返现象的变异形式，此时折返环路分裂为多个不规则传导路径。

图16.30A显示了心房纤维性颤动的心电图改变。这种心律失常见于多种慢性心脏病类型。心房在每个心动周期中不再进行有序的收缩-舒张交替，因此不再参与心室充盈过程，而是表现为持续、不协调的波纹状运动。心电图上不再出现P波，代之以持续不规则的电位波动（称为f波）。房室结的激活间隔在不同周期中可能存在显著差异，因此连续QRS复合波或心室收缩之间缺乏固定间隔。由于心室收缩强度取决于心搏间隔（见第18章），脉搏的容量和节律均呈现不规则性。许多患者的房性折返环路和房室传导模式较心房纤维性颤动时更为规律，此类节律则称为心房扑动（atrial flutter）。

IN THE CLINIC

房颤与室颤

心房颤动（atrial fibrillation）和心房扑动（atrial flutter）通常不会危及生命；部分患者在此类心律失常状态下仍可维持正常功能。然而，由于心房失去节律性收缩与舒张，易在心房内形成血栓。若此类血栓脱落，可能随血流进入肺循环或体循环血管床。房颤或房扑患者通常需接受抗凝药物（anticoagulant drugs）（如coumadin）治疗以预防血栓形成。相比之下，心室颤动（ventricular fibrillation）会在几秒内导致意识丧失。心室肌纤维持续、不规则且不协调的抽搐无法泵出血液。除非立即实施复苏或心律自发恢复正常（极为罕见），否则将迅速导致死亡。当整个心室或部分心室区域丧失正常血液供应时，可能诱发室颤。电击伤、某些药物及麻醉剂亦可引发室颤。在心电图（ECG）（见图16.30B）上可见电位波动极度紊乱。

• 图16.30 心房颤动（A）与心室颤动（B）。

室颤常由心脏周期易损期（vulnerable period）内出现的期前冲动触发。此期与ECG上T波降支时相一致。在此期间，心肌细胞兴奋性存在空间异质性：部分纤维仍处于有效不应期（effective refractory period），部分几乎完全恢复兴奋性，另一些虽可传导冲动但传导速度极慢。因此，动作电位以众多不规则小波形式在心腔内传播，沿迂曲路径以不同传导速度行进。当某区域心肌细胞再次恢复兴奋性时，最终会被环绕心腔传播的某一波前激活。因此，该过程具有自我维持性。

通过延长不应期的药物可将房颤转复为正常窦性心律（normal sinus rhythm）。当心脏冲动完成折返环路时，可能遭遇处于不应期的心肌纤维。若药物治疗房颤效果不佳，可采用电除颤（electrical defibrillation）纠正。

室颤需采取紧急治疗措施。通过强电流使整个心肌短暂进入不应期，可实现向正常窦性心律的转复。目前已开发出经完整胸壁安全施放电流的技术。治疗成功时，SA node将再次主导整个心脏的正常起搏功能。

IN THE CLINIC

植入式心脏复律除颤器（Implantable Cardioverter-Defibrillator，ICD）装置

植入式心脏复律除颤器（ICD）装置被开发用于预防突发心室颤动（ventricular fibrillation）或阵发性室性心动过速（paroxysmal ventricular tachycardia）患者的猝死。前者若不立即处理将致命，而后者常进展为心室颤动并导致猝死。ICD装置被植入胸壁左锁骨下区域的皮下。心房和心室导联可记录右心房和右心室心电图，并提供右心房或右心室起搏功能（或两者兼具）。右心室内的除颤线圈可对心室施加强电流，从而通常能终止致命性心律失常。

心脏泵

心脏必须始终以足够的收缩力和输出量（血流量）实现以下功能：(1) 维持大动脉血液的适当压力；(2) 提供充足的总血流量以满足所有组织和器官的代谢需求。（大动脉血液的适当压力确保在各种情况下，每个组织或器官都能通过自我调节血流量来满足其代谢需求。）为此，心率（本章前文已讨论）和心肌收缩性能必须发生相应变化。心脏收缩性能的调节主要通过两种机制实现：(1) 每个心肌细胞的E-C耦联过程调控（见第13章及后续章节）；(2) 心肌细胞对收缩期（收缩和射血）与舒张期（舒张和充盈）期间作用于心脏整体的物理力（即前负荷和后负荷）的反应。E-C耦联受神经系统和循环物质的调控，而前负荷和后负荷的调控则源自心脏与体循环和肺循环血管系统的连接（本章后续及第18、19章将详细阐述）。与骨骼肌不同，心室中几乎所有心肌细胞在每次收缩时均以相似方式被激活；而骨骼肌的收缩强度是通过改变强直激活肌细胞群的数量（即"募集"，见第12章）来调节的。

心脏E-C耦联

• 图16.32 心室肌细胞电压钳制去极化引发的L型Ca++电流与胞质[Ca++]瞬变。(A) 去极化至-30 mV（红色）、-10 mV（绿色）和10 mV（蓝色）时诱发的ICa,L电流（下图）与胞质[Ca++]瞬变（上图）。(B)[Ca++]和(C)电流均以相似方式依赖于膜电位。实验结果支持ICa,L调控SR Ca++释放的观点（见正文）。

在每个心室肌细胞内，动作电位引起胞质[Ca++]发生显著且空间上均匀的变化。因此，特定心腔所有细胞的肌小节几乎同步发生收缩激活。激活收缩的胞质[Ca++]变化源自肌质网释放的Ca++，称为"胞质[Ca++]瞬变"（图13.2、13.3和16.32）。胞质[Ca++]瞬变的幅度（进而决定收缩强度）主要由两个细胞过程动态调节：(1) 动作电位期间的L型Ca++电流；(2) 肌质网"二联体（dyadic）"区域（图13.1B）释放的Ca++。

Ca++通道与E-C耦联

在心肌细胞中，L型Ca++通道簇与肌浆网Ca++释放通道（RyR）共定位于二联体（dyadic）SR-T管连接处（图13.1、13.2和13.4）。大量实验证据表明，通过L型Ca++通道（Ca_V1.2）进入二联体空间的Ca++可通过激活RyR（即促使其开放），触发肌浆网释放更大量的Ca++。研究发现，二联体中[Ca++]的局部变化是心脏E-C耦联中Ca++信号的基本单元，称为Ca++火花（Ca²⁺ spark）（因这些局部二联体Ca++瞬变最初通过细胞内荧光Ca++指示剂在实验中观测到，表现为微小闪光，见图16.33）。

• 图16.33 钙火花（Ca²⁺ sparks）是细胞质钙瞬变（Ca²⁺ transient）的基本单元。静息细胞中会自发产生少量Ca²⁺火花，但在E-C耦联过程中，通过邻近L型钙通道（Ca_V1.2）进入二联体空间的Ca²⁺会触发大量Ca²⁺火花。(A) 使用细胞内荧光Ca²⁺指示剂染料在单个离体心室肌细胞中记录到的**自发Ca²⁺火花**。细胞边缘以黄色标示；单个Ca²⁺火花表现为染料荧光增强的微小区域（<5μm）。(B) 高时空分辨率记录的单次自发Ca²⁺火花。图像显示沿单个Z线的Ca²⁺火花的时序演变。(C) 电压钳脉冲激活L型钙通道触发Ca²⁺火花。使用钙通道阻滞剂维拉帕米阻断几乎所有L型钙通道，从而降低触发Ca²⁺火花的概率并显示单个被触发的火花。此时I_Ca,L因过小而无法记录，但在去极化过程中仍有少量L型钙通道开放并触发少量Ca²⁺火花。(D) 在(C)所示实验中触发Ca²⁺火花概率的电压依赖性。Ca²⁺火花数量与全细胞钙瞬变（图16.32B）及全细胞L型钙电流（图16.32C）具有相似的电压依赖性模式。

通过L型Ca++通道进入的Ca++诱发肌质网（SR）Ca++释放的这一过程，被称为"钙诱导钙释放（Calcium induced Calcium release，CICR）"。CICR涉及Ca++的正反馈机制，因此可能导致SR不受控制地释放Ca++，从而阻碍心脏收缩的精准调控。然而实验数据表明，SR的Ca++释放是受控的：这一表观矛盾的解释在于心脏E-C（E-C）耦联的"局部控制"理论。SR Ca++释放局部控制的关键因素包括：（1）激活SR Ca++释放通道（即RyR，见图13.2）需要局部[Ca++]远高于正常胞质[Ca++]；（2）RyR的有效激活是通过单个L型Ca++通道(CaV1.2)进入二联管间隙的Ca++实现的；（3）通过二联管中尚未完全了解的机制终止释放；（4）部分扩散至远处二联管的释放Ca++会被SR重新摄取。

总结而言，释放位点（二联管）之间的纵向物理隔离、正常SR Ca++释放通量的短暂性，以及RyR激活需要高浓度二联管[Ca++]等因素，共同导致了以下情况：从一个二联管释放的Ca++通常无法以足够浓度或足够快的速度到达下一个二联管（相隔一个肌小节长度）以触发进一步释放。然而，足够的Ca++会到达每个肌小节内的肌丝，与肌钙蛋白C结合并激活收缩。因此，总释放的Ca++是Ca++火花的总和，其数量与细胞中开放的L型Ca++通道(CaV1.2)数量相关，这些通道构成了细胞内的L型Ca++电流。通过L型Ca++通道(CaV1.2)对SR Ca++释放和肌肉收缩的调控由此实现。

SR Ca++含量与Ca++通量平衡

肌浆网（SR）Ca++负荷的变化是调节心肌收缩的关键因素。SR Ca++负荷增加会提升Ca++火花的发生概率和幅度。然而在正常条件下，Ca++火花仍是胞质[Ca++]瞬变的基本单元，且SR Ca++释放仍由二联体连接处的L型Ca++通道进行"局部"控制。以下过程将倾向于增加SR Ca++含量：

L型Ca++电流增强
SR Ca++泵（SERCA）活性增强
通过钠钙交换体（NCX）的Ca++外排减少
心搏间期缩短

上述过程的相反效应将导致SR Ca++含量（负荷）降低。这些变化会引起SR Ca++负荷改变从而改变收缩强度，但随后必须发生其他变化以恢复Ca++流平衡（ Ca++ flux balance）。Ca++流平衡的核心概念是：为了防止持续性的Ca++丢失或获得，在心脏功能的任何稳态条件下，表面膜的Ca++内流必须等于表面膜的Ca++外流。即使在SR Ca++负荷不同于其他稳态条件或处于变化过程中（趋向新的稳态条件）时，该平衡在稳态下必然成立。

• 图16.34 钙流动平衡的产生机制与肌质网（SR）钙含量的调控。A、流程图。展示钙内流超过外流后的恢复过程。方框自上而下显示：细胞钙含量增加导致SR钙含量升高；钙瞬变（红色）幅度增大。最下方方框显示去极化时的膜电流记录，红色轨迹表明钙瞬变幅度增大会导致动作电位期间L型Ca²⁺电流更快失活，复极时钠钙交换电流增大（箭头指示）。B、示例轨迹。自上而下分别显示：胞内[Ca²⁺]浓度；肌膜钙流动；计算的细胞（及SR）钙增益。记录开始时应用10 mmol/L咖啡因排空SR。移除咖啡因后开始电刺激。注意钙瞬变幅度的恢复伴随着钙内流减少和外流增加。

如图16.34所示，在肌膜Ca++流发生改变后，存在反馈机制来恢复Ca++流平衡。因此，心肌细胞可以在保持必要Ca++平衡的同时，通过形成新的、改变的胞质Ca++瞬变，实现搏动的新稳态。SR Ca++负荷的变化是心脏力-频率关系（图16.35、图18.14、图18.16）以及许多其他正常和病理性心脏收缩性能改变的重要组成因素。

在某些情况下（如心肌细胞受损且代谢性排出胞质Ca²⁺能力下降，导致胞质[Ca²⁺]异常升高时），肌质网（SR）内的Ca²⁺含量会相应增加。此时高胞质[Ca²⁺]（及其他异常条件）会导致"自发性"Ca²⁺火花（即无需通过L型钙通道的Ca²⁺内流触发）频率增加。这种情况下，胞质[Ca²⁺]的变化可能波及邻近的T管-肌质网连接处，产生沿细胞传播的[Ca²⁺]变化"波"。此类Ca²⁺波在心肌中并不正常，可能与触发型心律失常（如延迟后除极[DADs，图16.20]）有关，因为升高的[Ca²⁺]会通过Na⁺/Ca²⁺交换体（NCX）增加Ca²⁺外流并产生内向（去极化）电流（图16.20）。

心脏E-C耦联机制的调节

心脏E-C耦联（E-C coupling）机制是心血管系统生理调节的靶点。儿茶酚胺通过cAMP依赖性蛋白激酶对Ca²⁺通道进行磷酸化，增加Ca²⁺进入细胞的速度，同时刺激肌质网（SR）更快速地摄取Ca²⁺，从而提高SR内Ca²⁺含量。儿茶酚胺对心肌细胞的这些作用对调节心率、收缩强度和舒张速率至关重要。详见第13章和第18章，特别是图13.3、13.4、18.19和18.20。

Na⁺/Ca²⁺交换体（NCX）可将Ca²⁺转运进入或排出细胞。当膜电位（Vm）为负时，Ca²⁺通常通过NCX外流。当Vm为正且胞质内[Ca²⁺]浓度较高时，NCX会将Ca²⁺转运进入细胞（图16.6）。收缩期Ca²⁺（systolic Ca²⁺）浓度的升高也可通过增加细胞外Ca²⁺或降低肌膜两侧的Na⁺梯度实现。钠梯度可通过增加胞内Na⁺或降低胞外Na⁺来减小。强心苷类药物通过抑制Na⁺-K⁺泵提高胞内Na⁺浓度，导致细胞内Na⁺积累。升高的胞质Na⁺会减少Ca²⁺的外排，从而提高胞质[Ca²⁺]浓度。更多Ca²⁺随后被肌质网（SR）摄取储存，从而产生更强的收缩。降低胞外Ca²⁺、增加肌膜两侧Na⁺梯度，或使用Ca²⁺通道阻滞剂（如地尔硫䓬或维拉帕米）可减弱收缩张力。

舒张

心脏每次收缩后的适当舒张对其正常功能至关重要：只有当心室开始舒张后，来自体循环和肺循环（分别通过右心房和左心房）的血液回流才能充盈心室。在收缩期结束时，Ca++内流停止，肌浆网（SR）Ca++释放终止。此时肌浆网可快速净摄取胞质Ca++。随着胞质[Ca++]下降，Ca++从肌钙蛋白C解离，使横桥脱离并引发舒张。重要的是，当儿茶酚胺增强心肌收缩力时，它们还通过磷酸化肌钙蛋白I（见图13.4）降低收缩装置对Ca++的敏感性，从而降低肌钙蛋白C对Ca++的亲和力。这种效应有助于快速舒张，因为当Ca++释放停止后，Ca++能更快地从肌钙蛋白C解离。该效应对保证儿茶酚胺作用下心率加快时的舒张期充盈至关重要。复极期间NCX1（图16.6）介导的Ca++外排也促进舒张和Ca++通量平衡的维持。

力-频率关系

如前所述，L型Ca++电流和肌浆网Ca++含量均受心搏速率和时间模式的影响。因此，二者共同决定了心脏收缩对搏动频率和模式的重要依赖性，即"力-频率关系（force-frequency relationship）"（图16.35，另见第18章"速率介导的调节"）。动作电位也受频率或周期长度的影响（图16.14），这些变化具有多种离子机制。在恒定心率下，心室肌的收缩强度通常随频率升高而增强（见图18.14）。由于人类在一天中的心率可能变化3倍（特别是在动态运动期间），力-频率关系通常是心脏收缩强度的决定因素之一。力-频率关系反映了电活动和E-C耦联所有基础机制的调节作用。

收缩性

收缩性决定了心肌在特定前负荷与后负荷下的功能表现（下一节将详细讨论）。前负荷和后负荷是影响心脏收缩能力的物理因素，主要独立于先前讨论的兴奋-收缩耦联过程。在整个心脏中，心肌细胞的收缩性决定了心脏在特定初始心肌细胞长度（由前负荷决定的肌节长度）下产生力量或缩短的能力。儿茶酚胺（如去甲肾上腺素）、治疗药物（如洋地黄）或通过力-频率关系、增加收缩频率，均可增强收缩性。这些干预措施引起的收缩性增强（正性肌力作用(positive inotropic effect)）表现为收缩力量与收缩速度的逐步提升。

• 图16.35 心肌胞质Ca++瞬变与力-间期关系。正常搏动后，紧密耦联的搏动（期前收缩，"a"）的峰值力显著降低。当期前收缩前的间期延长时，恢复至稳态水平"b"。在期前收缩后正常间期出现的"期后收缩"搏动"a’"的收缩力远强于正常，这种现象称为"期外收缩后增强（post-extrasystolic potentiation）"。心脏力-间期关系源于：(1) 心脏E-C耦联中所有时间依赖性过程的相互作用；(2) 这些过程运行的可用间期。改编自Wier WG和Yue DT的《J Physiol》1986;376:507-530图1。

心肌收缩的物理影响因素

心肌收缩的长度依赖性

有效心脏泵功能的一个关键细胞特性是心肌收缩的长度依赖性。这一特性体现在心肌的长度-张力关系中。在完整心脏中,它表现为容积-压力关系。当心腔容积因物理拉伸(充盈)而增大时,可以推断心肌细胞长度和肌节长度也随之增加。心肌收缩的长度依赖性从细胞水平解释了心脏Frank-Starling定律的机制基础。

在心肌中,与骨骼肌类似,收缩力的产生是Ca++激活的、产生力的肌球蛋白-肌动蛋白横桥(即肌丝滑行机制)作用的结果。在骨骼肌和心肌中,可形成的横桥数量取决于肌球蛋白和肌动蛋白丝的重叠程度,这由肌节长度决定。因此,尽管在形式和细胞机制上存在一些关键差异(见第13章),骨骼肌和心肌通常表现出相似的长度-张力关系。根据细肌丝(肌动蛋白)和粗肌丝(肌球蛋白)重叠程度的变化,随着肌节长度的增加(上升支),产生的力会增大直至达到最大值,然后在极端长肌节长度时下降。一个显著差异是:在心肌中,肌钙蛋白C对Ca++的亲和力会随着肌节长度的增加而增强,从而导致长度-张力关系上升支的斜率增大。

肌肉收缩的肌丝滑行机制中描述的分子相互作用,连同心肌中某些长度依赖性机制,共同构成了心脏Frank-Starling定律的细胞基础。该定律描述了心脏通过调整其输出量(每搏输出量)来匹配输入量(舒张期充盈量)的现象。Frank-Starling定律的关键生理作用将在第18和19章详细讨论。

• 图16.36 完整心脏中心室收缩时心肌静息纤维长度（肌小节长度）或舒张末期容积与产生的力或心室收缩压峰值的关系。舒张末期容积决定纤维长度。根据心室顺应性，舒张末期容积由舒张末期压力决定。另见第17章。

不同心腔的容积-压力关系（反映肌小节长度-张力关系）存在差异，因为各腔室能够产生的最大主动力或压力不同。通常以左心室为研究对象，因为它是做功最多并将血液泵入体循环的腔室。构建左心室的这种关系（图16.36）时，将对抗关闭的主动脉瓣（即等容收缩期）产生的左心室收缩压峰值（或力）作为左心室舒张末期容积（EDLV）的函数进行绘制。EDLV越大意味着肌小节长度越长。左心室舒张末期压力也可视为前负荷，因为它是拉伸细胞、改变其长度从而改变左心室容积的力。

值得注意的是，在特定EDLV（代表初始肌小节长度）下左心室能够产生的最大压力，仅在其完全等容收缩（即容积不变时）时才能获得。这可以通过实验实现，但正常情况下不会发生。然而，在每个心动周期中，当二尖瓣（房室瓣）和主动脉瓣均关闭时（人类正常心动周期中的等容收缩期和等容舒张期见图16.40），左心室确实会在短时间内进行正常的等容收缩和舒张。

总之，图16.36中下方的曲线代表舒张末期达到的肌小节长度，此时心脏在特定心动周期中被最大程度充盈；此时肌小节的拉伸长度将通过心肌收缩的长度依赖性决定后续收缩的强度。上方的曲线代表心室根据该初始肌小节长度所能产生的最大主动收缩力：这是心肌收缩长度依赖性的体现。最后，如前所述，由于舒张末期压力或容积与舒张末期肌小节长度的相关性，此类图中的x轴也可选用舒张末期压力或舒张末期体积作为变量。在特定生理状态下，完整循环系统中的心脏在每个心动周期内的压力和容积变化始终位于这两条曲线之间的区域。由于这种变化贯穿整个心动周期，此类图被称为"压力-容积"环（见图16.42和16.43）。

在舒张期初期，压力-容积曲线呈现较为平缓的形态（顺应性良好），这表明微小的压力增加即可引起较大的容积变化。然而在较低的充盈压力下，收缩压的主动形成能力仍然相当显著。这使得心脏即使在舒张期充盈量较低、初始肌节长度较短的情况下，仍能保持强有力的收缩能力。随着充盈量增加，心室的可扩张性显著降低，这表现为在高室内容积时舒张压曲线的急剧上升。但在此充盈量范围内，心脏产生收缩力的能力快速增强，如上方曲线所示。

在正常完整左心室中，最大收缩力可能在约12mmHg的充盈压力下达到。此时的室内舒张压接近正常心脏观测值的上限，肌节长度接近最佳值2.2μm。即使在极高的舒张压力下(>50mmHg)，肌节长度也不会超过2.6μm。心肌在高充盈压下抵抗拉伸的能力可能源于心脏组织中的非收缩成分（结缔组织和心包），这可能是防止心脏舒张期过载的安全机制。通常情况下，心室舒张压约为0-7mm Hg，平均舒张期肌节长度约为2.2μm。因此，如图16.36所示，正常心脏工作在Frank-Starling曲线的陡峭上升段。

前负荷与后负荷

除细胞E-C耦联过程外，整个心脏的收缩还受到称为前负荷(preload)和后负荷(afterload)的"机械"或物理因素的关键影响。前负荷在临床上可通过左心室舒张末期压力等参数测量，是心输出量的关键决定因素。心输出量对前负荷的依赖性反映了心脏收缩的长度依赖性特征和Frank-Starling心脏定律。前负荷、后负荷、等长收缩、等张收缩以及缩短速度等概念最初是为骨骼肌建立的，经过针对心腔三维肌性结构（需要通过肌肉收缩射血）的必要调整后，同样适用于心脏功能。这些概念虽然适用于心脏，但需根据三维腔室器官的特点进行调整。

在心脏中，特定心腔的前负荷（preload）是指舒张期充盈期间拉伸该腔室至更大容积的力，从而增加构成该腔室壁的细胞的静息长度。以左心室为例，充盈左心室的血流压力（即舒张期拉伸左心室壁的力）即为左心室的前负荷。图16.36中的下曲线即代表左心室的前负荷。

后负荷（afterload）对于左心室而言，是指左心室在缩短并通过开放的主动脉瓣射血时必须对抗的力或压力。正常情况下，左心室的后负荷主要来自主动脉内的血液压力，因此动脉血压是左心室后负荷的主要组成部分。然而，左心室的后负荷在射血过程中并非恒定，因为左心室压力在其缩短阶段会不断变化。由于主动脉的顺应性、反射性动脉压力波的到达以及其他因素，动脉血压在整个射血过程中也会发生变化。后负荷的增加往往会降低心室肌的缩短速度，从而减少每搏输出量。

在完整循环系统中，心脏与血管因素的相互作用会影响前负荷和后负荷，进而影响心输出量。例如，站立时下肢的静脉血液淤积会降低心室前负荷，因为这降低了返回心脏的静脉血压力。总外周阻力（TPR）的增加往往会增加心脏后负荷。关于血管和心脏因素在决定心脏前负荷、后负荷以及心输出量方面的相互作用，将在第19章详细讨论。

心脏作为泵的结构

图16.37 心脏沿室间隔垂直切开的示意图，显示房室瓣和主动脉瓣叶片的解剖关系。

图16.38 从心脏基底部观察的四个心脏瓣膜示意图。注意闭合状态下瓣叶的重叠方式。

哺乳动物的心脏是一个四腔室结构（图16.37、16.38），从功能角度看由两个串联的"心脏"组成。"右心"由右心房和右心室构成，接收来自体循环的脱氧血液，并以低压将其泵入肺循环进行氧合。"左心"由左心房和左心室构成，接收来自肺循环的氧合血液，并以高压将其泵入体循环，分配至所有器官和组织。

心腔

心房是薄壁低压腔室，其主要功能是作为对应心室的大容量血液储存通道，而非推动血液前行的主要泵体。心室由一系列起源于心脏基部纤维骨架（主要围绕主动脉口）的肌纤维连续体构成。这些肌纤维在心外膜表面向心尖方向延伸，逐渐转向心内膜方向，并经历180度的方向改变，最终与心外膜纤维平行排列形成心内膜和乳头肌。

在心尖部位，肌纤维扭转内卷形成乳头肌。在心脏基部和瓣膜口周围，这些心肌纤维形成厚实有力的肌群，不仅通过缩小心室周径实现血液射血，还能缩小房室瓣口以辅助瓣膜关闭。心室射血还可通过心脏向基部缩窄时纵轴长度的缩短来实现。心室心尖部的早期收缩与室壁的相互靠近协同作用，将血液推向心室流出道。右心室产生的平均压力约为左心室的七分之一，其室壁厚度显著薄于左心室。

心脏瓣膜

心脏瓣膜由柔韧坚韧的薄片状结构组成，表面覆盖内皮细胞的纤维组织，基部牢固附着于纤维瓣环。瓣膜小叶的运动本质上是被动性的，其空间排列决定了血液在心脏内的单向流动。心脏瓣膜分为两种类型：房室瓣和半月瓣（图16.37和16.38）。

房室瓣

三尖瓣位于右心房与右心室之间，由三个瓣叶构成；二尖瓣位于左心房与左心室之间，具有两个瓣叶。每个房室瓣的瓣叶总面积约为对应房室口的两倍，因此在瓣膜关闭时存在显著的瓣叶重叠现象。瓣膜游离缘附着有精细而坚韧的腱索，这些腱索起源于对应心室的强健的乳头肌，可防止心室收缩期瓣膜外翻。

在正常心脏中，心室充盈期瓣膜小叶保持相对闭合状态。舒张期瓣膜表面部分闭合的现象由瓣叶后方形成的涡流，以及腱索和乳头肌产生的张力共同作用所致。

半月瓣

肺动脉瓣和主动脉瓣分别位于右心室与肺动脉之间，以及左心室与主动脉之间。这些瓣膜由三个附着于瓣环的杯状瓣膜尖组成。在心室收缩期射血阶段结束时，血流会短暂地向心室方向逆流。这种血流逆转使瓣膜尖迅速闭合，防止血液反流入心室。在心室收缩期，瓣膜尖并非紧贴肺动脉和主动脉壁，而是悬浮于血流中，处于血管壁与闭合位置之间的中间点。

半月瓣后方存在肺动脉和主动脉的小袋状膨出结构（Valsalva窦）。在这些窦部会形成涡流（eddy currents），有助于防止瓣膜尖与血管壁贴合。此外，左、右冠状动脉开口分别位于主动脉瓣左瓣尖和右瓣尖的后方。若没有Valsalva窦及其形成的涡流，冠状动脉开口可能会被瓣膜尖阻塞，导致冠脉血流中断。

心包

心包包裹整个心脏和大血管的心段部分，其内层反折形成心外膜（epicardium）。心包腔内通常含有少量液体，为持续搏动的心脏提供润滑。心包伸展性有限，能有效抵抗心脏体积的快速增大，从而防止心腔突发性过度扩张。

心音

心脏通常产生四个心音，但通过听诊器通常仅能闻及两个。借助电子放大技术，可检测并记录强度较低的心音，形成心音图（phonocardiogram）。这种记录微弱心音的方法有助于精确定位心音在心动周期中的时序关系。

第一心音起始于心室收缩期开始（图16.39），反映房室瓣（AV valves）关闭。这是最响亮、持续时间最长的心音，具有渐强-渐弱特征，在心脏心尖区听诊最清晰。三尖瓣音在胸骨左缘第五肋间最明显，二尖瓣音则在心尖部第五肋间最清晰。

第二心音由半月瓣突然关闭产生（见图16.38），与第一心音相比具有更高频率振动（音调更高）、持续时间更短、强度更低。肺动脉瓣关闭产生的第二心音成分最佳听诊区位于胸骨左缘第二肋间，而主动脉瓣关闭产生的成分最佳听诊区位于同一肋间胸骨右缘。通常主动脉瓣音较肺动脉瓣更响亮，但在肺动脉高压病例中则相反。第二心音特性随呼吸变化：呼气时听到单一心音，反映肺动脉瓣和主动脉瓣同步关闭；吸气时，肺动脉瓣关闭延迟（主要因吸气引起静脉回流增加导致血流量增加所致），此时第二心音可闻及两个成分，称为第二心音的生理性分裂（physiological splitting）。

第三心音有时可在胸壁较薄的儿童或左心室衰竭患者中听到。它由少量低强度、低频率的振动组成，最佳听诊区位于心尖部。这些振动发生在舒张早期，由心室扩张的突然停止和血液进入心室的减速引起。第四心音（或称心房音）由少量低频振荡组成，偶尔可在心脏正常个体中听到，其成因是心房收缩引起的血液和心腔振荡。

心动周期

心动周期指心脏每次搏动时发生的电活动和机械事件序列。本章前文已详细讨论电活动事件。机械事件由电激活后的心室收缩决定。瓣膜的开放和关闭是被动发生的（即由血液在腔室间或进入肺动脉、主动脉时流动的压力和动能决定）。

心室收缩期

等容收缩期

心室收缩期开始到半月瓣开放（发生在心室压力急剧升高时）之间的阶段称为等容（isovolumic,字面意为"相同容积"）收缩期。这一术语是恰当的，因为在此短暂期间心室容积保持恒定（见图16.40）。等容收缩期的起始也与心电图R波峰值、第一心音的产生、以及心房收缩后心室压力曲线上心室压力的最早上升相一致。

临床知识

在负荷过重的心脏中，如充血性心力衰竭时，心室容积显著增大且心室壁最大程度扩张，常可闻及第三心音。心脏病患者出现第三心音通常为危重征兆。当第三心音与第四心音（房性）增强时（见于某些病理状态），可能产生类似马蹄声的三联律（称为奔马律）。二尖瓣关闭不全与二尖瓣狭窄分别产生收缩期杂音与舒张期杂音，在心尖部听诊最为清晰。与之相反，主动脉瓣关闭不全与主动脉瓣狭窄则分别产生舒张期杂音与收缩期杂音，最佳听诊区位于胸骨右缘第二肋间。这些杂音的特征是诊断瓣膜病的重要依据。

射血

半月瓣的开放标志着心室射血期的开始。该期可分为较早且较短的快速射血期和较晚且较长的减慢射血期。快速射血期与减慢射血期可通过三个特征区分：(1) 心室和主动脉压力急剧上升至峰值；(2) 心室容积突然减小；(3) 主动脉血流显著增加（见图16.40）。心室射血开始时左房压的急剧下降由心脏基部下移及随之发生的心房拉伸所引起。在减慢射血期，血液从主动脉向周围血管的流出速率超过心室输出速率，因此主动脉压下降。在整个心室收缩期，外周静脉回流入心房的血液使心房压逐渐升高。

在快速射血期，左室压略高于主动脉压，主动脉血流加速（持续增加）；而在减慢射血期，主动脉压更高，主动脉血流减速。这种在左室向主动脉持续射血过程中出现的室-主动脉压力梯度逆转，是由于动脉壁拉伸所储存的势能（potential energy）所致。这种储存的势能导致左室向主动脉的射血速度减慢。血流曲线的峰值与射血期左室压力曲线和主动脉压力曲线的交点相对应。此后，因压力梯度逆转，血流开始减速（持续降低）。

图16.40显示颈静脉记录的静脉搏动曲线。可见三个波形：a波由心房收缩引起的压力上升产生；c波由颈总动脉对邻近颈静脉的冲击及一定程度的三尖瓣在心室收缩早期突然关闭所致；v波反映心房充盈伴随的压力升高。除c波外，静脉搏动曲线与左房压力曲线高度相似。

心室舒张

等容舒张期

主动脉瓣关闭会在主动脉压力曲线的下降支产生特征性切迹（incisura），并产生第二心音（在心房压力曲线上可见明显振动）。该切迹标志着心室收缩期的结束。半月瓣关闭到房室瓣（AV valves）开放之间的时期称为等容舒张期。其特征是心室压力急剧下降而心室容积保持不变。

快速充盈期

心室充盈的主要部分发生在房室瓣开放后即刻。此时，前一次心室收缩期间回流至心房的血流会突然释放到舒张的心室中。这一心室充盈时期称为快速充盈期。在图16.40中，快速充盈期的开始表现为左心室压力降至左心房压力以下。这种压力逆转使二尖瓣开放。血液从心房快速流入舒张的心室会导致心房和心室压力短暂下降，同时心室容积急剧增加。

舒张中期（diastasis）

快速充盈期之后是缓慢心室充盈期，称为舒张中期。在舒张中期，外周静脉回流的血液进入右心室，而来自肺部的血液进入左心室。这种缓慢的小幅度心室充盈表现为心房、心室和静脉压力以及心室容积的逐渐上升（见图16.40）。

临床视角

心肌收缩力增强（如儿茶酚胺类药物或地高辛对心力衰竭患者的作用）可能减少心室残余血量，增加每搏输出量和射血分数，这些均为有益效应。在严重低动力性扩张的心脏中，残余血量可能显著超过每搏输出量。

心房收缩期

心房收缩期开始于心电图P波（心房去极化）出现后不久。通过心房收缩实现的血液从心房到心室的转移完成了心室充盈期。心房收缩会导致心房、心室和静脉压力以及心室容积的小幅增加。在整个心室舒张期，心房压力仅略高于心室压力。这种微小压力差表明，心室充盈期间开放的房室瓣通道具有低阻力特性。

由于腔静脉与右心房交界处以及肺静脉与左心房交界处没有瓣膜，心房收缩可能迫使血液向两个方向流动。然而，在短暂的心房收缩期间，实际反流到静脉属支的血液量极少，这主要与流入血液的惯性有关。

心房收缩对心室充盈的贡献在很大程度上受心率（heart rate）和房室瓣（AV valves）位置的影响。在心率较慢时，充盈过程实际上在舒张晚期（diastasis）结束时已停止，此时心房收缩对充盈的补充作用微乎其微。然而在心动过速（tachycardia）时，舒张期缩短，心房收缩的贡献可能变得显著。当心动过速严重到使快速充盈期（rapid filling phase）缩短时，心房收缩便在这个心动周期（cardiac cycle）的短暂时间内对血液快速进入心室起重要作用。若心室舒张期过短导致充盈严重受损，即使心房收缩也无法提供足够的心室充盈。由此产生的心输出量（cardiac output）降低可能导致晕厥（syncope）。

临床意义

心房收缩并非心室充盈的必要条件，这在心房颤动（atrial fibrillation）或完全性心脏传导阻滞（complete heart block）患者中可见。心房颤动时，心房肌纤维以持续、非协调的方式收缩，因此无法将血液泵入心室。完全性心脏传导阻滞时，心房与心室各自独立搏动。但具有这两种心律失常（arrhythmias）的患者仍可能保持正常的心室充盈。在某些病理状态下，房室瓣可能出现显著狭窄（stenotic）。这种情况下，心房收缩对心室充盈的作用远比正常心脏更为重要。

完整心脏的收缩力指标

• 图16.41 左心室压力曲线图显示升支最陡峭处的切线，用以指示压力随时间变化的最大速率（dP/dt值）。A（蓝色曲线）为对照组；B（红色虚线曲线）为高动力心脏，如给予去甲肾上腺素后的状态；C（绿色虚线曲线）为低动力心脏，如心衰状态。

在完整心脏中，心肌收缩力（myocardial contractility）的合理指标可从心室压力曲线形态推导得出（图16.41）。低收缩力的低动力心脏特征表现为舒张末期压力（end-diastolic pressure）升高、心室压力上升缓慢以及射血期（ejection phase）轻度缩短（图16.41曲线C）。高动力心脏（曲线B）的特征则为舒张末期压力降低、心室压力快速上升（在儿茶酚胺作用时伴随更快速的舒张）、以及较短的射血期。心室压力曲线升支的斜率反映心室产生力量的最大速率。压力随时间变化的最大速率——即最大dP/dt——可通过图16.41中压力曲线升支最陡峭处切线的斜率来体现。该斜率在收缩期等容阶段（isovolumic phase）达到最大值。在特定心室充盈程度下，该斜率可作为初始收缩速度的指标，进而反映收缩力。

类似地，心肌的收缩状态可通过心动周期中升主动脉内血流初始速度计算得出（图16.40）。此外，射血分数（ejection fraction）——即每搏从左心室射出的血液量（搏出量）与舒张末期左心室血液量（舒张末期容积）的比值——在临床上被广泛用作收缩力的指标。

左心室压力-容积关系

每个心动周期中左心室压力和容积的变化可通过压力-容积"环"（P-V环）可视化（图16.42）。当二尖瓣开放时（图16.42中点A），舒张期充盈开始；当二尖瓣关闭时（点C）终止。尽管有来自左心房的快速血液流入，左心室压力的初始下降（从点A到B）归因于渐进性心室舒张和扩张性。在舒张期剩余阶段（从点B到C），心室压力的升高反映心室充盈及其被动弹性特性的变化。舒张期心室容积显著增加（从点B到C）时仅伴随轻微压力升高，这是由于左心室通常具有高度顺应性（compliance）。二尖瓣关闭前（点C左侧）的小幅压力升高由心房收缩对心室充盈的贡献所致。

在等容收缩期（从点C到D），左心室压力急剧上升，但心室容积无变化（因二尖瓣和主动脉瓣均关闭）。当主动脉瓣开放（点D）后，在射血初期（快速射血期，从点D到E），容积大幅减少伴随心室压力稳定上升。随后进入减慢射血期（从点E到F），此时容积变化减小且心室压力略有下降。主动脉瓣关闭（点F）后进入等容舒张期（从点F到A），其特征为压力急剧下降。在主动脉瓣关闭至二尖瓣开放期间（从点F到A），心室容积无变化（因两组瓣膜均关闭）。二尖瓣再次开放（点A）即完成一个心动周期。

左心室压力-容积环（P-V环）可直观呈现多个关键心血管系统参数，或通过其计算得出。舒张末期容积对应二尖瓣关闭时（图16.41中点C），收缩末期容积对应二尖瓣开放时（点A）。搏出量表现为P-V环的"宽度"，计算公式如下：

搏出量 = 舒张期末容积 - 收缩期末容积

左心室的前负荷（此处视为左心室舒张末期压力）是二尖瓣关闭时的压力坐标值（图16.42中点C）。当主动脉瓣开放时（点D）可读取近似的"舒张期"动脉血压，收缩期的近似动脉血压则在收缩期读取（点E）。记录自人体的左心室P-V环（图16.43A）与示意图版本相似（参见图16.41）。收缩末期P-V关系线的斜率（图16.43A中从圆点延伸的直线）定义了收缩力（contractility）；斜率越陡表示收缩力增强。在该受试者中，下腔静脉的部分闭塞通过减少左心室血液流入，逐步降低了左心室连续搏动的前负荷，而前负荷降低的效应则表现为左心室每搏输出量的逐步减少。

• 图16.43 A，记录的人类左心室压力-容积环。通过短暂阻断下腔静脉血流使左心室处于不同前负荷（preload）状态。随着前负荷（左心室舒张末压[LVEDP]）降低，舒张末期容积和收缩末期容积均减小，但舒张末期容积减少幅度更大，导致每搏输出量下降。B，正常基础状态（蓝线）、收缩力增强（红线）和收缩力减弱（绿线）心脏的每搏输出量随LVEDP变化的心功能曲线。在任何给定前负荷下，收缩力增强心脏的每搏输出量高于正常基础状态，而收缩力减弱心脏则低于正常基础状态。

该实验在人体中验证了心脏Frank-Starling定律的作用机制：前负荷的变化改变了心肌纤维长度，从而改变后续收缩的强度。这进而改变了每搏输出量。这一重要现象可通过心功能曲线进行图形化表征（图16.43B）。随着前负荷增加，每搏输出量增加（蓝色实线）。若心脏收缩力增强（如去甲肾上腺素作用下），收缩末期P-V关系线斜率变陡，整个心功能曲线上移（红色实线），反映心室在给定前负荷下能产生更大的每搏输出量。任何前负荷水平下的每搏输出量增加主要源于收缩末期容积的减少：收缩力增强的心脏能够更大幅度地"挤压排空"。

相反，若心室受损（如心肌缺血后），或收缩力低于正常水平（如钙通道阻滞后），心功能曲线会下移（绿色实线），表现为任何前负荷下的每搏输出量均减少。心功能曲线也称为心室功能曲线或Starling曲线。为评估心血管系统整体功能（见第19章），通常测量心输出量而非每搏输出量；此时心脏前负荷被视为右心室充盈压，通常以平均右心房压力(P_ra)或中心静脉压表示。

心输出量的测量

菲克原理

心肌必须终生持续收缩，因此需要持续供应O2。心肌富含线粒体，这些细胞器（见图13.1B）含有氧化磷酸化所需的酶系。底物的快速线粒体氧化和ATP合成维持着心肌能量需求，特别是肌纤维收缩和Ca++循环的需求。为满足代谢机制对O2和底物的需求，心肌还具有丰富的毛细血管供应——大约每根肌纤维对应一条毛细血管。因此扩散距离短，O2、CO2、底物和代谢废物可在心肌细胞与毛细血管间快速转运。

1870年，德国生理学家Adolf Fick发明了首个测量完整动物和人类心输出量的方法。该方法的基础——称为菲克原理——本质上是质量守恒定律的应用。该原理基于以下事实：通过肺动脉输送至肺毛细血管的O2量，加上从肺泡进入肺毛细血管的O2量，必须等于肺静脉带走的O2总量。

• 图16.44 阐述测量心输出量的菲克原理示意图。肺动脉到肺静脉的颜色变化代表静脉血充分氧合时的颜色改变。

图16.44示意了菲克原理。输送到肺的O2速率(q₁)等于肺动脉血氧浓度([O2]_pa)乘以肺动脉血流量(Q)，该血流量等于心输出量，即：

q₁ = QW[O₂]_pa

若q₂是肺毛细血管从肺泡中摄取O₂的净速率，q₂即等于身体消耗O₂的速率。将O₂运离肺静脉的速率（q₃）的速率等于肺静脉血液中氧气浓度（[O₂]_pa）乘上肺静脉血流量，几乎也就等于肺动脉血流量Q，即：

q₃=Q[O₂]_pa

根据质量守恒定律：

q₁+q₂=q₃

因此：

Q[O₂]_pa+q₂=Q[O₂]_pv

求解心输出量可得：

Q = q₂/([O₂]_pv - [O₂]_pa)

方程16.5即为菲克原理的数学表达。

通过此方法测定心输出量时，需获知三个参数：(1) 机体氧消耗，(2) 肺静脉血氧浓度（[O₂]_pv），(3) 肺动脉血氧浓度（[O₂]_pa）。氧消耗可通过测量特定时间段内呼出气体的体积和氧含量计算得出。由于外周动脉血的氧浓度与肺静脉血基本一致，[O₂]_pv可通过穿刺取样外周动脉血测定。肺动脉血与混合体循环静脉血的氧浓度实质相同，可通过导管从肺动脉或右心室获取样本进行氧分析。

以图16.44所示数据为例，心输出量计算如下：若氧消耗为250 mL/min，动脉（肺静脉）血氧含量为0.20 mL O₂/mL血液，混合静脉（肺动脉）血氧含量为0.15 mL O₂/mL血液，则心输出量等于250/(0.20-0.15)=5000 mL/分钟。不过当前临床实践中，心输出量最常通过多普勒超声心动图无创测量。

心脏氧耗与做功

心脏对O2的消耗量取决于其活动量和活动类型。在基础状态下，心肌耗氧量约为8-10毫升/分钟/100克心脏组织。运动时可增加数倍，而在低血压和低温等情况下会适度降低。心脏静脉血的O2含量通常较低（约5毫升/分升），且心肌几乎无法通过进一步从冠脉血中提取O2来获得额外氧供。因此，心脏增加的O2需求必须主要通过增加冠脉血流量来满足（参见第17章）。在心跳停止但冠脉灌注维持的实验中，O2消耗量降至2毫升/分钟/100克或更低，但仍比静息骨骼肌的O2消耗量高6-7倍。

心脏作功包含外功和内功两部分。左心室每搏作功（stroke work）近似等于搏出量与左心室射血所对抗的平均主动脉压的乘积。心脏外功（external cardiac work，W_e）可定义为：

W_e = ∫PdV+ρv²/2

即：将每次泵出的微小容积增量（dV）乘以相应的压力（P），再将各乘积项（PdV）在特定时间段（t2-t1）内积分以计算总作功。此外还需叠加由血流速度（v）和血液密度（ρ）产生的动能作功。为简化计算，可用射血期平均压力表示为：

W_e = PV+ρv²/2

在静息心输出量水平下，动能分量可忽略不计。但在高强度运动等高心输出量状态下，动能分量可占心脏总作功的50%。

心脏内功（internal work，W_i）可表示为：

W_i = α∫Tdt

式中α为将Tdt转换为功单位的比例常数，T为室壁张力，dt为时间。临床上虽然V_O2和左心室功率难以直接测量，但二者均与收缩压-时间指数（左心室压力积分与收缩时间的乘积）密切相关。这类测量具有重要意义，因为内功是心肌O2需求的主要决定因素。另一种评估心脏作功及其与O2消耗关系的方法是通过分析不同前负荷和后负荷条件下的压力-容积环（P-V loops，见图16.43A），同时维持收缩力恒定。

在主动脉压减半而心输出量加倍，或反之的情况下，心脏做功的数值是相同的。然而，当心脏做功的主要部分为压力功（pressure work）而非容量功（volume work）时，对于任何给定的心脏做功量，其氧需求都会更高。在主动脉压恒定时增加心输出量（容量功）仅伴随左心室氧消耗的微小增加，而在心输出量恒定时增加动脉压（压力功）则会导致心肌氧消耗的大幅上升。因此，心肌氧消耗可能与整体心脏做功的关联性并不显著。左心室压力的大小和持续时间与左心室氧消耗密切相关。右心室做功仅为左心室的七分之一，因为肺血管阻力远低于体循环血管阻力。

心脏效率

心脏效率可通过完成功与总能量消耗的比值来计算。假设两心室平均氧消耗为9毫升/分钟/100克（9mL/minute/100g），则300克心脏每分钟消耗27毫升氧气（27 mL O₂）。当呼吸商为0.82时，该值相当于130小卡。两心室每分钟做功约8千克·米（8 kg·m），相当于18.7小卡。因此，心脏的总效率约为14%：

18.7/130×100≌14%

临床视角

压力功比容量功具有更高的能量需求，这一现象在临床上具有重要意义，尤其见于主动脉瓣狭窄（aortic stenosis）。在此情况下，左心室氧消耗增加主要源于收缩期发展的高心室内压。然而，由于病变主动脉瓣狭窄开口处的压降，冠状动脉灌注压（coronary perfusion pressure）（从而氧气供应）可能正常或降低。

心脏的实际总机械效率（18%）略高于计算值，此数值是通过从总心脏氧消耗中减去非搏动心脏的氧消耗（≈2毫升/分钟/100克）后计算得出的。在体力运动期间，由于平均血压无明显变化而心输出量和做功显著增加，且心肌氧消耗未成比例上升，心脏效率会提高。

心肌三磷酸腺苷及其与机械功能的关系

心脏在底物利用方面具有多样性，在一定范围内对特定底物的摄取与其动脉浓度成正比。心脏对某底物的利用也受其他底物存在与否的影响。例如，向代谢葡萄糖的心脏灌注液中添加乳酸会导致葡萄糖摄取减少，反之亦然。在正常血液浓度下，葡萄糖和乳酸的消耗速率大致相等。

• 图16.45 心肌细胞内三磷酸腺苷（ATP）生成与利用的整体方案。图中标明了葡萄糖、脂肪酸（FA）和乳酸的代谢途径，以及线粒体电子传递链对O2和Join+的需求。ADP，二磷酸腺苷；CoA，辅酶A；CPT-I，肉碱棕榈酰转移酶；G-6-P，葡萄糖-6-磷酸；GLUT，葡萄糖转运蛋白；NADH，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸；PDH，丙酮酸脱氢酶；Pi，无机磷酸盐；SR，肌质网；TG，甘油三酯。

驱动心脏收缩做功与舒张的化学能来源于ATP水解（图16.45）。健康心脏的ATP水平相对恒定（≈5μmol/g湿重），尽管其ATP水解速率极高（≈0.3 μmol/g⁻¹/second⁻¹）。相对于分解和生成速率，组织中ATP含量较低；静息状态下，心肌ATP含量的完全更替约每12秒发生一次。ATP水解（见图16.45）为以下过程提供能量：收缩做功（肌动球蛋白相互作用与细胞缩短）、收缩末期将Ca²⁺泵回肌质网（SR）、维持正常离子梯度（细胞内低Na⁺和高K⁺）。心脏水解的ATP中约三分之二用于驱动收缩做功，剩余三分之一用于离子泵及"管家"功能（如蛋白质与核酸合成）。其中，SR的Ca²⁺-ATP酶是消耗ATP的主要离子泵。

ATP再合成主要通过线粒体氧化磷酸化（>98%），少量通过糖酵解（glycolysis）（<2%）完成。氧化磷酸化需要O₂和H₂。O₂被输送至心肌并在线粒体中消耗生成H₂O，而H₂来源于碳燃料（主要为脂肪酸、葡萄糖和乳酸）的代谢及还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）的生成。丙酮酸脱氢酶（PDH）调控葡萄糖与乳酸的氧化过程。关键的是，ATP生成与分解速率取决于心肌获得充足O₂供应，这取决于心肌血流量与动脉血氧合水平。当心率、收缩压和收缩力增加时（如运动期间），心肌ATP分解增加，必须相应提高心肌O₂供应量，使线粒体通过氧化磷酸化生成足够ATP以满足需求。因此，心肌耗氧速率与心肌作功速率（或功率）密切相关。

关键要点

记录于快反应纤维的跨膜动作电位包含以下五个时相：

0相：当超阈值刺激通过激活电压依赖性钠离子通道（Na+）使膜快速去极化时，动作电位升支开始形成。

1相：切迹是通过瞬时外向电流（Ito）通道的钾离子（K+）外流实现的早期部分复极化。

2相：平台期反映了钙通道介导的钙离子（Ca++）内流与多种钾通道介导的钾离子（K+）外流之间的动态平衡。

3相：当钾离子（K+）外流超过钙离子（Ca++）内流时，最终复极化启动。由此产生的部分复极化迅速增加钾电导，恢复完全复极化。

4相：完全复极化细胞的静息电位由细胞膜对钾离子（K+）的电导决定，主要通过内向整流钾通道（IK1）实现。

快反应动作电位记录自心房和心室肌纤维以及心室特殊传导系统（浦肯野纤维）。此类动作电位具有幅度大、升支陡峭和平台期较长的特征。快反应纤维的有效不应期始于动作电位升支，持续至3相中期。在3相剩余时段纤维处于相对不应期，完全复极化后（4相）立即恢复完全兴奋性。

心脏总耗氧量中仅有35%-40%来自碳水化合物的氧化。因此，心脏的大部分能量来源于非碳水化合物底物的氧化：即酯化与非酯化脂肪酸。在餐后吸收状态下，这些物质约占人类心肌耗氧量的60%。酮体（尤其是乙酰乙酸）可被心脏有效氧化，是糖尿病酮症酸中毒时的主要能量来源。

正常情况下，心脏通过氧化磷酸化获取能量，每摩尔葡萄糖可产生36摩尔ATP。但在缺氧条件下，糖酵解作用接管代谢，每摩尔葡萄糖仅提供2摩尔ATP；脂肪酸的β-氧化过程也会受到抑制。若缺氧持续，细胞内的磷酸肌酸最终将耗尽，ATP储备随之枯竭。

缺血状态下，乳酸蓄积导致细胞内pH值下降。这种情况会抑制糖酵解、脂肪酸利用和蛋白质合成，从而导致细胞损伤并最终引发心肌细胞坏死。

慢反应动作电位（slow-response action potential）可在正常窦房结（SA node）和房室结（AV node）细胞中记录到，也可在部分去极化的异常心肌细胞中记录到。与快反应动作电位相比，其特征包括舒张期（4期）膜电位负值较小、上升支斜率较低、振幅较小且持续时间较短。慢反应纤维的上升支由钙通道激活产生。慢反应纤维在上升支起始阶段即进入绝对不应期，其部分兴奋性可能直到3期末或纤维完全复极后才得以恢复。
正常情况下，窦房结作为起搏点（pacemaker）启动心脏冲动。该冲动从窦房结传至心房，最终到达房室结。经房室结延迟后，心脏冲动传导至整个心室。若窦房结正常起搏细胞受抑制，或异位自律细胞节律性异常增强，则房室结或希氏-浦肯野系统（His-浦肯野 system）中的异位灶（ectopic foci）可能启动传导性心脏冲动。
在某些异常情况下，正常动作电位可能触发后除极（afterdepolarization）。早期后除极（EADs）发生于正常动作电位的3期，当起始心搏的基本周期长度较长且心脏动作电位异常延长时更易发生。延迟后除极（DADs）出现在4期，当细胞内Ca++超载时更易发生。
折返性心律失常（reentrant arrhythmia）发生于心脏冲动沿心肌纤维环路传导并重新进入先前已兴奋的组织时。当存在单向传导阻滞区且冲动沿环路剩余部分的传导速度减慢时，可能发生此类心律失常。
体表记录的心电图（ECG）可追踪心脏冲动在整个心脏的传导过程。心电图可用于检测和分析心律失常及心脏功能的其他方面。
兴奋时，电压门控钙通道开放使细胞外Ca++进入心肌细胞的二联管间隙（dyadic space）。Ca++内流激活肌质网（sarcoplasmic reticulum）释放Ca++（即"Ca++火花"）。多个Ca++火花总和形成胞浆[Ca++]的总变化，引发肌丝收缩。此过程构成"心脏E-C耦联的局部调控理论（local control theory of cardiac E-C coupling）"。
心室收缩中，前负荷（preload）是心室充盈时血液对纤维的牵张。后负荷（afterload）是心室射血时面对的动脉压力。心肌纤维长度的增加（如舒张期心室充盈量增加导致前负荷增大）会产生更强力的心室收缩，此现象称为心脏Frank-Starling定律。
收缩力（contractility）是特定前负荷和后负荷条件下心脏功能的体现。自主神经系统、心率及搏动模式可调节收缩力。

11. 正常心脏中，ATP水解速率与ATP合成速率相匹配。ATP通过脂肪酸和葡萄糖的氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）生成，该过程需要O2。O2的利用速率与心脏做功速率相偶联。心肌仅以有氧方式运作。