研究人员绘制了活体心脏的旋转螺旋波

电信号告诉心脏收缩，但当信号形成螺旋波时，它们可能导致危险的心脏事件，如心动过速和纤维性颤动。佐治亚理工学院的研究人员和埃默里大学医学院的临床医生首次对人类脑室中稳定的螺旋波进行了高分辨率可视化，对这些复杂的情况有了新的认识。

“几十年来，临床医生已经知道螺旋波的电活动可以发生在大脑中心此前，研究人员已经在动物和人类心脏上做过实验，”物理学院教授弗拉维奥·芬顿说。“然而，这是第一次在非常高的空间和空间上绘制出人类心脏心室中相对稳定的电压和钙螺旋波的演变时间分辨率．"

研究活心脏心脏移植患者提供了一个罕见的窗口，了解心脏在难以治疗的情况下的详细行为，如纤维性颤动。因此，医生可以更好地了解螺旋波是如何开始和维持的，这可能会导致新的治疗方法。

目前的工作是佐治亚理工学院物理学院和埃默里医学院长达十年合作的一部分。研究人员在杂志上发表了他们的最新发现，“使用电压和钙的光学映射直接观察整个人类心脏心室的稳定螺旋波再入”和“螺旋波破裂:移植人类心脏的光学映射显示了从室性心动过速到心室颤动和自我终止的过渡”心脏的节奏．

绘制心脏地图

为了产生螺旋波，研究人员对心脏进行定时电击。然后，为了可视化和记录螺旋波，他们向维持心脏存活的血液替代品中注射了荧光染料作为电压和钙。光强度的变化使他们能够记录穿过心脏组织的信号，这项技术被称为光学映射．

“通过这种方式，我们可以同时看到心脏中的钙和电波，通过测量心脏的变化光强度与心脏细胞中钙和电压的直接变化有关，”佐治亚理工学院的物理学研究科学家伊利亚·乌泽拉克说。“这项技术的神奇之处在于，通过使用高分辨率相机，我们可以以非常高的空间和时间分辨率测量电压和钙，这是即使在心脏周围使用数千个记录电极也无法实现的。”

每颗心脏都有轻微不同的状况，导致需要移植，因此研究人员可以研究不同类型和疾病严重程度的螺旋波动态。

与临床医生合作

芬顿的团队研究心脏螺旋波已经超过20年了。螺旋波是非线性动力学物理领域的一个很好的候选者，在非线性动力学中，看起来不可预测的系统不是随机的，而是混沌的。如Fenton组，可以开发出控制和终止螺旋波的方法，以低能量停止纤颤理论上证明今年早些时候。

此前，该小组曾研究过鱼类、爬行动物、两栖动物和一些哺乳动物的心脏。然而，由于与埃默里大学的合作，他们已经能够研究10个来自移植患者的心脏，这些患者在过去一年中接受了新的心脏移植。

芬顿说:“我们非常幸运，埃默里大学和佐治亚理工学院之间有这种强有力的合作来进行这些实验。”“除了治疗病人，很少有医生愿意与物理学家合作研究心律失常。”

从医学的角度来看，这项研究也令人大开眼界。

“基于我在临床中看到的和我所读到的，我对心室颤动有一个简单的看法，但实际上，通过这些实验直接观察心室颤动，可以从不同的角度了解其复杂性和动态变化，”该组中的埃默里大学心脏病学家Shahriar Iravanian说。

哈佛大学保尔森工程与应用科学学院疾病生物物理学组病理学教授André G. Kléber博士说:“在孤立的人类心脏中同时绘制电和化学波，为在新的功能水平上研究心脏性猝死机制提供了独特的可能性，并将恶性心律失常的动态电变化特征与患者的特定和个体病理联系起来。”

研究人员正在继续研究移植的心脏，并希望不仅为基础科学量身定制实验，还能改进治疗方法。例如，大多数心律失常是通过消融治疗的，通过烧坏电路的基底，或者电击这项研究可以使这种治疗更有针对性，甚至个性化。这些进展可能对未来心律失常的治疗产生巨大影响，心律失常是美国人死亡的主要原因之一

“很难描绘心室纤维性颤动因为患者的不稳定性和信号的复杂性，”埃默里大学医学助理教授、合作成员尼尔·巴蒂亚说。“这项研究有潜在的重大临床并发症。通过对螺旋波动力学的详细绘制，我们可以更好地理解它们的演变，并最终确定是否以及如何使用更好的导管消融策略来治疗心脏。”

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