离子电扩散与电突触耦合在心脏电动力学中的协同作用机制研究

本研究针对心脏电传导中缝隙连接(GJs)功能缺失时的替代传导机制，通过建立二维离散多域电扩散模型，首次系统揭示了电突触耦合(EpC)与Na+/Ca2+/K+电扩散的协同作用：EpC增强条件下，Na+电扩散可提升传导速度(CV)、稳定动作电位(AP)传播；Ca2+和K+扩散则调控AP时程与复极化。该模型为心脏病理性传导障碍提供了新解释。

　　

心脏如同精密的生物电泵，数万亿心肌细胞需要通过精确的电信号同步收缩。传统理论认为，细胞间的缝隙连接(Gap Junctions, GJs)是电信号传递的唯一"高速公路"，但在基因敲除GJs的小鼠心脏中，科学家们意外发现电信号仍能以"乡间小路"的方式缓慢传导。这个现象引出了心脏电生理学的重大谜题：是否存在不依赖GJs的"备用电报系统"？

美国普渡大学数学系(Purdue University, Department of Mathematics)的Ning Wei和Yoichiro Mori团队在《Biophysical Journal》发表的研究，揭开了这个谜题的关键部分。他们发现，当心肌细胞紧密相贴时，细胞膜间纳米级的狭窄裂隙会形成特殊的电场环境，这种被称为电突触耦合(Ephaptic Coupling, EpC)的现象，就像细胞间的"无线充电"系统。更惊人的是，裂隙中游走的Na⁺、Ca²⁺和K⁺离子并非被动旁观者，它们通过电扩散(electrodiffusion)主动参与信号调控，共同构成了心脏的"备用传导网络"。

研究人员采用二维离散多域建模技术，将心肌细胞离散化为可计算单元，通过耦合Poisson-Nernst-Planck方程描述离子迁移，整合Hodgkin-Huxley型膜动力学模型。特别设计了可变裂隙宽度的几何参数，模拟不同EpC强度条件下的电传导。

EpC增强传导的离子机制

当EpC效应显著时，Na⁺电扩散使动作电位上升支斜率增加37%，传导速度提升21%。这解释了缺血组织中"慢而稳"的传导现象——即便GJs功能受损，Na⁺仍能通过EpC机制维持基础传导。

离子扩散的时空调控

Ca²⁺扩散使动作电位时程缩短15%，加速复极化过程；K⁺积累则使静息电位去极化8mV。这种时空差异调控解释了T波异常等心电图改变的电生理基础。

裂隙离子风暴

强EpC条件下，裂隙[K⁺]激增5倍，[Ca²⁺]几近耗竭，形成特殊的"高钾低钙"微环境。这种极端梯度变化可能是心律失常发生的化学诱因。

这项研究首次在数学模型层面证实：EpC不是简单的电场效应，而是与离子电扩散共同构成的动态调控系统。在病理条件下（如心肌缺血时GJs关闭），这套备用系统能防止传导完全中断，但代价是形成传导延迟和离子紊乱——这正是临床观察到折返性心律失常的潜在机制。该模型为理解Brugada综合征等电疾病提供了新视角，也为抗心律失常药物研发指明了新的靶点：调节裂隙离子微环境可能比单纯阻断离子通道更具治疗优势。

特别值得注意的是，EpC效应最强的区域恰好是心肌层状结构最规则的区域，这提示心脏的微观结构进化可能同时优化了GJs传导和EpC传导两套系统。未来研究若能结合真实心肌超微结构数据，或将揭示更多心脏电传导的"设计智慧"。