Site Loader

Содержание

(PDF) О безопасности работ на объектах, находящихся под наведённым напряжением

2

Определение наведённого напряжения

Прежде всего, определим понятие «наведённое напряжение»,

которое отсутствует как в прежних, так и действующих Правилах [1].

Наведённое напряжение – напряжение, возникающее на отключённых,

заземлённых и незаземлённых токоведущих, открытых проводящих и

сторонних проводящих частях в результате влияния магнитного и (или)

электрического полей данной или (и) соседней электроустановки.

Очевидное с электротехнической точки зрения это определение

требует существенных пояснений применительно к конкретным

токоведущим, открытым проводящим и сторонним проводящим частям

электроустановок. Следует отметить, что использованные в предыдущем

предложении термины определены Правилами устройства

электроустановок [6] и конкретизируются далее.

В действующих Правилах [1] существует понятие «ВЛ под

наведённым напряжением», которое определяется как (п. 4.4): «ВЛ, КВЛ1,

ВЛС2, воздушные участки КВЛ, которые проходят на всей длине или на

отдельных участках вблизи действующих ВЛ или контактной сети

электрифицированной железной дороги переменного тока, на

отключённых проводах (тросах) которых при заземлении линии по концам

(в РУ) на отдельных её участках сохраняется напряжение более 25 В при

наибольшем рабочем токе влияющих ВЛ (при пересчёте на наибольших

рабочий ток влияющих ВЛ)». Отметим пять принципиальных недостатков

процитированного определения.

1. Определение относится только к ВЛ (КВЛ, ВЛС и не учитывает

такие отключённые токоведущие части как монтируемые провода и тросы,

которые в РУ не заземляются; высокочастотные заградители; отключённую

ошиновку ОРУ на подстанции больших размеров (см. п. 4. 9 [1]) и пр.

2. Наведённое напряжение может возникнуть не только на

токоведущих (см. п. 2.6 [1]), но и на заземлённых открытых проводящих

1 Линии для передачи электроэнергии, состоящие из участков в воздушном и

кабельном исполнении, соединенных между собой.

2 Воздушные линии связи.

Сущность и коварство наведенного напряжения

Меры безопасности при работах на линии с наведенным напряжением

Если присутствует лишь статическое напряжение (что маловероятно), зона работ просто заземляется, желательно в двух точках.

При наличии напряжения, наведенного электромагнитным полем, меры безопасности более серьезные.

Важно: Это относится лишь к значениям, превышающим 42 вольта. Как видно на иллюстрации, в зависимости от точки приложения заземления, мы просто смещаем место на проводнике, где наведенный потенциал будет нулевым

Как видно на иллюстрации, в зависимости от точки приложения заземления, мы просто смещаем место на проводнике, где наведенный потенциал будет нулевым.

При этом, перемещая точку приложения «земли», мы оказываем влияние на значения напряжения относительно заземлителя. Его величина линейно зависит от расстояния до нулевой точки.

Приложение заземлителей по краям линии с наведенным напряжением совершенно бессмысленно. Мы получаем такие же значения, как и без заземлителей.

Как бы не строилась система защиты с помощью любого количества заземлителей, пассивная линия все равно будет находиться под влиянием активных проводников либо электроустановок. Как в этом случае проводить работы:

  1. Самый затратный способ — решить вопрос с отключением всех электроустановок и линий электропередач, расположенных параллельно. Работы выполняются максимально быстро, для снижения издержек.
  2. Менее сложный, но все-таки проблемный вариант: разделение обслуживаемой линии на несколько коротких участков, не имеющих электрической связи между собой. Исходя из формулы расчета, мы знаем, что длина участка пропорционально влияет на величину наведенного напряжения.
  3. И, наконец, оптимальный вариант: проведение работ под напряжением, либо со снятием напряжения, но с применением полноценных средств электрической защиты персонала. Это безопасно, но несколько ограничивает сотрудников в удобстве и скорости работы.

Наводка в квартире

Не считая ВЛ и электроустановок, наведенное напряжение может также возникать в квартире и в частном доме в сети 220 В. Так называемая «наводка» появляется в кабеле, проложенном опять же рядом с проводом, по которому протекает ток. Для примера приведем ситуацию, когда при выключенном выключателе на диодных лампочках появляется еле заметное свечение. Происходит это из-за того, что рядом с проводом, питающим лампы, проложен проводник с фазной жилой. А действие электромагнитного поля никто не отменял. Отсюда и возникает небольшая наводка, величины которой достаточно для того, чтобы «подсветить» светодиоды.

Еще один случай – это наводка в розетке. Возникает она, если произошел обрыв нулевого провода. Тогда при измерении индикатором на клеммах розетки получим две фазы. Но на самом деле, фазный провод как был один, так и останется, а «вторая фаза» пропадет, как только нулевой провод будет заново подключен.

С примером опасного влияния наводки вы можете ознакомиться на видео:

Реальный пример

https://youtube.com/watch?v=ig5VmzGdKGQ

Вот мы и рассмотрели, что такое наведенное напряжение, чем опасно это явление и какие меры защиты нужно предпринимать для того, чтобы обезопасить персонал от поражения электрическим током. Надеемся, предоставленная информация была для вас понятной и полезной!

Наверняка вы не знаете:

  • Как защититься от электромагнитных излучений
  • Средства защиты в электроустановках до 1000В
  • Как найти место повреждения кабеля

В чем опасность наведенного напряжения

Согласно Правил устройства электроустановок, значение выше 25 вольт представляет угрозу для здоровья человека. Но главная проблема вовсе не в наличии опасного напряжения.

Линии, которые находятся под рабочим напряжением, при возникновении аварийной ситуации будут обесточены с помощью защитных устройств. А в случае с наведенным потенциалом, защита не сработает. Поэтому использование стандартных средств здесь не поможет.

Важно: Отсутствие рядом с линией электропередач явных проводников, находящихся под напряжением, не повод для расслабления. Аналогичную проблему создают любые электроустановки, на которые подведено питание

Со статикой определились, формально можно вычислить значение ЭДС для каждого участка работы. Однако при наличии нормального заземления (по краям и в точке работ), опасность практически нулевая.

А вот с электромагнитным наведением придется потрудиться. Если участок относительно небольшой, можно просто замерять разницу потенциалов на концах пассивного проводника.

Важно: Измерения проводятся с соблюдением всех мер защиты, как на реально работающей электроустановке

Разумеется, все измерения проводятся при наличии нормальной токовой загрузки влияющей линии. То есть при условиях, когда наведенное напряжение достигает максимального значения.

Методика измерения следующая:

Общий принцип сводится к замеру разницы потенциалов между реальной «землей» и предполагаемой точкой нулевого потенциала, то есть временным заземлением обесточенного проводника. Расстояние от «земли» до точки нулевого потенциала должно быть не менее 15–20 м.

К измерительному зонду присоединяется гибкий медный провод, сечение которого позволяет выполнять работы с таким напряжением. Второй конец проводника соединяется с измерительным прибором. Вторая клемма прибора соединяется с реальной «землей».

Измерение проводится минимум двумя работниками. Один находится у прибора, а второй набрасывает зонд на измеряемый проводник.

Точки замера определяются перед началом операции, значение методично фиксируется первым оператором на графике.

При переходе на иной участок, схема измерения разбирается, демонтируется временное заземление. Оборудование переносится на новое место, где монтируется снова, с учетом зоны проведения измерений.

Важно: Наведенное напряжение измеряется не для статистики. Графики с результатами сдаются в отдел обеспечения безопасности работ на электроустановках

На основании этих данных планируются мероприятия по защите персонала при проведении ремонтных работ или укладке новых линий электропередач.

Решения принимаются в случае, когда на проводниках и стальной обвязке (растяжки, бандажи, и прочее) остается напряжение выше 42 вольт.

Меры безопасности при определении наведенного напряжения

  1. Персонал должен иметь группу электробезопасности не менее III, а руководитель работ не менее IV.
  2. Желателен опыт работы по монтажу и обслуживанию линий молниезащиты и силовых линий.
  3. Вокруг зоны проведения измерений организуется периметр безопасности.
  4. В целях безопасности, нулевой кабель в измеряемой группе, принято считать находящимся под напряжением.
  5. Начало и окончание работ оформляются документально.
  6. Запрещается проводить измерения в условиях осадков, сильного тумана, недостаточной видимости, сильном ветре.
  7. Если на измеряемом участке обнаруживается повреждения опоры, изолятора или высоковольтного кабеля, работы прекращаются до устранения проблемы.

Факторы опасности и меры защиты

Считается, что разность потенциалов от наводки более опасна, чем обычная. Штатные защитные устройства не рассчитаны на противодействие от нее. При работе на высоковольтных ЛЭП на отключенной линии может возникнуть разность потенциалов в несколько киловольт. Выполнение работ с вышек или работа кранов вблизи ЛЭП выполняется по допуску и с применением дополнительных защитных мер, так как на металлической части оборудования и техники может возникнуть разность потенциалов. Это грозит поражением людей электротоком и поломкой техники.

Необходимые меры безопасности прописаны в правилах техники безопасности при выполнении соответствующих работ. Самым простым и эффективным является устройство заземления отключенной линии. Для надежности заземляющий контур имеет две линии, дублирующие друг друга. При случайном обрыве одной заземление будет осуществляться по другой. Протяженные линии разбивают на отдельные участки, которые заземляются по отдельности.

Требования по ТБ:

  1. на руки одеваются диэлектрические перчатки;
  2. на ноги — резиновые боты, прошедшие проверку и имеющие соответствующую бирку;
  3. одежда должна быть сухой, все работы не должны выполняться под дождем.

Как защититься, меры безопасности

Из сказанного видно, что наведенное напряжение несет большие риски, что требует ответственности реализации мероприятий по защите людей от попадания в опасную зону.

Организационные меры безопасности:

  1. Работники, выполняющие работы в области наводки, должны иметь 3-ю группу по электробезопасности, а руководитель работ — 4-ю.
  2. Наличие опыта работ по ремонту и обслуживанию силовых линий, а также элементов молниезащиты.
  3. Организация параметра безопасности возле рабочего места, выполнение мероприятий, указанных в заявке и наряде-допуске.
  4. Нулевой провод в измеряемой группе считается таковым, что находится под U.
  5. Начало и завершение работ оформляется в письменном виде. Как правило, заполняется журнал допуска с подписью работников, заполняется наряд-допуск.

Измерения и работы нельзя проводить в условиях сильного тумана или ветра, осадков или плохой видимости. Если в процессе измерений работник выявляет поврежденный элемент ВЛ или КЛ, работы останавливаются до устранения неполадки.

При работе на линиях с наводкой необходимо учесть следующие нюансы:

  1. Заземление должно находиться в зоне видимости рабочего места.
  2. При наличии только статического напряжения достаточно одного заземления, но для надежности лучше установить заземлитель в двух местах. Если одно из устройств выйдет из строя, второе подстрахует.
  3. В случае с электромагнитной проводкой принимаются более серьезные меры безопасности. В этом случае заземление ставится непосредственно на рабочем месте. В этом случае наведенный потенциал в месте выполнения работ будет равен нулю.

Заземление — надежный способ защититься от наведенного напряжения. Но даже в этом случае отключенная линия будет находиться под негативным воздействием.

Для работы можно выбрать один из вариантов:

  1. Отключение электроустановок, которые находятся параллельно к рабочей линии. В таком случае ремонтные работы должны выполняться как можно быстрее, чтобы исключить простой потребителей без электричества или длительное снижение надежности сети.
  2. Разделение ремонтируемой линии на несколько участков, которые не имеют электрической связи. Здесь работает принцип, который упоминался выше. Речь идет о том, что величина наводки напрямую зависит от длины участка.
  3. Работы под напряжением или с его отключением, но с применением специальных средств персональной защиты. В таком случае действия работника несколько скованы, но зато удается избежать отключения или снижения надежности сети.

Для обеспечения личной безопасности применяются следующие изделия:

  1. Сигнализаторы напряжения — показывают факт наличия U или наводки.
  2. Применение защитной одежды и ковриков на диэлектрической основе во избежание прохождения тока через организм человека.
  3. Использование указателей напряжения, а также электроизолирующих штанг для проверки уровня наведенного U.
  4. Работа в ботах и изолирующих перчатках.

При использовании измерительных устройств и СИЗ необходимо ориентироваться на класс U, для которого они предусмотрены.

Причины появления

При рассмотрении вопроса, связанного с наводкой, важно понимать причины его появления. Для лучшего понимания рассмотрим несколько ситуаций — для квартиры, электрической проводки, электроустановок и ВЛ

В квартире

Наводка в обычной сети 220 В появляется при обрыве 0-го проводника на ВЛ или до входа в квартиру (дом). Если проверить напряжение с помощью индикатора, лампочка будет светиться в любом из отверстий.

На самом деле, U присутствует только на одном из проводов (фазном), а второй принимает наведенный потенциал. Появляется такое явление, как две фазы в розетке.

После восстановления линии или возврата нуля ситуация нормализуется.

При выполнении ремонтных работ в квартире необходимо отключить входной автомат или достать предохранители, чтобы исключить попадание под напряжение.

В электропроводке

Одним из признаков наведенного напряжения является свечение экономки при отключенном свете. При этом напряжение может достигать 40-60 В.

Такая ситуация возникает при параллельной прокладке линий, питающих розетки и осветительные устройства в квартире.

Для устранения проблемы необходимо пересмотреть маршруты проводки и убедиться в правильности выполнения заземления или зануления.

Но существует еще одна причина. При создании проводки используются 2-х или 3-х жильные провода. Как правило, кабельная продукция укладывается в короба, откуда проводники направляются к своим потребителям.

Если выключатель разделяет не фазный, а нулевой провод, появляется наведенное U. Оно имеет небольшую величину, как отмечалось выше, но ее достаточно для зажигания диодного освещения.

Для решения проблемы необходимо поменять фазу и ноль местами. Сделать это не всегда удается, ведь один из проводов с коробки идет напрямую к источнику света и не проходит через выключатель.

В электроустановках

Выключатели, силовые трансформаторы, трансформаторы тока и напряжения, а также другие электроустановки неизбежно связаны с линией электропередач. Вот почему они часто попадают под наведенное напряжение и чаще всего это происходит при обрыве 0-го проводника.

Во многих электроустановках применяются изолированные кабели, внутри которых находятся плотно уложенные проводники.

Несмотря на небольшую длину участков, может появляться сильная наводка с большими рисками для персонала

Вот почему при выполнении таких работ важно принимать защитные меры, использовать СИЗ и следовать требованиям ПУЭ

На линии электропередач

Выше мы отмечали, что электростатическая составляющая наводки имеет идентичный потенциал по всей длине проводника. Для расчета нужного значения коэффициент емкостной связи умножается на рабочее влияющее напряжение.

Для обеспечения защиты работников достаточно одного заземления в любой точке.

Отметим, что статическое U может возникнуть не только при наличии рядом ЭМ полей, но и других факторов — молнии или полярного сияния.

В случае с электромагнитной составляющей, ситуация обстоит по-иному. Этот параметр зависит от расстояния до ВЛ под напряжением, величины рабочего тока, длины линии и сопротивления заземления.

Для расчета наведенного U необходимо перемножить три элемента:

  • коэффициент индуктивной связи;
  • длина участка параллельно расположенной линии;
  • сила тока ВЛ под напряжением.

В отличие от электростатической составляющей, заземления в одной точке недостаточно. Это связано с тем, что потенциал в заземленной точке будет нулевым, но при удалении от этого участка он увеличивается. Чем дальше провод от места заземления, тем выше наводка.

Вот почему при одновременной работе в разных местах персонал может оказаться под действием опасного U. Чтобы избежать проблем, необходимо установить заземление непосредственно в месте работы.

Что такое наведенное напряжение и как от него защититься?

Так что же такое наведенное напряжение?

Не секрет, что этому есть соответствующее определение, гласящее, что это опасное для жизни напряжение, возникающее вследствие электромагнитного влияния на отключенных проводах и оборудовании, расположенных в зоне другой действующей воздушной линии или контактной сети.Приводя пример, одним из наиболее травмоопасных участков работы на железнодорожном транспорте является контактная сеть переменного тока. Именно здесь электромонтеры ежедневно подвергаются риску, сталкиваясь с таким опасным поражающим фактором, как наведенное напряжение. Этот фактор появляется за счет электростатической или электромагнитной наводки, возникающей на отключенной контактной сети (контактных проводах, волноводах и т. п.).Здесь же и риск попадания под наведенное напряжение персонала, работающего на грозозащитных тросах и проводах воздушных линий электропередачи (ВЛ), а также на элементах отключенного оборудования станций и подстанций. При этом величина наведенного напряжения может многократно превышать допустимое действующими нормами значение (25 В), а значит, возникает опасность для жизни.Переходя к правилам техники безопасности, обслуживающий персонал обязан заземлять, например, участок контактной сети, на котором проводятся работы. Если при выполнении работ заземление по каким то причинам оказывается нарушенным или неустановленным, работающие могут попасть под действие наведенного напряжения. Это заканчивается электротравмой со смертельным исходом или сильным болевым раздражением, особенно опасным при высотных работах. Такая же проблема существует и при эксплуатации воздушных линий электропередачи.Во всех приведенных и не только случаях оправдано применение дополнительных средств индивидуальной защиты (СИЗ).

Тогда как же защититься от наведенного напряжения.

Эффективным дополнительным СИЗ от наведенного напряжения является шунтирующий комплект Эп-4(0) Тесла. Принцип действия которого заключается в шунтировании им тока, проходящего через тело попавшего под наведенное напряжение человека. Происходит это за счет малого электрического сопротивления комплекта (до 0,1 Ом), которое на 4-5 порядков ниже расчетного электрического сопротивления тела человека (1 кОм).Сегодня комплект Эп-4(0) Тесла прошел комплекс лабораторных испытаний, проводившихся в НИИ МТ РАМН, ОАО «ВНИИЖТ», ОАО «ВНИИЖГ», МЭИ, Научно-исследовательском центре высоковольтной аппаратуры (НИЦ ВВА). Кроме того, были проведены полевые испытания на грозозащитном тросе ВЛ 750 кВ. Результаты испытаний показали, что величина наведенного напряжения, при котором Эп-4(0) Тесла обеспечивает гарантированную защиту человека от электротравмы, составляет 10-12 кВ. Величина тока, протекающего через тело человека, в этом случае составляет от нескольких микроампер до десятых долей миллиампера, что ниже порога чувствительности человека при частоте 50 Гц (1,5 мА). Комплект Эп-4(0) Тесла рассчитан на протекание «в обход» тела человека тока величиной до 100 А в течение одной двух минут. При этом нагрев комплекта не приводит к разрушению его защитных элементов и не вызывает дискомфортных ощущений у пользователя. Все это свидетельствует о способности Эп-4(0) Тесла защищать персонал при попадании под напряжение, наведенное емкостным и индуктивным путем, когда величина тока может достигать десятков ампер. Комплект, похожий на обычную спецодежду, включает в себя специальную электропроводящую обувь, рабочий костюм и перчатки.

Март 11th, 2016|

Причини виникнення

Наведене напруга в більшості випадків буде виникати на виведеній в ремонт і знеструмленій повітряної лінії електропередач. Також виникнення може відбутися в тому випадку, якщо поряд з високовольтною лінією буде розташовуватися електромагнітне поле. Таким чином, ВЛ, яка приходить паралельно відключеній лінії наводить сторонній потенціал, який в подальшому буде надавати небезпеку для ремонтної бригади.

На даний момент значення наведеної напруги в проводі може змінюватися в залежності від протяжності ділянки, на якому ВЛ будуть йти паралельно. Також на зміну значення буде впливати віддаленість фазних проводів, метеорологічних умов. Потенціал, який буде наведений на ВЛ може поєднувати в собі два види впливу – електромагнітну і електростатичну складову:

  • Електромагнітна частина буде з’являтися під дією магнітного поля, що виникає від протікання струму по працюючої поруч ВЛ. Відмінною особливістю є те, що при заземленні, навіть в декількох місцях лінії вона не буде змінювати свою величину. Єдине, що можна змінити за допомогою заземлення, так це те, що це розташування точки нульового потенціалу.
  • Електростатична частина на відміну електромагнітної усувається шляхом заземлення лінії в її кінцях і разом ведення робіт. Щоб знизити величину наведеної напруги необхідно встановити хоча б в одній точці ВЛ.

Дізнайтеся також про переносне заземлення і його принцип роботи.

Тепер необхідно більш детально розібратися про наведене напруга і природу його виникнення. Щоб зрозуміти, як воно з’являється вивчіть фото, яке розташоване нижче:

Якщо буде матися провідник, який на картинці позначений, як А-А. Якщо за нього буде протікати змінний струм, тоді буде створюватися електромагнітне поле інтенсивність, якого буде зменшуватися в міру віддалення від провідника. Також можуть бути змінені пульсації електромагнітного поля зі зміною напрямку і величини струму. Якщо в полі потрапить будь-який інший в ньому може індукуватися наведене напруга. Нижче на картинці будуть показані провідники з підключеними вимірювальними приладами для певної величини напруги:

На даний момент багато хто не знають, яке значення буде небезпечним для персоналу? Якщо на вимкненій ПЛ буде присутня напруга і його значення не буде перевищувати 25 Ст. Всі ремонтні заходи будуть проводитися із застосуванням звичайних засобів захисту. Якщо величина буде перевищено, тоді необхідно буде користуватися спеціальними засобами захисту і виконувати різноманітні технічні заходи. На даний момент такими заходами безпеки можуть бути разземление початку і кінці лінії, розріз дроти.

Причины возникновения

Наведенное напряжение возникает на выведенной в ремонт и обесточенной воздушной линии электропередач (ВЛ), вследствие влияния на нее электромагнитного поля расположенной в непосредственной близости работающей электроустановки или другой ВЛ, которая находится под напряжением. Таким образом, ВЛ, которая проходит параллельно отключенной линии, наводит сторонний потенциал, который представляет существенную опасность для обслуживающей ремонтной бригады. Значение наведенного напряжения в проводе изменяется в зависимости от протяженности участка, на котором ВЛ идут параллельно, тока нагрузки и величины рабочего напряжения, отдаленности фазных проводов, метеорологических условий. Потенциал, который наведен на ВЛ, объединяет в себе два вида воздействия – электромагнитную и электростатическую составляющую:

  • Электромагнитная часть появляется под действием магнитного поля, возникающего от протекания тока по работающей рядом ВЛ. Отличительной особенностью данной составляющей является то, что при заземлении даже в нескольких местах линии, она не изменяет свою величину. Единственное, что можно изменить с помощью заземлений – это расположение точки нулевого потенциала.
  • Электростатическая часть, в отличие от электромагнитной, устраняется путем заземления линии в ее концах и в месте ведения работ. Снизить же величину наведенного напряжения возможно установив заземление хотя бы в единственной точке ВЛ.

Давайте рассмотрим подробнее, что это такое – наведенное напряжение и природу его возникновения. Чтобы понять, как оно появляется, обратимся к фото, на котором изображен проводник:

Имеется проводник, обозначенный на картинке как А-А. При протекании по нему переменного тока создается электромагнитное поле, интенсивность которого уменьшается по мере отдаления от проводника (на изображении можно заметить снижение яркости окраски). Также изменяются пульсации электромагнитного поля с изменением направления и величины тока. При попадании в поле любого другого проводника в нем индуцируется наведенное напряжение. Ниже на картинке показаны проводники с подключенными измерительными приборами для определения величины напряжения:

Какое значение считается опасным для персонала? Считается, что если на отключенной ВЛ присутствует наведенное напряжение и его значение не превышает 25 В, то ремонтные мероприятия производятся с применением обычных средств защиты. В случае превышения безопасной величины следует пользоваться специальными средствами защиты и выполнять технические мероприятия, обеспечивающие требуемую степень защиты от опасного воздействия наведенного потенциала. Такими мерами безопасности могут быть разземление вначале и конце линии, разрез провода, установка заземления на участках ВЛ.

Узнать о том, какие электрозащитные средства используют в установках выше 1000 Вольт, вы можете из нашей статьи!

ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ ЗАЗЕМЛЕНИЯ ОТКЛЮЧЕННОЙ ВЛ 110 КВ Л-105 С ЦЕЛЬЮ ОПРЕДЕЛЕНИЯ БЕЗОПАСНЫХ РЕМОНТНЫХ СХЕМ ЛИНИИ

Стрижова Татьяна Анатольевна
Санкт-Петербурский горный университет
кандидат технических наук, доцент

Библиографическая ссылка на статью:
Стрижова Т. А. Исследование различных способов заземления отключенной ВЛ 110 кВ Л-105 с целью определения безопасных ремонтных схем линии // Современные научные исследования и инновации. 2019. № 3 [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2019/03/88880 (дата обращения: 28.01.2022).

Предлагается определять с помощью измерений наведенные напряжения при наибольшем рабочем токе на влияющих ЛЭП. В тоже время, указывается, что измерения наведенных напряжений должны проводиться «заблаговременно», лишь «по возможности в период передачи по влияющей ВЛ наибольшей мощности». Затем путем линейного пересчета от фактического к наибольшему току определяется максимальное наведенное напряжение.
Возникает вопрос о том, что считать максимальной нагрузкой
— допустимую нагрузку по нагреву проводов; 
— допустимую нагрузку по нагреву проводов, умноженную на коэффициент перегрузки при кратковременных режимах работы;
— максимальную нагрузку, которая может реально существовать в данном участке сети в любых режимах работы;
— максимальную нагрузку, которая может реально существовать в данном участке сети во время ремонтных работ.
Единственным путем реального обеспечения требований безопасности работ в соответствии с “Межотраслевыми правилами” остается заземление линии только в одной точке – месте работ. При этом создаются дополнительные организационные трудности при ремонтах в нескольких, удаленных друг от друга более чем на один пролет, местах линии. Всегда существует вероятность (случайного) заземления отключенного участка линии во второй точке или по концам, что приводит к резкому росту наведенных напряжений. 
Сказанное выше определяет актуальность рассматриваемых вопросов и позволяет сформулировать цель и задачи работы следующим образом.
Целью работы является расчетное определение максимальных наведенных напряжений на отключенных ЛЭП, находящихся в зоне влияния работающих ЛЭП.
Для достижения этой цели в работе решаются следующие задачи:
— подготовка исходных данных по исследуемой и влияющим линиям;
— моделирование линии Л-105 и влияющих линий в среде ATPDraw;
— проведение расчётов наведённых напряжений при различных схемах заземления отключённой цепи.
Рассмотрим случай сближения двух линий с горизонтальным расположением проводов. Будем считать, что сближение происходит на всем протяжении обеих линий длиной 120 км.
Рассмотрим отдельно магнитное и электрическое влияние.
Рассмотрим предельный случай, когда магнитное влияние при параллельном сближении двух однородных по длине линий будет наибольшим. Этот режим возникает при заземлении РЛ на одном конце. Считая, в первом приближении, что токи через распределенные емкости РЛ на землю отсутствуют (такие токи уменьшают наведенные напряжения), можно найти напряжение в произвольной точке линии как U1(x)=, где х — текущая координата вдоль линии, а точка x = 0 принята в месте заземления линии. Тогда график напряжений относительно земли представит собой прямую с наклоном  (рис.1.1а). Максимальное напряжение будет на изолированном конце ЛЭП и составит

.

При изолированных обоих концах РЛ (и нулевом напряжении на РЛ при отсутствии влияния), суммарный заряд провода и при наличии влияния останется равным нулю. Поэтому график наведенного напряжения сдвинется симметрично относительно нулевой оси (рис. 1.1б). Максимальное наведенное напряжение в этом случае будет равно Umax 2 = Umax 1/2. На практике идеальной изоляции ЛЭП не бывает. Тогда линия привяжется к случайной точке с наибольшей утечкой на землю и модуль максимального наведенного напряжения на проводах РЛ примет промежуточное значение  (рис. 1.1в).
Эти оценки позволяют определить степень необходимой детализации трасс сближения, а именно: нет необходимости учитывать относительно небольшие неоднородности трасс, например, плавные изменения высот в пролетах с транспозициями, влияние отдельных опор с нестандартными высотами подвеса (переходы через дороги, пересечения ЛЭП и т.д.).


Рис.1.1. Изменение наведенного напряжения на изолированной линии и заземленной только при х=0
а) линия заземлена при х=0
б) линия идеально изолирована
в) линия, у которой в точках М1 и М2 изоляция ослаблена

Также можно отметить, что сделанные оценки возможных наведенных напряжений сильно завышены, так как в практике ремонтов заземление линий на одном конце не допускается, а при изолированной по концам линии ее необходимо заземлять в месте ремонта.
Также рассмотрим распределение наведенных напряжений для основного режима работы на ремонтируемых линиях, а именно, при заземлении линии по обоим концам. Здесь следует различать варианты, когда сопротивление заземлений по концам сравнимо или больше собственного продольного сопротивления проводов (относительно короткие линии и повышенные сопротивления контуров оконечных подстанций), и случаи, когда R1 и R2 много меньше сопротивления проводов, где R1 и R2 — сопротивления контуров подстанций.
Первый случай с точки зрения процессов в РЛ приближается к рассмотренной выше изолированной ЛЭП. Во втором – в РЛ возникает значительный встречный ток, компенсирующий влияние E(вн). При наличии встречного тока в РЛ разность напряжений между двумя произвольными точками x1 и x2 на участке, подверженном влиянию, будет:

 (1. 1)

где x12 — расстояние между точками x1 и x2 вдоль трассы ВЛ;
E(вн) — погонная (на километр) внешняя э.д.с.;
Zx12 — индуктивно-активное сопротивление провода РЛ на длине x12;
IРЛ — наведенный ток в РЛ;
 — суммарная внешняя э.д.с. (в предположении, что на длине x12 E(вн) = const.).
 — падение напряжения на участке x12 , вызванное током IРЛ .
Направление тока в (1.1) принято противоположным направлению э.д.с. С учетом этого обстоятельства можно сразу сказать, что при  и  наведенное напряжение на всей РЛ (при сближении линий по всей длине) будет равно нулю. Будет равно нулю и наведенное напряжение на любом ее участке x12 , т. е. будет всегда выполняться равенство 
В статье предложена расчетная модель для предварительной оценки величин наведенного напряжения на отключаемой ВЛ, приведен перечень необходимых исходных данных для расчетов. 
Наведенным напряжением называется разность потенциалов между проводящими частями электроустановок (ВЛ или оборудования ПС) и точкой нулевого потенциала, возникающая в результате воздействия электрического и магнитного полей, создаваемых расположенными вблизи электроустановками, находящимися под напряжением. Электрическое поле характеризуется электростатической составляющей, зависящей от напряжения влияющих ВЛ и емкостных связей рассматриваемых ВЛ, и электромагнитной составляющей, зависящей от тока во влияющих ВЛ, расстояний между отключенной и влияющими ВЛ, длин и конфигурации участков сближения и параметров контура протекания тока.
Для предварительной оценки и пересчета полученных в результате измерений значений наведенного напряжения используется упрощенная расчетная методика. Ее применение позволяет сократить количество необходимых измерений. Исходными данными для расчетов являются длина ВЛ, расстояния между осями трасс ВЛ на участках сближения, в том числе в местах, где двухцепные ВЛ переходят на разные трассы, наибольшие значения сопротивлений контуров заземления ПС и опор (с учетом коэффициента сезонности) по концам линий и на границах участков, а также максимальные значения токов, которые могут возникнуть во влияющих ВЛ после аварийного отключения одной или нескольких линий в прилегающей сети.
Значение наведенного напряжения определяется по формуле:

(1.2)

где Е1 и Е2 — значения эквивалентных э.д.с.
Расчёты произведены в программе ATP Draw.
Модель каждого участка строилась исходя из:

  • типа опор каждой линии;
  • количества изоляторов в гирлянде;
  • типа провода.

При этом в модели задавались:

— номер фазы;
— реактивное сопротивление провода, Ом/км;
— радиус провода, см;
— активное сопротивление провода, Ом/км;
— расстояние между проводами по горизонтали, м;
— высота подвеса проводов на опорах с учетом длины гирлянды, м;
— высота подвеса провода над землей в середине пролета, м.

С помощью серии расчетов были определены максимальные уровни наведенных напряжений в 8 точках. Напряжение в каждой точке определялось для трёх фаз на изолированной линии, заземлённой только на АТЭЦ.

Таким образом, из данной работы можно сделать следующие выводы: 
Для линий, имеющих простейшие случаи сближения (сближение с одной линией) степень опасности наведённого напряжения может быть оценена на основе графика границы опасной зоны при различной нагрузке на влияющей линии. Если значение наведённого напряжения не превышает 25 В, то работы можно считать безопасными, и ремонтировать такую линию можно без проведения специальных мероприятий по дополнительной защите персонала. Если это значение превышает допустимое, и невозможно обеспечить необходимое значение сопротивления заземления в месте ремонта, то рекомендуется проводить работы на линиях, как работы без снятия напряжения.

Рисунок 1.2. График распределения наведённого напряжения на линии Л-105 при заземлении в ОРУ АТЭЦ.


Библиографический список
  1. Шустов В.Г. Снижение значения и длительности наведенных напряжений на ВЛ // Электрические станции. 2007. №1. – С.49-55.
  2. Селиванов В.Н. Использование программы расчета электромагнитных переходных процессов ATP-EMTP в учебном процессе // Вестник МГТУ, том 12, №1. 2009. – С.107-112.
  3. Целебровский Ю.В. О безопасности работ на воздушных линиях, находящихся под наведённым напряжением. Реальные опасности и методики измерения напряжений // Новости ЭлектроТехники, 2009. №1 (55).


Количество просмотров публикации: Please wait

Все статьи автора «Стрижова Татьяна Анатольевна»

73606-18: УВН-Н-2 ВОЛЬТ-НН Измерители наведенного напряжения

Назначение

Измерители наведенного напряжения УВН-Н-2 «ВОЛЬТ-НН» (далее по тексту — измерители), предназначены для измерений пиковых значений напряжения переменного тока номинальной частотой 50 Гц, возникающего на отключенных частях электроустановок, находящихся вблизи действующей высоковольтных линий (ВЛ), относительно земли (наведенное напряжение).

Описание

Принцип действия измерительного блока основан на масштабном преобразовании высокого входного напряжения между контактом «Наконечник» и контактом «Земля» измерительного блока в заданное число раз с помощью резистивного высоковольтного делителя напряжения с последующим измерением напряжения с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Делитель образован резисторами, находящимися в блоке измерения и в высоковольтном щупе. Информация о величине измеренного значения и пределе измерения передается по радиоканалу от измерительного блока к индикаторному.

Измерители состоят из 3-х блоков: измерительного, индикаторного и высоковольтного. При измерении, измерительный блок устанавливается на универсальную диэлектрическую штангу, соответствующей требованиям ГОСТ 20494-2001. Длина штанги выбирается пользователем в зависимости от класса напряжения отключенной воздушной линии электропередачи (ВЛ), на которой планируется измерение наведенного напряжения, и обеспечивает безопасность персонала при проведении работ на ВЛ. Контакт «Земля измерительного блока», через переходник, к которому подключен провод заземления длиной 50 м, соединяется с временным электродом, установленный в грунт на глубину не менее 0,5 м, на расстоянии 20-25 м от опоры ВЛ.

Выбор режима измерения («до1000 В» и до «10 кВ») осуществляется автоматически при установке высоковольтного щупа на контактный вход измерительного блока, на основании информации о наличии или отсутствия высоковольтного щупа — в щупе имеется магнит, который при установке высоковольтного щупа вызывает изменение состояния датчика Холла, встроенного у контакта «ВХОД» измерительного блока. Состояние датчика Холла является информацией для встроенного в измерительный блок микропроцессора, о необходимости переключения предела измерения. При установке высоковольтного щупа включается индикатор «кВ» на панели индикаторного блока. Изменение формата отображения напряжения на дисплее индикаторного блока (диапазона измерений) осуществляется автоматически в зависимости от значения напряжения и характеризуется изменением положения десятичной точки на дисплее для получения максимального разрешения. Внешний вид измерительного и индикаторного блоков представлен на рисунке 1. Место нанесения знака поверки указано на рисунке 2.

Индикаторный блок    Измерительный блок

Рисунок 1 — Общий вид измерительной и индикаторной части

Пломбирование измерителя наведенного напряжения УВН-Н-2 «ВОЛЬТ-НН» не предусмотрено.

Программное обеспечение

Измерители имеют встроенное программное обеспечение (ПО), которое реализовано аппаратно и являющееся метрологически значимы. Конструкция измерительной и индикаторной частей исключает возможность несанкционированного влияния.

Уровень защиты программного обеспечения от преднамеренных или непреднамеренных изменений — «высокий» в соответствии с Р 50.2.077-2014.

Таблица 1- Идентификационные данные программного обеспечения

Идентификационные данные (признаки)

Значение

Идентификационное наименование ПО измерительного блока

Distans Voltmetr T01-1 Bat

Номер версии (идентификационный номер)

не ниже V. 11.03.2018

Цифровой идентификатор ПО

Идентификационное наименование ПО индикаторного блока

Distans Voltmetr R01 External Bat

Номер версии (идентификационный номер)

не ниже V.11.03.2018

Цифровой идентификатор ПО

Таблица 2 — Метрологические характеристики измерителя

Наименование характеристики

Значение

Диапазон измерений пиковых значений напряжения переменного тока синусоидальной формы номинальной частоты 50 Гц:

—    режим до «1000 В», В (без высоковольтного щупа)

—    режим до «10 кВ», кВ (с высоковольтным щупом)

от 1,00 до 1000 включ. поддиапазоны:

от 1,00 до 20,00 включ. св. 20,0 до 200,0 включ. св. 200 до 1000 включ. от 0,20 до 10,00 включ.

Пределы допускаемой абсолютной погрешности измерений значений напряжения переменного тока синусоидальной формы номинальной частоты 50 Гц

—    режим до «1000 В» в диапазоне 0 до 1 В

в диапазоне от 1,0 до 1000 В

—    режим до «10 кВ»

не нормируется ±(0,03-Иизм + 0,002-U,)*

в диапазоне от 0 до 0,2 кВ в диапазоне от 0,2 до 10,00 кВ

не нормируется ±(0,03-иизм + 0,002-U,)*

Входное сопротивление по постоянному току, МОм

—    режим до «1000 В»

—    режим до «10 кВ»

2,4

21

Допускаемое отклонение входного сопротивления, %

±10

*Примечание: иизм — измеренное значение напряжения;

ик. — конечное значение поддиапазона измерений напряжения (20 В, 200 В, 1000 В, 10 кВ).

Таблица 3 — Основные технические характеристики

Наименование характеристики

Значение

Напряжение питания постоянного тока, В

— измерительного блока

3

— индикаторного блока

3

Ток потребления, мА, не более

— измерительного блока

80

— индикаторного блока

80

Условия эксплуатации:

— температура окружающей среды, °С

от -30 до +50

— относительная влажность, %

до 98

— атмосферное давления, кПа

от 84 до 106,7

Масса, кг, не более

— измерительного блока

0,3

— индикаторного блока

0,3

— высоковольтного щупа

0,35

Габаритные размеры, мм, не более

(высотахширина хдлина)

— измерительного блока

66х66х290

— индикаторного блока

210х105х50

— высоковольтного щупа

565х20 х20

Средний срок службы, лет, не менее

5

Средняя наработка на отказ, ч, не менее

10000

Знак утверждения типа

наносится трафаретной краской на панель индикаторной части и на титульный лист руководства по эксплуатации типографским способом.

Комплектность

Таблица 4 — Комплектность измерителя

Наименование

Обозначение

Количество

Измерители наведенного напряжения УВН-Н-2 «ВОЛЬТ-НН»:

— индикаторный блок

ТМ6.671.006СБ

1 шт.

— измерительный блок

ТМ2.746.027СБ

1 шт.

— щуп высоковольтный

ТМ8.662.001.СБ

1 шт.

— кабель заземления

ТМ6.645.004СБ

1 шт.

— переходник сочленения с штангой

ТМ6.676.051СБ

1 шт.

— крюк контактный

ТМ8.663.003

1шт.

Руководство по эксплуатации

ТМ2. 746.027 РЭ

1 экз.

Методика поверки

МП ТМ2.746.027

1 экз.

Транспортный кейс

1 шт.

Поверка

осуществляется по документу МП ТМ2.746.027 «Измерители наведенного напряжения УВН-Н-2 «ВОЛЬТ-НН». Методика поверки», утвержденному ФБУ «Нижегородский ЦСМ» 06 сентября 2018 года.

Основные средства поверки:

—    калибратор универсальный FLUKE 5520A, регистрационный номер в Федеральном информационном фонде 29282-05

—    трансформатор напряжения измерительный лабораторный НЛЛ-15, регистрационный номер в Федеральном информационном фонде 46942-11

—    мультиметр цифровой прецизионный Fluke 8845А, регистрационный номер в Федеральном информационном фонде 36395-07.

Допускается применение аналогичных средств поверки, обеспечивающих определение метрологических характеристик поверяемых СИ с требуемой точностью.

Знак поверки наносится на отверстие в правом верхнем углу на задней панели индикаторного блока, а также на винт крепления корпуса измерительного блока.

Сведения о методах измерений

приведены в эксплуатационном документе.

Нормативные документы

ГОСТ 22261-94 Средства измерений электрических и магнитных величин. Общие технические условия

ГОСТ 14014-91 Приборы и преобразователи измерительные цифровые напряжения, тока, сопротивления. Общие технические требования и методы испытаний

Технические условия ТУ 4221-001-39241346-2016 Измерители наведенного напряжения УВН-Н-2 «ВОЛЬТ-НН

Работы на воздушных линиях под наведенным напряжением.

Раздел VI

ВОЗДУШНЫЕ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Глава 41

РАБОТЫ НА ВЛ ПОД НАВЕДЕННЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ, НА ОДНОЙ ОТКЛЮЧЕННОЙ ЦЕПИ МНОГОЦЕПНОЙ ВЛ

367. Работники, обслуживающие ВЛ, должны иметь перечень линий, которые после отключения находятся под наведенным напряжением, ознакомлены с этим перечнем и величинами наводимого напряжения. Наличие наведенного напряжения на ВЛ должно быть записано в строке «Категория работ» наряда.

368. На ВЛ под наведенным напряжением работы с земли с прикосновением к проводу, опущенному с опоры вплоть до земли, должны выполняться с применением электрозащитных средств (электроизолирующие перчатки, штанги) или с металлической площадки, соединенной с этим проводом для выравнивания потенциалов проводников. Работы с земли без применения электрозащитных средств и металлической площадки допускаются при условии заземления провода в непосредственной близости к каждому месту прикосновения.

369. Применяемые при монтаже проводов на ВЛ под наведенным напряжением стальные тяговые канаты сначала необходимо закреплять на тяговом механизме и для выравнивания потенциалов заземлять на тот же заземлитель, что и провод. После этого разрешается прикреплять канат к проводу. Разъединять провод и тяговый канат можно после выравнивания их потенциалов, то есть после соединения каждого из них с общим заземлителем.

370. При монтажных работах на ВЛ под наведенным напряжением (подъем, визировка, натяжка, перекладка проводов из раскаточных роликов в зажимы) провод должен быть заземлен на анкерной опоре, от которой ведется раскатка, на конечной анкерной опоре, через которую проводится натяжка, и на каждой промежуточной опоре, на которую поднимается провод.

371. На ВЛ или ВЛС перед соединением или разрывом электрически связанных участков (проводов, тросов) необходимо выровнять потенциалы этих участков. Выравнивание потенциалов осуществляется путем соединения проводником этих участков линии или установки заземлений по обе стороны разрыва (предполагаемого разрыва) с присоединением их к одному заземлителю (заземляющему устройству).

372. После окончания работ на промежуточной опоре заземление провода на этой опоре может быть снято. В случае возобновления работы на промежуточной опоре, связанной с прикосновением к проводу, провод должен быть вновь заземлен на этой опоре.

373. На ВЛ под наведенным напряжением перекладку проводов из раскаточных роликов в поддерживающие зажимы следует проводить в направлении, обратном направлению раскатки. До начала перекладки необходимо, оставив заземленными провода на анкерной опоре, в сторону которой будет проводиться перекладка, снять заземление с проводов на анкерной опоре, от которой начинается перекладка.

374. При монтаже проводов на ВЛ под наведенным напряжением заземления с них можно снимать только после перекладки провода в поддерживающие зажимы и окончания работ на данной опоре.

375. Во время перекладки проводов в зажимы смежный анкерный пролет, в котором перекладка уже закончена, следует считать находящимся под наведенным напряжением. Выполнять на нем работы с прикосновением к проводам разрешается только после заземления их на рабочем месте.

376. Организациям, выполняющим работы на ВЛ и ВЛС под наведенным напряжением, необходимо определить линии, при отключении и заземлении которых по концам (в РУ) на заземленных проводах наведенное напряжение превышает 42В при наибольшем рабочем токе действующей ВЛ. К таким линиям относятся ВЛ, ВЛС и контактные сети электрифицированной железной дороги, которые по всей длине или на отдельных участках общей длиной не менее 2 км проходят на расстоянии от оси другой ВЛ напряжением 110кВ и выше:

для ВЛ напряжением 110кВ — 100м;

для ВЛ напряжением 220кВ — 150м;

для ВЛ напряжением 330кВ — 200м;

для ВЛ напряжением 750кВ — 250м и менее.

Все виды работ, связанные с прикосновением к проводам этих ВЛ без применения основных электрозащитных средств, должны проводиться по технологическим картам или ППР. В них должно быть указано размещение заземлений исходя из требований обеспечения наведенного напряжения не выше 42В на рабочих местах.

377. Если на отключенной ВЛ (цепи), находящейся под наведенным напряжением, не удается уменьшить это напряжение до 42 В, необходимо выполнять работы с заземлением проводов только по одной опоре или двум смежным опорам. При этом заземлять ВЛ (цепь) в РУ запрещается. Допускается работа бригады только на опорах, на которых установлены заземления, и в пролете между ними.

При необходимости проведения работы в двух и более пролетах (участках) ВЛ цепь должна быть разделена на электрически не связанные участки путем разъединения петель на анкерных опорах. На каждом из таких участков у мест установки заземлений может работать только одна бригада.

378. На отключенной цепи многоцепной ВЛ с расположением цепей одна над другой допускается работать только при подвеске этой цепи ниже цепей, находящихся под напряжением. Запрещается заменять и регулировать провода отключенной цепи.

379. При работе на одной отключенной цепи многоцепной ВЛ с горизонтальным расположением цепей на стойках опор должны быть вывешены красные флажки со стороны цепей, оставшихся под напряжением. Флажки вывешивают на высоте 2 — 3м от земли производитель работ с членом бригады, имеющим группу по электробезопасности III.

380. Подниматься на опору ВЛ со стороны цепи, находящейся под напряжением, и переходить на участки траверс, поддерживающих эту цепь, запрещается. Если опора имеет степ-болты, подниматься по ним разрешается независимо от того, под какой цепью они расположены. При расположении степ-болтов со стороны цепей, находящихся под напряжением, подниматься на опору следует под наблюдением производителя работ или члена бригады, имеющего группу по электробезопасности III и находящегося на земле.

381. При работе с опор на проводах отключенной цепи многоцепной ВЛ, остальные цепи которой находятся под напряжением, заземление необходимо устанавливать на каждой опоре, на которой ведутся работы.

характеристики и магические свойства, лунный камень, чей по гороскопу

Камень селенит, названный так по имени лунной богини Селены, которой поклонялись древние греки, является олицетворением женственности и утонченности и считается женским минералом. Ему свойственны не только красота и таинственность, связанные с богиней Луны, не только магические и целительные качества, но и чисто практические характеристики мягкого поделочного камня, из которого производят украшения, сувениры, амулеты и различные фигурки зверей, рыб и птиц. Хотя лунный камень очень хрупок, из него делают сосуды для благовоний и лекарств, где они сохраняют свои ароматы и целебные свойства намного дольше, чем в иных упаковках.

Описание минерала

Минерал селенит (Selenite) представляет собой полупрозрачную волокнистую разновидность гипса с оптическим эффектом кошачьего глаза и шелковистым блеском, чья формула выглядит как CaSO4x2h3O. Кристаллы его настолько мягкие, что их легко можно поцарапать ногтем. Твердость по шкале Мооса составляет всего 2 единицы. Цвет, как правило, белый, но примеси окрашивают его в розоватый или желтоватый тон, встречаются также оранжевые и красные экземпляры. В качестве таких примесей могут выступать гематит или сера, хотя чаще встречаются песок или глина.

В России белоснежный камень безупречной чистоты добывается в Пермском крае еще с 1838 года, причем разработки его успешно ведутся до сих пор. Там же находятся и мастерские по изготовлению сувениров, поставляющихся как на внешний рынок, так и на внутренний. Месторождения селенита присутствуют и в других странах, например в Мексике, Греции, Тибете, Индии и Египте. В прежние времена его даже называли Восточным алебастром или Египетским камнем. Другими именами до сих пор служат Лунный камень, Сатиновый шпат и Шелковистый гипс.

Лечебные характеристики

Лечебные свойства камня селенит очень разнообразны. В древности его использовали для выведения конгломератов из желчного пузыря, сохранения молодости и красоты тела, заживления ран, сращивания переломов и удаления гематом. Раны очень легко обрабатывать с помощью этого минерала благодаря его мягкости и хрупкости: стоит только слегка поскрести кристалл ножом над раной, и сразу же она будет засыпана крошками шелковистого гипса. Жители Урала до сих пор пользуются этим средством, путешествуя в горах.

В наши дни продолжают использовать свойства селенита исцелять головную боль, снижать артериальное давление, лечить близорукость, укреплять кости и зубы. В качестве методов лечения используют ношение бус, подвесок, колец и браслетов, а в некоторых случаях прикладывают селенитовый шар к макушке головы. Камень помогает человеку снять стресс, страхи и напряжение, улучшает общее состояние нервной системы и позитивно влияет на умственную деятельность.

Магические характеристики

Эзотерики приписывают кристаллам камня селенит магические свойства, в которые трудно не поверить, учитывая древность этих убеждений. Они считают, что минерал активизирует макушечную чакру Сахасрара, тем самым очищая и успокаивая ум, увеличивает способность концентрировать свое внимание, а значит, и способность к обучению и точным наукам, укрепляет память и усиливает волю. Йоги используют селенит для повышения уровня телепатических контактов и для предвидения будущего с целью избежать возможных неприятностей и расставленных врагами ловушек.

Население Индии верит, что с помощью шелковистого гипса можно значительно улучшить речевые навыки и даже развить в себе дар красноречия, повысить интуицию и образное мышление. Для этого нужно носить на безымянном пальце левой руки кольцо с селенитом, оправленным в серебро. Помимо сильного влияния на умственную деятельность человека, камень оказывает благотворное воздействие как на отдельных членов семьи, так и на семью в целом, и считается хранителем домашнего очага и его оберегом. Он вносит в дом гармонию и взаимопонимание, спокойствие и милосердие, предохраняет от ссор и разрыва отношений. Существует поверье, что если подарить украшение с селенитом одинокому человеку, лишенному любви, то это поможет ему встретить свою половинку.

Носить этот камень могут как те, кто верит в гороскопы, так и те, кто в них не верит, поскольку он в равной мере подходит всем астрологическим знакам. Однако больше всего удачи он принесет тем людям, чей астрологический знак связан со стихией воды.

Скорпионы получат счастье и успех во всех делах, одновременно лишаясь как своих негативных эмоций, так и наведенных недоброжелателями. Рыбы станут увереннее в себе, особенно мужчины, а женщины — нежнее и женственнее. Раки еще больше повысят свою интуицию и станут принимать верное решение в сложных жизненных ситуациях.

Уход за селенитом

Лучше всего украшение с селенитом хранить в мягком футляре или специальной коробочке, где камень будет хорошо защищен от ударов, царапин и других механических повреждений, а также ультрафиолетовых лучей, воды или химических реагентов. Мыть его лучше не чаще чем пару раз в год, используя мягкую губку или тряпочку и обязательно полностью высушивая после этого. Всякие химические вещества при обработке поверхности должны быть полностью исключены.

Всегда следует помнить о хрупкости и мягкости минерала и о том, что даже малейшее касание острым предметом может оставить царапину на камне и необратимо повредить его гладкую поверхность.

Эмпирически полученный чувствительный к напряжению и свету каналродопсин-2, модель

Образец цитирования: Williams JC, Xu J, Lu Z, Klimas A, Chen X, Ambrosi CM, et al. (2013) Вычислительная оптогенетика: эмпирически полученная модель напряжения и светочувствительности канала родопсина-2. PLoS Comput Biol 9(9): е1003220. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003220

Редактор: Марк С. Альбер, Университет Нотр-Дам, США

Получено: 11 января 2013 г.; Принято: 28 июля 2013 г.; Опубликовано: 12 сентября 2013 г.

Авторские права: © 2013 Williams et al.Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Финансирование: Эта работа была поддержана грантом NIH-NHLBI R01HL111649 для EE, грантом NIH-NIDDK T32-DK07521 (CMA) и частично грантом NYSTEM C026716 для Центра стволовых клеток Stony Brook. Спонсоры не участвовали в разработке исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

Введение

Количественные биофизические подходы имеют прочные традиции в электрофизиологии нейронов и сердца [1]–[4]. Динамический и в высшей степени нелинейный процесс клеточного возбуждения по сей день успешно фиксируется системой эмпирического моделирования Ходжкина и Хаксли 1952 года [4], даже несмотря на то, что сложность вычислительных моделей постоянно возрастает, отражая новые открытия о разнообразии ионных каналов и их характеристик. .Функция классических ионных каналов описывается уравнениями, зависящими от напряжения и времени; в некоторых случаях используются дополнительные химические или механические параметры контроля. Только недавно светочувствительных ионных канала , первоначально обнаруженных в бактериях или дрожжах, оказались актуальными для электрофизиологии млекопитающих [5], [6]. Эти ионные каналы обеспечивают альтернативные (оптические) средства возбуждения с превосходной специфичностью (типа клеток) и пространственно-временным разрешением по сравнению с электрической стимуляцией.Новая область генетической экспрессии светочувствительных ионных каналов у позвоночных для придания специфической оптической чувствительности стала известна как оптогенетика [7]. Вычислительная оптогенетика, то есть количественное моделирование для виртуальных экспериментов в оптогенетике, находится в зачаточном состоянии, и опубликовано лишь несколько отчетов [8]–[12]. Вычислительная оптогенетика может помочь в быстром (виртуальном) тестировании поведения недавно разработанных инструментов в широком диапазоне типов клеток и в условиях реалистичных тканей.Такое моделирование также может способствовать рациональному проектированию новых инструментов оптогенетики, оптимизированных для конкретной среды клеток/тканей. Кроме того, они могут помочь в правильной интерпретации экспериментов в сложной среде клеток/тканей, которая часто бывает неоднозначной и сложной.

Channelrhodopsin-2 (ChR2) — первый светочувствительный ионный канал, который после его клонирования в 2003 г. [13] нашел широкое применение в качестве оптического актуатора в нейробиологии [5], [14]–[16], а совсем недавно — в кардиологических применениях [10], [17]–[19].ChR2 чувствителен как к свету, так и к напряжению. Проводящая пора канала связывается (через ковалентную связь) с ретиналем, который служит хромофором (светочувствительным элементом). Взаимодействие полностью транс-ретиналя с фотоном соответствующей длины волны (470 нм) приводит к мгновенной изомеризации в 13-цис-ретиналь. Этот переход запускает открытие ионного канала, позволяя катионам перемещаться по их электрохимическому градиенту с предпочтительной селективностью к H + [13], [20].ChR2 обеспечивает исключительно внутренний ток (при отрицательных мембранных потенциалах) с обратным потенциалом около 0 мВ. Проводимость одного канала для ChR2 дикого типа мала по сравнению с классическими возбуждающими ионными каналами (например, натриевыми каналами) с зарегистрированными значениями в диапазоне от 40–90 фСм [13], [21], [22] до 0,25–2,42 пСм [20]. . Генно-инженерные мутанты ChR2, например. h234R [6], T159C [23] и ET/TC [23] предлагают усиленный ток возбуждения; в то время как другие мутанты изменяют кинетику для различных целей, например.грамм. быстрая ХЭТА [24] или стабильные переключатели с длительным разомкнутым состоянием [25].

В качестве прототипа опсина ChR2 стал центром первоначальных усилий по созданию вычислительной ветви оптогенетики. Фотоцикл ChR2 был широко изучен и лег в основу абстрагирования поведения канала от моделей состояния марковского типа (трех- и четырехуровневых), предложенных недавно Хегеманном [12] и Николичем [9]. В настоящее время предпочтительны версии модели с четырьмя состояниями, основанные на экспериментальных данных для четырех кинетических промежуточных продуктов с различными постоянными времени [12], [26], [27].Текущие усилия также включают моделирование различных мутантов [8], [11], а также интеграцию ChR2 в комплексные клеточные модели — нейроны [8], [11], [28] и кардиомиоциты [10], [29]. Хотя светочувствительность ChR2 широко изучалась [13], данные о ее зависимости от напряжения ограничены [30]. Ранние модели [9], [11] предполагали линейную зависимость ток-напряжение и отсутствие стробирования, зависящего от напряжения. Поскольку экспериментальные результаты демонстрируют заметное внутреннее выпрямление [6], [18], [20], [21], [30], [31], более поздние модели ChR2 включают некоторую нелинейность [8], [10].Однако чувствительность к напряжению еще предстоит всесторонне рассмотреть.

Надлежащее количественное предсказание функциональности светочувствительных ионных каналов, включая ChR2, в клетках и тканях млекопитающих требует, чтобы кинетика и амплитуда наблюдаемого тока были масштабированы для отражения физиологических условий, даже если канал характеризуется преимущественно при комнатной температуре . В этом исследовании мы предоставляем строго проверенную количественную модель мутанта ChR2 с усиленным током, вариант h234R, на основе экспериментальных данных, собранных в широком диапазоне освещенности и напряжения. Результатом стала новая модель ChR2 с обновленными зависимостями напряжения – не только вольтамперной характеристики, но и соответствующих кинетических параметров. Мы также эмпирически выводим масштабные коэффициенты (Q 10 ), чтобы приспособить процессы к физиологической температуре. Экспериментальная проверка предсказанного моделью поведения ChR2 в желудочковых кардиомиоцитах морской свинки была проведена с использованием оптического зажима потенциала действия. Наконец, наши симуляции с различными типами кардиомиоцитов человека (желудочковыми, предсердными и клетками Пуркинье) дают представление о дифференциальном клеточно-специфическом ответе на стимуляцию, опосредованную ChR2, в зависимости от среды ионного канала и о фактическом световом излучении, необходимом для возбуждения таких человеческих клеток.Эта проверенная модель ChR2 может служить новым инструментом для распространения вычислительной оптогенетики на сложные ткани и органы, например. мозг и сердце.

Результаты

Мы разработали и утвердили новую математическую модель светочувствительного ионного канала ChR2 (с мутацией h234R), основанную на комплексном наборе экспериментальных данных, собранных в стабильной клеточной линии ChR2(h234R)-HEK293, которую мы описали ранее. 18]. Эта новая модель использует ранее установленную диаграмму перехода состояний для функционирования канала, но дает некоторые новые зависимости напряжения и света, которые могут иметь решающее значение для понимания работы ChR2 в кардиомиоцитах и ​​других клетках с более сложной морфологией потенциала действия.

Использование эмпирических ограничений для разработки модели

Чтобы построить модель ChR2, которая соответствует откликам ионного тока в зависимости от напряжения и освещенности, мы определили пять эмпирических показателей отклика тока ChR2 на световой импульс ( Рисунок 1A ): два измерения амплитуды (пиковый ток, I p и установившийся ток, I ss ) и три кинетических измерения (постоянная времени активации, τ ON , деактивации, τ OFF , и инактивации, τ INACT ).Эти пять упрощенных мер захвата морфологии были количественно определены (с помощью нелинейной подгонки, описанной в разделе «Материалы и методы») для экспериментальных трасс, полученных при различных наборах напряжений и освещенностей ( Рисунок 1C ). Затем они использовались в качестве руководства/ограничений для подгонки фактических параметров модели, включая скорость перехода из семи состояний в (рис. 1B ), предполагая структуру модели с четырьмя состояниями, как было предложено ранее [9], [12]. Подгонка была выполнена с использованием многопараметрической оптимизации путем имитации отжига в MATLAB, Mathworks, Natick, MA (см. Материалы и методы).Дополнительные ограничения были наложены данными о восстановлении после инактивации, полученными с использованием классического протокола S1–S2 ( Рисунок 1D ), что дало шестую эмпирическую меру — постоянную времени восстановления после инактивации, τ R .

Рис. 1. Экспериментальные протоколы, эмпирические измерения и построение модели ChR2.

А . Эмпирические меры, извлеченные из экспериментальных измерений и используемые для ограничения/оптимизации модели. Это пять параметров, отражающих амплитуду и кинетику тока ChR2: пиковый ток, I P ; установившийся ток, I SS , постоянная времени включения, τ ON ; постоянная времени инактивации, τ INACT ; и постоянная времени деактивации, τ OFF ; их количественно определяли для каждой клетки при всех описанных экспериментальных условиях.Синяя полоса указывает продолжительность светового импульса. Б . Структура модели ChR2, используемая в этом исследовании, адаптирована из [9], [12], с двумя закрытыми состояниями (C 1 и C 2 ) и двумя открытыми состояниями (O 1 и O 2 ), семь скорости перехода, две из которых (k 1 и k 2 ) зависят от света; подробности см. в таблице 1. С . Экспериментальный протокол с фиксацией напряжения и применением оптического импульса, всего 20 комбинаций на ячейку: 5 удерживающих напряжений в диапазоне от -80 до -10 мВ и 4 излучения в диапазоне от 0.от 34 до 5,5 мВт/мм 2 . Примеры трасс (ток ChR2) показаны для выбранных 4 (из 20) комбинаций. Д . Экспериментальный протокол восстановления после инактивации (импульсный протокол S1-S2) в общей сложности для 60 комбинаций условий на ячейку (3 излучения, 4 удерживающих напряжения и 5 интервалов между импульсами), как указано.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003220.g001

Мы предполагали моноэкспоненциальные процессы для соответствующих переходов, хотя было высказано предположение, что это может быть не совсем точным для деактивации (τ OFF ) ChR2 дикого типа [9].Тем не менее, для наших экспериментальных данных по мутанту h234R аппроксимация моноэкспоненциальной кривой дала хорошее приближение и точно отразила величину и морфологию тока ChR2 в различных экспериментальных условиях ( Рисунок 2AB ). Когда для некоторых переходных процессов применялась биэкспоненциальная аппроксимация, как это было предложено в [9], они вырождались в моноэкспоненциальные кривые для наших экспериментальных трасс.

Рис. 2. Внутреннее выпрямление тока-напряжения для ЧР2 в экспериментах (слева) и в модели (справа).

Экспериментальный ( A ) и модельный ( B ) примерные кривые тока ChR2 в ответ на 0,5-секундные импульсы света, 470 нм, при указанных значениях освещенности и удерживающих напряжениях. CD . Кривые ток-напряжение (ВАХ) для пикового тока (I P ). ЭФ . Кривые ВАХ (ВАХ) для установившегося тока (I SS ). ГХ . Отношение I SS /I P в зависимости от напряжения. Экспериментальные данные для C, E и G представлены как среднее ± S.Э., п = 7,

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003220.g002

Точный захват заметного внутреннего выпрямления ток-напряжение ChR2

Мы и другие показали, что ChR2 и его варианты демонстрируют сильное внутреннее выпрямление как для пикового, так и для установившегося тока при напряжениях выше 0 мВ [18], [20], [30]. Эта нелинейная зависимость от напряжения не учитывалась в большинстве предыдущих моделей [9], [11], и в целом зависимость ChR2 от напряжения не была точно представлена ​​в предыдущих количественных описаниях.Поэтому мы собрали исчерпывающий набор экспериментальных данных, используя несколько комбинаций напряжения и освещенности. Затем мы выполнили многопараметрическую оптимизацию экспериментальных данных для получения эмпирической функции выпрямления (см. , таблица 1, и , рисунок S1, ) и воспроизвели экспериментальные ВАХ с помощью модели (, рисунок 2C–H, ). Экспериментальные измерения реверсивного потенциала ChR2 с высокой точностью затруднительны из-за малого тока и плохого отношения сигнал/шум вокруг этой точки.Для модели мы приняли реверсивный потенциал равным нулю, что согласуется с нашими измерениями (вариации в пределах ±5 мВ), данными других авторов [13], [30] и находится в пределах теоретических оценок с учетом типичных внутри- и внеклеточных концентраций и данные по селективности ХР2 к H + , Na + , K + и Ca 2+ из [20].

Отношение стационарного тока к пиковому для ChR2 значительно различается среди его генно-инженерных вариантов [16], [32].Следовательно, правильное представление этого параметра по матрице значений напряжения-освещенности потребовало пересмотра светочувствительности тока и корректировки некоторых параметров, особенно увеличения сечения поглощения, σ ret . Этот параметр находится в прямой зависимости от коэффициента экстинкции для сетчатки и его значение является спектрально чувствительным [33].

Дифференциальная зависимость кинетических параметров ChR2 от света и напряжения (активация, деактивация и инактивация)

Ни одна из ранее опубликованных моделей ChR2 не включает кинетику, зависящую от напряжения.Наши экспериментальные данные выявили сильную нелинейную световую зависимость для τ ON и τ INACT (экспоненциально уменьшающуюся с более высокой освещенностью), которая была статистически значимой (P<0,001) в обоих случаях, но относительно светочувствительная τ OFF , P = 0,044 (, рис. 3A–I, ). Кроме того, мы экспериментально показываем (в соответствии с предыдущими данными [30]), что τ INACT полностью не зависит от напряжения (P = 0,178), но τ ON и τ OFF демонстрируют умеренную зависимость от напряжения, которая была статистически значимой ( Р = 0.009 и P<0,01 соответственно), не включенных ни в одну из предыдущих моделей. Последнее было зафиксировано в модели введением зависимости напряжения при переходе от O 1 к C 1 (G d ), см. Таблица 1 , Рисунок S1 . Модель предлагает количественное соответствие этих ключевых кинетических параметров по матрице «напряжение-энергетическая освещенность», Рисунок 3 .

Рис. 3. Зависимость кинетических параметров от света и напряжения в эксперименте (слева) и в модели (справа).

АБ . Световая зависимость τ ON при четырех значениях напряжения. CD . Зависимость напряжения τ ON от четырех уровней освещенности. ЭФ . Световая зависимость τ OFF при четырех значениях напряжения. ГХ . Зависимость напряжения τ OFF от четырех уровней освещенности. ИЖ . Световая зависимость τ INACT при четырех значениях напряжения. КЛ . Зависимость напряжения τ INACT от четырех уровней освещенности.Экспериментальные данные для A, C, E, G, I и K представлены как среднее ± стандартная ошибка, n = 5.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003220.g003

Восстановление после инактивации зависит от напряжения и света

Восстановление после светоиндуцированной инактивации исследовали по протоколу S1-S2 (, рис. 1D, ). Примеры откликов (эксперимент и моделирование модели) показывают, что для интервала между импульсами в 3 с фиксированная освещенность (1.6 мВт/мм 2 ) и два удерживающих напряжения (-40 мВ и -80 мВ), восстановление неполное, Рисунок 4A–B . Тщательное экспериментальное исследование восстановления после инактивации показало, что процесс (τ R ) зависит как от напряжения, так и от освещенности ( , рис. 4C–J ), где более положительные напряжения значительно замедляют восстановление, в то время как более высокая освещенность слегка ускоряет восстановление. от инактивации. Поскольку в модели переход C 2 в C 1 (G r ) является параметром, наиболее непосредственно связанным с τ R , мы получили эмпирическую зависимость этой константы скорости от напряжения, соответствующую экспериментальным данным.Качественная сводка зависимости шести ключевых параметров, описывающих реакцию ChR2, от напряжения и освещенности приведена в таблице 2 .

Рис. 4. Кинетика восстановления после инактивации ChR2 в эксперименте (слева) и в модели (справа).

АБ . Экспериментальные и модельные следы в ответ на протокол S1–S2, интервал между импульсами 3 с, освещенность 1,6 мВт / мм 2 и удерживающие напряжения -40 и -80 мВ. CD . Световая зависимость τ R при четырех значениях напряжения. ЭФ . Зависимость напряжения τ R от трех уровней освещенности. ГХ . Отношение пиковых токов в ответ на S2 и S1, I P2 /I P1 , как функция интервала между импульсами, для четырех значений напряжения. ИЖ . Отношение пиковых токов в ответ на S2 и S1, I P2 /I P1 , как функция межимпульсного интервала для трех уровней освещенности. Экспериментальные данные в C и E аппроксимировались к средним кривым, n = 4.Экспериментальные данные для G и I представлены как среднее ± стандартная ошибка, n = 4.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003220.g004

ChR2 ток зависит от температуры: Q

10 расчет для приведения к физиологическим температурам

Как и в большинстве исследований ионных каналов, наши эксперименты проводились при комнатной температуре. Чтобы получить модель ChR2, пригодную для моделирования в физиологических условиях (37°C) и вставки в модели клеток и тканей сердца (или других), мы стремились вывести и внедрить коэффициенты температурного масштабирования, широко известные как Q 10 .Экспериментальные данные из [30] при 22°C и 37°C, показанные на рис. 5A-D , были использованы для получения значений Q 10 для наших трех основных кинетических параметров и отношения Iss/Ip. Эти значения Q 10 оказались относительно независимыми от напряжения, за исключением τ OFF , и находятся в диапазоне значений Q 10 для параметров классического ионного канала [34], Рис. 5E–F . Экспериментально полученные значения Q 10 использовались в качестве ограничений в процедуре нелинейной оптимизации, включающей температурное масштабирование констант скорости модели ( Рисунок 1B ), чтобы получить значения, перечисленные в Рисунок 5F .Репрезентативные текущие трассы модели для 22°C и 37°C показаны на Рисунок 5G . В общем, повышенная температура приводит к более быстрой кинетике и большей доле постоянного тока Iss, как видно экспериментально [30].

Рис. 5. Температурная зависимость тока ЧР2.

A–D Экспериментальные данные, адаптированные из [30], показывающие влияние температуры (22°C и 37°C) на τ ON , τ INACT , τ OFF и I SS /I P для диапазона напряжений. Е . Масштабные коэффициенты температуры (значения Q 10 ), полученные на основе данных AD . Ф . Сводка средних значений Q 10 (из E ), используемых в качестве ограничений для оптимизации модели; оптимизированные значения Q 10 для скоростных параметров модели. Г . Пример модельных следов тока ChR2 для указанных значений напряжения и энергетической освещенности при 22°C и 37°C.

https://doi.org/10.1371/журнал.pcbi.1003220.g005

Оптическая стимуляция может влиять на локальную температуру клеток-мишеней. Однако для рассматриваемых здесь длин волн (470 нм) и уровней освещенности, обычно используемых в наших экспериментах (от 0,1 до 5,5 мВт/мм 2 ), теоретический анализ показал, что такие изменения температуры будут незначительными. В частности, используя решение диффузионного уравнения в частных производных в замкнутой форме для моделирования максимального изменения температуры при нагревании частицы на водной основе в водной среде аналогично [35] (см. Text S1 ), мы обнаруживаем, что после однократного Световой импульс 90 мс в 5.5 мВт/мм 2 , температура в центре светового луча повысится примерно на 0,013°C, а для гораздо более длинных импульсов при такой освещенности повышение температуры насыщения будет менее 0,04°C. Поэтому в модели не учитывались эффекты нагрева, связанные с самим световым приложением.

Функциональность ChR2 в различных типах клеток сердца – значение для оптической возбудимости

Нет предварительных записей о поведении I ChR2 во время сердечного потенциала действия.Для получения таких данных использовали миоциты желудочков взрослых морских свинок, вирусно трансдуцированные ChR2. Применяли модифицированный вариант зажима потенциала действия (AP-зажим) [36] (см. Материалы и методы). Во время фиксации напряжения с оптически запускаемой ПД отсутствие света (условия темноты) использовалось в качестве селективного «блокатора» ChR2, в то время как условие «включения» ChR2 требовало точно синхронизированного оптического импульса во время фиксации AP. Пример такой экспериментальной записи показан на рис. 6B–D , подтвержденной в дополнительных трех ячейках.Когда синхронизация оптического импульса была изменена (задержана на 100 мс), отличительный внутренний суммарный ток был потерян, что подтверждает ChR2 как вероятный источник. Поразительное морфологическое сходство, хотя и не точное количественное совпадение, наблюдается между экспериментально полученным и смоделированным на модели током ChR2 в потенциале действия желудочка клетки морской свинки (, рис. 6, ). Поскольку масштабирование I ChR2 в модели основано на средних клеточных данных в клеточной линии HEK-ChR2, некоторая разница в величине тока между моделью и отдельным желудочковым миоцитом морской свинки, вероятно, с разными уровнями экспрессии ChR2, не удивительно.

Рис. 6. Ток ChR2 во время потенциала действия сердца через AP-зажим.

А . Желудочковые кардиомиоциты взрослой морской свинки после 48 ч вирусной инфекции Ad-ChR2(h234R)-EYFP, зеленая флуоресценция указывает на экспрессию ChR2; масштабная линейка 50 мкм. Экспериментальные ( B – D ) и модельные ( E – F ) следы клеток желудочков морской свинки. Б . Оптически запускаемый потенциал действия (импульс 50 мс при 470 нм, 1,5 мВт/мм 2 ), используемый для AP-зажима; пунктирная линия указывает условия фиксации напряжения при применении сигнала; синие точки обозначают начало и конец оптического импульса. С . Извлекается I ЧР2 как разность токов от суммарных токовых дорожек (панель D ), зарегистрированных в темных условиях и при световом импульсе. Е . Аналогичный оптически активируемый потенциал действия в модели клетки желудочка морской свинки. Ф . В основе I ЧР2 по образцу.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003220.g006

Окончательная модель ChR2, адаптированная к физиологическим температурам, была встроена в несколько других типов клеток сердца, включая желудочковый миоцит человека [37], предсердный миоцит человека. [38] и клетка Пуркинье человека [39], Рисунок 7 .В темноте канал не вносит вклада в электрофизиологию клетки. При типичном сверхпороговом световом импульсе (в этом примере импульс 10 мс при 470 нм, 0,5 мВт/мм 2 ) генерируется направленный ток, достаточный для инициации потенциала действия в каждой из клеток ( Рисунок 7A ). Этот запускаемый светом ток является самоограничивающимся — небольшой ток, направленный наружу, генерируется после того, как мембранный потенциал превышает реверсивный потенциал для ChR2. Интересно отметить дифференциальную реакцию ChR2 в этих трех типах клеток: меньший ток ChR2 достаточен для возбуждения по Пуркинье, в то время как желудочковые миоциты требуют наивысшего тока, т.е.е. труднее всего возбудить светом в диапазоне амплитуд и длительности импульса (кривые сила-длительность показаны на рис. 7C ). Идентичные значения проводимости были выбраны для ChR2 во всех трех типах клеток на основании наших данных для клеточной линии ChR2-HEK; g ChR2 может варьироваться в зависимости от эффективности экспрессии генов и конкретной клеточной среды. Мы обнаружили, что плотность тока или уровни экспрессии ChR2 будут масштабировать кривые сила-длительность сходным образом для всех трех типов клеток, т.е.е. более высокие уровни экспрессии будут монотонно уменьшать оптическую энергию, необходимую для возбуждения (, рисунок S2, ).

Рисунок 7. Оптическое возбуждение в клетках сердца человека.

А . Оптически запускаемые потенциалы действия (импульс 10 мс при 470 нм, 0,5 мВт/мм 2 ) в клетках желудочка, предсердия и Пуркинье человека. Б . Основной ток ChR2 при генерации потенциала действия для трех типов клеток. С . Кривые сила-длительность для трех типов клеток.Квадраты показывают смоделированные значения порога оптического возбуждения в желудочковых миоцитах с формулой Пуркинье I K1 .

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003220.g007

Более длительная быстрая оптическая стимуляция приведет к частичной инактивации тока ChR2 за счет смещения занятости состояния в сторону светоадаптированных состояний с более низкой проводимостью (O2 и C2). ). Например, последовательность стимуляции, доставляемая к миоциту желудочка человека с помощью оптических импульсов с частотой 2 Гц и длительностью 10 мс, приводит к снижению пикового доступного тока ChR2 примерно на 22% после 100 с стимуляции, Рисунок S3 .

Обсуждение

Мотивация разработки новой модели ЧР2 (х234Р)

Количественное моделирование светочувствительных ионных каналов бактерий или дрожжей, т.е. ChR2, недавно использованный для функционального контроля клеток и тканей млекопитающих, формирует основу новой области — вычислительной оптогенетики [8]–[12]. Первые вычислительные модели были разработаны, чтобы резюмировать в первую очередь реакцию на свет при оптической стимуляции нейронов, опосредованную ChR2 [9], [12], вводя лишь рудиментарную линейную зависимость от напряжения.В отличие от его использования в нейронах, на функциональность ChR2 в кардиомиоцитах влияет морфология более длинных потенциалов действия, и поэтому необходимо точно описать зависимости от напряжения. Рисунок S4 сравнивает реакцию модели без нелинейных зависимостей напряжения с моделью, представленной здесь. Без нелинейности вольт-амперных характеристик (т. е. без выпрямления) функциональность ионного канала внутри сердечной клетки искажается ошибочным реполяризующим током во время фазы плато потенциала действия (, рис. S4C, ).Нашей целью было разработать модель, которая точно фиксирует особенности канала, которые могут влиять на его действие в кардиомиоцитах, особенно в отношении свойств, зависящих от напряжения.

Недавно была опубликована модель ChR2 с тремя состояниями [10], которая фокусируется на том же мутанте, что и в этом исследовании, — h234R. Полученная здесь модель, соответствующая ключевым эмпирическим измерениям в наших обширных экспериментальных данных, Рисунки 1 4 , была сопоставлена ​​с опубликованной моделью ChR2-h234R с тремя состояниями. Рисунки S5–S6 показывают, что эта предыдущая модель не соответствовала нашим данным. Основные отличия включают меньший установившийся ток в опубликованной модели (, рис. S5, ), гораздо более низкое отношение установившегося состояния к пиковому (, рис. S6A–B, ) и более медленное открытие канала при изменении освещенности и напряжения (). Рисунок S6C–D ). Эти значительные различия в реакции на свет и напряжение могут привести к неточным предсказаниям действия канала в кардиомиоцитах, как показано на рис.Источник этого несоответствия неясен, но потенциальные искажающие факторы могут включать различное клеточное окружение — мы использовали однородный набор экспериментальных данных, полученных в стабильной клеточной линии НЕК с ChR2-h234R, в то время как опубликованная модель была частично основана на данных, полученных в кардиомиоцитах, полученных из эмбриональные стволовые клетки, экспрессирующие этот канал. В то время как классические потенциалзависимые ионные каналы часто характеризуют в искусственных гетерологичных системах, предполагая, что их характерные особенности остаются независимыми от клеточного окружения, для светочувствительного ChR2, который связан с клеточным хромофором, полностью транс-ретиналем, это предположение нужно будет проверить.С этой целью нет систематических доказательств клеточно-зависимых свойств ChR2 или любых других оптогенетических инструментов. Другой возможной причиной несоответствия между двумя моделями в рисунках S5–S7 могут быть недостаточные ограничения, использованные при построении предшествующей модели, т. е. полнота матрицы напряжений и освещенностей, использовавшаяся ранее, была неясной. Интересный вопрос, вытекающий из несоответствия между этими двумя математическими моделями, заключается в том, является ли предполагаемая структура перехода состояний (три состояния против 3 состояний).четыре состояния в нашей модели) могли быть ограничительными в любом случае.

Структура модели и эмпирический подход к моделированию ChR2

Следуя традиции моделирования классических ионных каналов, мы приняли эмпирический подход к моделированию ChR2. Конкретная марковская модель с четырьмя состояниями, используемая здесь, Рисунок 1B , в общих чертах основана на функциональных данных о кинетике фотоцикла каналородопсина [26], [27] и была предложена как наиболее подходящая [9], [12], хотя и не уникальный.Более простая структура модели с тремя состояниями, используемая в модели ChR2-h234R Abilez et al. [10], рассмотренная выше, является неветвящейся, со строго однонаправленным потоком переходов, в отличие от используемой здесь модели с четырьмя состояниями. Несмотря на свою способность качественно фиксировать большинство характеристик ChR2, такая круговая модель с тремя состояниями ранее подвергалась критике за ограничения в количественном описании светочувствительности ChR2, кинетики выключения и рН-зависимых сдвигов спектров действия [9], [33]. ].Некоторые из этих ограничений, возможно, также способствовали расхождению с нашей моделью в рисунках S4-S7 .

Все опубликованные математические модели ChR2 неизменно описывают переход от C 2 к C 1 как необратимый, т.е. C 2 всегда будет полностью восстанавливаться до C 1 в темноте. Однако Эрнст и соавт. обнаружили в Volvox Channelrhodopsin (VChR) pH-зависимое равновесие между темновыми состояниями фотоцикла D470 и D480, которые аппроксимируются состояниями C 1 и C 2 в нашей математической модели ChR2 [27], [33].Чтобы исследовать существование такого равновесия в темном состоянии и его потенциальную зависимость от напряжения в ChR2, мы разработали экспериментальный протокол (, рисунок S8B, ) с различным напряжением «предварительного кондиционирования» в течение длительного периода в темноте до фиксации при −80 мВ и оптически стимулируют синим светом.

Наши экспериментальные результаты ( Рисунок S8C–F ) показывают увеличение пикового тока (I P ), более быструю кинетику активации (τ ON ) и более медленную кинетику инактивации (τ INACT ) при более положительном предварительном напряжения стимуляции, особенно выше 0 мВ.Это предполагает наличие зависящего от напряжения темнового равновесия между C 1 и C 2 с возрастающим предпочтением состояния C 1 при более положительных напряжениях. Следовательно, можно рассмотреть расширенную модель с 4 состояниями и 8 переходами ( Рисунок S8A ), допускающую переход C 1 → C 2 со скоростью G r12 (аналогично e 12 и e 21 ), а обратный переход со скоростью G r21 .

В свете этих результатов постоянная времени восстановления после инактивации τ R соответствует 1/(G r12 +G r21 ) вместо текущего τ R  = 1/G r зависимость. Разработка новой модели с такой альтернативной структурой может включать следующие ограничения для определения G r12 (V) и G r21 (V): 1) выход модели пикового тока I P и отношение пикового ток к установившемуся току I P /I SS , 2) кинетика активации модели (τ ON ) и 3) G r (V), которая замедляется при более положительных напряжениях.Предварительные попытки оптимизации приспособить такую ​​модельную структуру к этим ограничениям и без введения дополнительных переходов между состояниями показали, что необходимо значительное увеличение γ (отношение O 2 /O 1 ) по сравнению с его текущим значением 0,1. Правомерность такого изменения модели неясна, и возможны несколько альтернативных сценариев. А именно, другой набор ограничений может привести к более правдоподобным параметрам модели. В качестве альтернативы могут быть добавлены дополнительные переходы модели, как в Stehfest et al.[27], что ослабит ограничения и, возможно, даст другой оптимальный набор параметров. В любом случае реструктуризация модели требует большего количества экспериментальных данных, чем представлено здесь.

Зависимости напряжения ЧР2

В первом воплощении модели канального родопсина использовалась схема реакции, построенная вокруг фотоцикла ChR1 [12], и нелинейности, зависящие от напряжения, игнорировались. Это упрощенное представление сохранилось в последующей модели ChR2 [9], которая приняла ту же диаграмму состояний и структуру и сохранила линейную зависимость ток-напряжение.Чтобы отразить выдающиеся свойства выпрямления ChR2 с минимальным выходным током [6], [18], [20], [21], [30], [31], в более поздних моделях была введена некоторая эмпирически полученная нелинейность [8], [10]. Точно так же наш подход к моделированию выпрямления ChR2 был чисто эмпирическим — мы определили хорошо работающую нелинейную функцию, которая лучше всего соответствует экспериментальным данным, G (V) в Таблица 1 , Рисунок S1 . В качестве альтернативы внутреннее ректификацию можно смоделировать более механистическим образом, если доступны убедительные экспериментальные данные.Недавно Градманн и соавт. [31] обсудили несколько возможных механизмов выпрямляющих свойств ChR2. С математической/биофизической точки зрения они могут включать в себя: 1) классическое стробирование в стиле Ходжкина-Хаксли; 2) механизм ректификации Гольдмана-Ходжкина-Каца; 3) асимметричный барьер/протекающий протонный насос – механизм, предложенный Feldbauer et al. объяснить выпрямление одноканальными свойствами из анализа шума [21]; и 4) механизм, основанный на кинетике множества видов ионов, взаимодействующих с каналом.Последний механизм был одобрен в [31], тогда как остальные три были исключены из-за недостаточной нелинейности для соответствия экспериментальным данным.

Помимо сценариев, рассмотренных в [31], отметим, что цитозольный Mg 2+ и цитозольные полиамины (спермин, спермидин, путресцин, кадаверин) известны как общие/универсальные медиаторы выпрямления ионного тока по множеству каналов, хотя точные механизмы остаются неясными. Блокировка и выпрямление Mg 2+ впервые были зарегистрированы в 1980-х годах для каналов внутреннего выпрямления из семейства Kir, включая сердечный канал Ik1 (Kir2.1) [40], [41], а также для АЧ-чувствительных каналов К + [42]. Позднее было установлено, что Mg 2+ действует на низкоаффинные сайты, тогда как эндогенные цитозольные полиамины действуют на высокоаффинные сайты и оба опосредуют ректификацию. Важно отметить, что роль полиаминов в ректификации была подтверждена для различных каналов-мишеней: внутреннего ректификатора, включая сердечную изоформу (Kir2.1) Лопатина и Фикера [43], [44], рианодиновых рецепторов и их ректифицирующих свойств [45], Ca 2+ чувствительных рецепторов AMPA [46], а недавно также для ректификации клонированных каналов Na + , особенно кардиальной изоформы (Nav1.5) [47]. Будущая работа должна проверить возможность полиамин-опосредованной ректификации в ChR2; такие новые экспериментальные данные могут лечь в основу более механистического описания выпрямления напряжения в рамках модели ChR2.

Зависимости от напряжения в нашей модели ChR2 также распространяются на некоторые кинетические свойства. В частности, чтобы согласовать экспериментальные данные, нам пришлось ввести зависимость от напряжения в константы времени, связанные с открытием, закрытием ChR2 и особенно восстановлением из инактивации, Таблица 2 .Механизм такой чувствительности к напряжению ранее не обсуждался. Самые последние структурные данные ChR2 [48], [49] дают только общую информацию о семи трансмембранных доменах, четыре из которых (1, 2, 3 и 7) определяют проводящую пору, причем TM2 определяет ее ионную селективность, а TM7 является критично для взаимодействия с хромофором. Мы не нашли прямых доказательств существования уникальной области внутри поры ChR2, эквивалентной классическому датчику напряжения, т.е. специфической последовательности заряженных аминокислот (остатки Arg + , Lys + в каждом третьем положении с неполярными остатками в -between), обычно обнаруживаемый в трансмембранном домене S4 потенциалзависимых ионных каналов с тетрамерной структурой [50], см. Figure S9 .Однако многие лиганд-управляемые ионные каналы, напр. Известно, что канал ACh демонстрирует зависящее от напряжения стробирование в отсутствие классических датчиков напряжения, но исключительно из-за основных электростатических взаимодействий между порой заряженного ионного канала и текущими ионами [50]. Дальнейшая работа (путем мутагенеза) может точно определить механизм кинетики, зависящей от потенциала ChR2, на которую указывают наши данные.

Применение модели ChR2 к оптическому возбуждению сердечной ткани

Понимая, что оптогенетика подразумевает использование ChR2 в клетках млекопитающих, включая сердечные, при физиологических температурах, мы получили здесь коэффициенты масштабирования (Q10) для параметров модели для точного описания ее работы при 37°C, Рисунок 5 .Мы считаем это важным, поскольку большая часть характеристик проводится при комнатной температуре, в то время как в клетках млекопитающих работа ChR2 будет критически зависеть от его взаимодействия с эндогенными ионными каналами, свойства которых были адаптированы к физиологическим температурам. Интересно, что мы обнаружили, что значения масштабирования Q10 для параметров ChR2 ( Рисунок 5 ) попадают в диапазон значений температурной чувствительности для классических потенциалзависимых ионных каналов [34] с ожидаемым ускорением кинетики при повышенных температурах.

Чтобы убедиться в эффективности предлагаемой модели в сердечном миоците, важно подтвердить вклад этого экзогенного тока в электрофизиологическую среду сердца. Таких экспериментальных данных для I ChR2 во время сердечного потенциала действия ранее не приводилось. Классически для разделения ионных токов во время потенциала действия используют подходы фиксации АД [36] в сочетании со специфическими фармакологическими блокаторами. Недостаток света является очень избирательным «блокатором» I ChR2 , однако включение I ChR2 (в контексте зажима AP) является более сложным.Благодаря динамическому отклику И ЧР2 на световой импульс (в отличие от отклика типичного ионного канала на присутствие блокатора) здесь был использован модифицированный вариант АП-зажима с точно синхронизированным оптическим импульсом для выписка I ЧР2 . Общее превосходное соответствие между предсказанным моделью и экспериментально полученным I ChR2 во время потенциала действия желудочка морской свинки ( Рисунок 6 ) поддерживает использование этой модели ChR2 в других типах клеток.Тем не менее, следует проявлять осторожность при рассмотрении долгосрочной оптической стимуляции, поскольку эта модель не была экспериментально ограничена для отражения потенциальной долгосрочной инактивации, возможных изменений pH и/или потенциала реверсии.

К преимуществам оптогенетической стимуляции относятся пространственно-временное разрешение и специфичность действия, обычно достигаемые с помощью специфического для клеточного типа промотора экспрессии генов. Эти преимущества в настоящее время лежат в основе расшифровки нейронных цепей в головном мозге [16].Точно так же в сердце существует разнообразие типов клеток и пространственные градиенты экспрессии ионных каналов, однако для специфического нацеливания на клетки доступно гораздо меньше экспериментальных инструментов, то есть специфических для клеток промоторов для управления экспрессией экзогенных генов. Альтернативное нацеливание на типы клеток может быть достигнуто путем дозирования оптической энергии и использования различных порогов возбуждения кардиомиоцитов. На рис. 7 показано, что, как и при электрической стимуляции, порог оптического возбуждения для клеток Пуркинье намного ниже, чем для миоцитов предсердий или желудочков.Различный состав ионных каналов, приводящий к изменению баланса деполяризующих (возбуждающих) и реполяризующих (тормозных) токов в клетках сердца, также играет важную роль в их ответе на ChR2. В частности, модели человеческих кардиомиоцитов, обсуждаемые здесь, имеют явно отличающийся внутренний выпрямляющий ток, I K1 , который служит основной противодействующей силой возбуждающим сигналам — пик I K1 после 10 мс оптического импульса для V: 1,84 пА/ ПФ; для A: 0,49 пА/пФ и для P: 0.32 пА/пФ (см. также рис. S10 ). Действительно, при моделировании желудочкового миоцита с помощью формулы Пуркинье I K1 (квадраты рис. 7C ) мы обнаруживаем значительное снижение порога возбуждения (до 12%, 28% и 37% исходного V-клеточного облучение при импульсах 100 мс, 20 мс и 5 мс, соответственно.В дополнение к различиям в электрофизиологии одиночных клеток среда сопряжения этих типов клеток различна, при этом желудочковые миоциты сталкиваются с самой высокой электротонической нагрузкой.Эти результаты позволяют предположить, что клетки Пуркинье (и проводящая система в целом) могут быть предпочтительной мишенью для оптической стимуляции in vivo при очень низкой энергии. Мы подтвердили это в трехмерной вычислительной модели сердца, исследуя различные пространственные схемы [51].

Дальнейшая полезность модели ChR2, разработанной здесь, может быть найдена в управлении оптимизацией пространственной доставки генов и света, как показано в наших предварительных симуляциях [51], [52] для in vivo низкоэнергетического использования.В области оптогенетики сердца расширение этой работы до реалистичных геометрий сердца [29], [51] может предшествовать и направлять разработку надлежащих оптических исполнительных узлов, которые сталкиваются с гораздо большими проблемами, чем нейронные инструменты in vivo , построенные вокруг стереотаксических систем. Поскольку набор инструментов оптогенетики расширяется и включает новые мутанты для удовлетворения различных экспериментальных потребностей, мы считаем, что представленная здесь вычислительная структура (с алгоритмами автоматической идентификации параметров) может быть адаптирована для преобразования этой модели в другие недавно разработанные каналы.

Материалы и методы

Клеточная линия HEK-ChR2

Стабильная клеточная линия HEK, экспрессирующая ChR2-h234R-eYFP, была разработана нашей группой, как описано ранее [18]. Вкратце, плазмиду ChR2 (pcDNA3.1/hChR2(h234R)-EYFP, полученную через Addgene (Кембридж, Массачусетс) использовали для трансфекции клеток HEK 293 (ATCC, Манассас, Вирджиния) липофектамином 2000 (Invitrogen, Карлсбад, Калифорния). с последующим отбором 500 мкг/мл генетицина (GIBCO Invitrogen) для достижения экспрессии >98%.

Экспериментальные измерения тока ЧР2

Эксперименты с пэтч-клампами цельных клеток использовались для регистрации тока, опосредованного ChR2.Клетки HEK-ChR2 собирали путем трипсинизации и перед экспериментом повторно высевали при низкой плотности на покровные стекла, покрытые полилизином. Клетки зажимали с использованием усилителя Axopatch 1D (Axon Instruments Inc., Фостер-Сити, Калифорния) и пипеток из боросиликатного стекла (World Precision Instruments, Inc., Сарасота, Флорида) при комнатной температуре (22°C). Инвертированный микроскоп (Olympus, CK40) использовался для визуализации во время процедуры заплаты-зажима. Мембранные токи записывались при частотах дискретизации от 200 Гц до 10 кГц (последняя использовалась для всех кинетических измерений), оцифровывались (DIGIDATA 1320A, Axon Instruments) и сохранялись для последующего автономного анализа.Пипеточный раствор содержал (в ммоль/л) аспартат калия 80, KCl 50, MgCl 2 1, MgATP 3, EGTA 10 и HEPES 10 (pH 7,4 с КОН). Наружный раствор содержал (в ммоль/л) KCl 5,4, NaCl 140, MgCl 2 1, CaCl 2 1,8, HEPES 10 и глюкозу 10 (pH 7,4 с NaOH).

Опосредованные светом токи ChR2 запускались блоком синего светодиода (470 нм), прикрепленным к порту эпи-освещения микроскопа и управляемым мощным драйвером светодиода (оба от Thorlabs, Ньютон, Нью-Джерси).Свет доставлялся к клеткам через объектив 40×. Оптическая сила измерялась стандартным измерителем оптической мощности (PMD100D, Thorlabs), а освещенность (мВт/мм 2 ) рассчитывалась на основе размера пятна освещения (в среднем 0,78 мм 2 ). Световые импульсы были синхронизированы как с инициированием фиксации напряжения, так и с записью сигнала с помощью специально разработанного интерфейса через TTL для реализации экспериментальных протоколов, показанных в Рисунок 1CD .

Амплитуда и кинетика

ChR2 были определены, как показано на Фигуре 1C .Каждая ячейка (n = 7) первоначально была зафиксирована при удерживающем напряжении в диапазоне от -10 до -80 мВ. После зажима напряжения в течение 10 мс подавался световой импульс длительностью 500 мс с интенсивностью излучения в диапазоне от 0,34 до 5,5 мВт/мм 2 . Между записью каждой комбинации напряжения и освещенности (всего 20 комбинаций на ячейку) было предусмотрено достаточное время (> 10 с). Восстановление после светоиндуцированной инактивации исследовали с использованием второго протокола, показанного на , рис. 2B . Прикладывали два последовательных световых импульса длительностью 500 мс (S1 и S2), разделенных интервалом восстановления (периодом темноты).В анализируемых клетках исследовали все комбинации удерживающих напряжений от -10 до -80 мВ, освещенности от 0,44 до 3,44 мВт/мм 2 и интервалов восстановления от 0,5 до 15 с (всего 60 комбинаций) в анализируемых клетках (n = 4). ).

Анализ данных: фильтрация, сегментация и получение эмпирических параметров

Анализ всех данных был завершен в автономном режиме в MATLAB (Mathworks, Natick, MA). Эмпирические параметры были извлечены из каждой экспериментальной трассы, как показано на рис. 1A .Постоянные времени τ ON , τ INACT и τ OFF соответственно описывают процессы активации (включение), инактивации и деактивации (выключение света). Величина тока характеризовалась I P (пиковый ток) и I SS (установившийся ток). Медианная фильтрация выполнялась на всех текущих трассах перед анализом. Все подгонки кривых были выполнены с помощью MATLAB Curve Fitting Toolbox с использованием алгоритма «доверительной области» с переменным допуском 10 −12 , минимальным и максимальным размером шага — 10 −12 и 0.1 соответственно; максимальное количество 600000 итераций и вычислений функции использовалось в качестве критерия завершения.

Для определения постоянных времени токовые кривые ChR2 были разделены на три части и подогнаны под моноэкспоненциальные кривые. Для каждой трассы I P было определено как максимальное (пиковое) значение тока; установившийся ток I SS рассчитывали как среднее значений тока через 400-450 мс после начала. Границы и длина сегментации для каждого параметра были следующими: 1) для τ ON , 10 мс до I P до I P ; 2) для τ INACT , от 10 до 110 мс после I P ; 3) для τ OFF , от 500 до 600 мс после I P .Кроме того, как I P , так и I SS были нормализованы к базовому току, а также к емкости элемента.

Для оценки восстановления после инактивации процент восстановления после инактивации определяли как отношение пикового тока во время второго импульса к первому (I P1 / I P2 ). Подгонка моноэкспоненциальной кривой была выполнена по данным, полученным от 1,6 мВт/мм 2 световых импульсов, чтобы найти постоянную времени восстановления аппроксимации кривой, τ R .В отсутствие света из рисунка 1В следует, что G r ≈1/τ R , таким образом, для скорости перехода G r была получена зависимая от напряжения экспоненциальная зависимость. При сравнении эксперимента и модели τ R было рассчитано для каждой комбинации напряжения и освещенности как время, в которое I P1 /I P2 ≈1−1/e≈0,632 после интерполяции кубическим сплайном, как в . Рисунок 4A –D .

Статистический анализ кинетических параметров

Поскольку ранее не считалось, что кинетические параметры ChR2 зависят как от напряжения, так и от освещенности, мы провели статистический анализ экспериментально полученных τ ON , τ OFF и τ INACT .Регрессионный анализ был выполнен в SPSS с использованием двухфакторного дисперсионного анализа (с напряжением и освещенностью в качестве факторов), принимая во внимание значимость при P<0,01.

Реализация модели ChR2 и оптимизация параметров

Реализация ChR2 основана на структуре модели с четырьмя состояниями ( Рисунок 1B ), предложенной ранее [9], [12], содержащей два открытых состояния (O 1 и O 2 ) и два закрытых состояния (C 1 и C 2 ), и модулируется всего семью кинетическими параметрами (k 1 , k 2 , G d1 , G d2 , G 90 3 1044 r r , e 21 ), см. также Таблица 1 .Уравнения модели представлены ниже, Eqns (1 14) . Зависимость от напряжения была введена в G V , G r и G d1 , чтобы воспроизвести внутреннее выпрямление и кинетику, зависящую от напряжения, обнаруженную экспериментально. При фиксированной форме функции параметры модели были получены с помощью нелинейной оптимизации с ограничениями с использованием алгоритма имитации отжига (типа Больцмана) в MATLAB, где настройки включали целевой предел 0, начальную температуру 100 000, интервал повторного отжига 50 и максимальный предел оценки функции 1 000 000.Оптимальные значения параметров, определенные с помощью имитации отжига, использовались в качестве начальных значений для поиска образов (жадный алгоритм) для высокоточного определения локальных минимумов. Целевая функция (ошибка) для оптимизации параметров была определена как среднеквадратическая (RMS) ошибка расчетных и экспериментально наблюдаемых значений каждого параметра в зависимости от напряжения и освещенности.

Математическая модель ChR2 была реализована в MATLAB с надежным протоколом для электрической и оптической стимуляции.Модульная форма текущей модели ChR2 позволяла напрямую встраиваться в одноклеточные модели сердца, также реализованные в MATLAB. Интеграция для клеточных моделей проводилась с использованием встроенного алгоритма интегрирования с переменным шагом по времени и подходит для жестких систем обыкновенных дифференциальных уравнений (ode15s) при абсолютной и относительной погрешности 10 -10 . Модели клеток сердца, используемые в этом исследовании, включали версию модели Luo-Rudy кардиомиоцита желудочка морской свинки [53], версию модели клеток желудочка человека 2006 года, разработанную ten Tusscher et al.[37], модель человеческого предсердия Courtemanche et al. [38] и модель Пуркинье Sampson et al. [39]. Выходное напряжение для моделей клеток сердца имеет общий вид, Уравнение (15) , при этом общий ток вычисляется, как описано в исходных ссылках для клеток желудочка морской свинки ( I iLR ) и для желудочка человека ( I iV ), предсердные ( I iA ) и клетки Пуркинье ( I iP ), уравнения (16

)(1)(2)(3)(4)(5)(6)где(7)(8)(9)(10)(11)(12)(13)(14)(15)(16)( 17)(18)(19)

Кривые сила-длительность

(например, показанные на рис. 7 ) были построены путем изменения ширины оптического импульса и определения минимальной освещенности, необходимой для возбуждения. Порог возбуждения определяли как продолжительность и силу стимула (освещенность), необходимые для увеличения напряжения мембраны выше -20 мВ в течение 400 мс после инициализации стимула. Сила для каждой длительности была рассчитана путем вычисления ошибки как [V max — (-20)] и определения значения, необходимого для пересечения нуля, с использованием функции fzero в MATLAB.

Получение масштабных коэффициентов температуры, Q

10

Корректировка значений параметров для температурных условий производилась с помощью масштабирования Q 10 . Q 10 был принят в литературе по ионным каналам и возбудимым мембранам в качестве упрощенного фактора для коррекции температурно-зависимых процессов, предполагающих аррениусовскую (экспоненциальную) модель кинетики реакции. Используя экспериментальные данные при 22°C и 37°C из [30] по четырем параметрам/ограничениям модели, как показано на рис. 5E , мы получили Q 10 для каждого из них следующим образом:

, где P и P o значения каждого из четырех параметров (τ ON , τ OFF , τ INACT и I P ), измеренные при 3 SS 37°С и при 22°С соответственно.Поскольку полученные значения Q 10 в основном не зависели от напряжения, мы использовали средние значения в качестве ограничений. Затем был применен имитационный отжиг, как описано выше, для получения значений Q 10 для семи явных параметров модели (см. рис. 5E ), при минимизации разницы между моделью и экспериментальным значением Q 10 для ограничений. Наконец, значения семи параметров модели (полученные при 22°C) были масштабированы с полученным оптимальным значением Q 10 с для представления поведения модели при физиологической температуре.

Ток ChR2 во время сердечного потенциала действия (зажим оптического потенциала действия)

Эксперименты с оптическим возбуждением кардиомиоцитов для извлечения тока ChR2 во время сердечного потенциала действия были проведены на трансдуцированных вирусом клетках взрослых морских свинок. Для быстрой экспрессии был сконструирован аденовирусный вектор, содержащий трансген hChR2(h234R)-EYFP (на основе плазмиды № 20940 от Addgene). Кардиомиоциты левого желудочка взрослой морской свинки выделяли, как описано ранее [54], высевали на чашки со стеклянным дном, покрытые фибронектином, и инкубировали при 37°C в среде M199 (Gibco) с добавлением 10 мМ HEPES, 1% Pen/Strep и 15% ФБС.Вирусную инфекцию инициировали через три часа после посева. Вирусные частицы разводили в среде М199, содержащей 2% FBS, и наносили на кардиомиоциты в течение двухчасового инкубационного периода, в течение которого чашки осторожно встряхивали каждые 20 минут для диспергирования вируса. Экспрессию трансгена оценивали через 48 часов после воздействия, в это время примерно 50% клеток проявляли флуоресценцию eYFP (, фигура 6A, ) и измеримую реакцию на оптическое возбуждение.

Эксперименты с пэтч-клэмп цельных клеток проводились через 40–48 часов после инфицирования с использованием установки и растворов, описанных выше для измерений ChR2.Клетки, экспрессирующие ChR2, идентифицировали по флуоресценции EYFP. В раствор пипетки добавляли барий (0,5 ммоль/л) для облегчения оптического возбуждения за счет уменьшения тока входящего выпрямителя. Временная синхронизация между светодиодом и программным обеспечением патч-клеммы осуществлялась с помощью компьютерного управления с использованием контроллера сбора данных USB (Measurement Computing, Norton, MA).

Вариант классического метода фиксации потенциала действия (AP-зажим) [36] был использован для извлечения тока ChR2 во время потенциала действия желудочка.После подтверждения электрической и оптической возбудимости клетки был зарегистрирован оптически активируемый (470 нм, 50 мс, 1,5 мВт/мм 2 ) потенциал действия в режиме фиксации тока (I = 0) для последующего использования в режиме фиксации AP. Затем оптическая форма сигнала AP использовалась в режиме фиксации напряжения в двух различных условиях, и регистрировался общий результирующий ток. Во-первых, AP-зажим применялся в темноте, таким образом получая полный ионный ток без вклада ChR2. Во-вторых, зажим AP применялся в сочетании со световым импульсом, точно синхронизированным по отношению к зажиму AP (чтобы воспроизвести условия исходной записи AP), и общий ток, содержащий вклад ChR2, был сохранен.Разница между этими двумя полными токами (чистый ток, нормированный по емкости ячейки) была интерпретирована как ток ChR2 (, рис. 6B-D, ). После применения зажима AP, непосредственно перед световым импульсом, ячейка была предварительно ограничена до 0 мВ, чтобы временно уменьшить доступность натриевых каналов и, следовательно, избежать вмешательства этого большого тока во время подъема AP.

Дополнительная информация

Рисунок S2.

Уровни экспрессии гена ChR2 (плотность тока) и влияние на оптическую возбудимость. Показаны логарифмические графики уровней облучения, необходимых для возбуждения при четырех различных длительностях импульса для желудочковых ( A ), предсердных ( B ) и клеток Пуркинье ( C ). Масштабирование проводимости, равное 1, является текущим значением (по умолчанию), используемым в модели.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003220.s002

(TIF)

Рисунок S3.

Влияние длительной быстрой оптической стимуляции на занятость состояния и доступность тока ChR2. Показаны состояния заполнения для O1, O2, C1 и C2 ( A–D ) и общий ток ChR2 ( E ) для первого и последнего импульса оптической стимуляции в желудочковом миоците при 100-секундной стимуляции с частотой 2 Гц. с импульсами 10 мс при 1 мВт/мм 2 .

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003220.s003

(TIF)

Рисунок S4.

Сравнение двух моделей ChR2 с зависимостью от напряжения и без нее. Сравнение текущей модели Стоуни-Брук с зависимостями от напряжения, SB(V) , и эквивалентной модели с 4 состояниями без зависимостей от напряжения (без выпрямления и кинетики, зависящей от напряжения), noV . А . Соотношение ток-напряжение для фиксированной энергетической освещенности 1 мВт/мм 2 ; Б . пример токовых ответов на световой импульс длительностью 500 мс при мощности 1 мВт/мм 2 и удерживающем напряжении -40 мВ (как указано кружками на панели A. C и D . Реакция желудочкового кардиомиоцита на 200 мс световой импульс мощностью 1 мВт/мм 2 – показаны соответствующие потенциалы действия ( C ) и основные токи ChR2 ( D ).

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003220.s004

(TIF)

Рисунок S5.

Сравнение двух моделей ChR2-h234R: чувствительность к напряжению и свету для текущей модели Stony Brook с 4 состояниями, SB(4s) , и модели Stanford с 3 состояниями, S(3s) Оба моделируют ЧР2-х234Р. г. н.э. г. . Токовые отклики на световые импульсы длительностью 500 мс при освещенности 1 или 5,5 мВт/мм 2 и удерживающем напряжении -80 или -20 мВ (как указано на каждой панели).

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003220.s005

(TIF)

Рисунок S6.

Сравнение двух моделей ЧР2-х234Р: отношение установившегося режима к пиковому току (I ss /I P ) и постоянная времени начала ( τ ON ) между 4 текущими Стоуни-Брук модель с тремя состояниями, SB(4s) , и модель с тремя состояниями Стэнфорда, S(3s) . Зависимость I ss /I P от освещенности ( A ) и напряжения ( B ).Зависимость τ ON от освещенности ( C ) и от напряжения ( D ). Условия измерений указаны в левом нижнем углу для каждой панели, т.е. фиксированное напряжение -80 мВ или фиксированная освещенность 1 мВт/мм 2 .

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003220.s006

(TIF)

Рисунок S7.

Сравнение реакции клетки желудочка, модифицированной двумя версиями ChR2-h234R — текущей модели Stony Brook с 4 состояниями, SB(4s) , и модели Stanford с 3 состояниями, S(3s) . А–Б . Оптически запускаемые потенциалы действия в желудочковом миоците (представленные моделью ten Tusscher) с использованием светового импульса длительностью 200 мс при 5,5 мВт/мм 2 ( A ) и при 1 мВт/мм 2 ( B ). На вставках показан основной ток ChR2 во время светового импульса.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003220.s007

(TIF)

Рисунок S8.

Эмпирическое исследование альтернативной структуры модели ChR2, включая равновесие в темном состоянии. А . Схематическое изображение альтернативной структуры модели ChR2, включая равновесие в темном состоянии (C 1 ↔C 2 ) и возможность того, что это равновесие зависит от напряжения. Б . Экспериментальный протокол для проверки существования равновесия в темном состоянии с предварительным кондиционированием при разных напряжениях и кратким (5 мс) сбросом до общего напряжения (-80 мВ) перед применением светового импульса. С . Пример следов тока от ячейки, подвергнутой протоколу, показанному в ( B ) – больший ток наблюдается, если ячейка предварительно кондиционировалась более положительным напряжением. Д-Ф . Сводка экспериментальных данных по пиковому току (I P ), длительному току (I SS ) и отношению пикового установившегося тока (I P /I SS ) в диапазоне приложенных предварительных напряжений и для два уровня освещенности. Более положительное напряжение предимпульса приводило к большему пиковому и длительному току, а также к большему отношению пикового тока к длительному току, и эта зависимость напряжения усиливалась при более высоких уровнях освещенности. Данные представлены как среднее ± S.Э., п = 5.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003220.s008

(TIF)

Рисунок S9.

Сравнение аминокислотных последовательностей классического мотива, чувствительного к напряжению, и ChR2. А . Гомология классических мотивов, чувствительных к потенциалу, среди потенциалзависимых ионных каналов (по Б. Хилле), остатки Arg+ (R) и Lys+ (K) выделены красным. Б . Аминокислотная последовательность для химеры C1C2 (Kato et al.) с основной структурой пор и полной последовательностью ChR2.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003220.s009

(EPS)

Наведенный потенциал и эффект генератора — Наведенный потенциал и трансформаторы — Eduqas — GCSE Physics (Single Science) Revision — Eduqas

Разность потенциалов или напряжение необходимы для протекания электрического тока в цепи.

Индуцирование разности потенциалов

Разность потенциалов может индуцироваться (создаваться) в проводнике при движении между проводником и магнитным полем.Это может происходить двумя способами:

  • катушка с проволокой перемещается в магнитном поле
  • магнит перемещается в катушку с проволокой

Это называется электромагнитной индукцией и часто упоминается как эффект генератора.

Наведенное напряжение создает наведенный ток, если проводник соединен в полную цепь. Как и все токи, индуцированный ток создает вокруг себя магнитное поле. Обратите внимание, что это магнитное поле препятствует исходному изменению.Например, если магнит перемещается в катушку с проволокой, наведенное магнитное поле имеет тенденцию отталкивать магнит обратно из катушки. Этот эффект возникает при перемещении магнита в катушку или при перемещении катушки вокруг магнита.

Факторы, влияющие на наведенный потенциал

Направление наведенной разности потенциалов или наведенного тока зависит от направления движения. Ток меняется на противоположное, когда:

  • магнит перемещается из катушки
  • другой полюс магнита перемещается в катушку

На рисунках показано, как это работает.

1. Стержневой магнит находится вне проволочной катушки, подключенной к амперметру, показывающему отсутствие тока

2. Магнит перемещается в проволочную катушку, и амперметр регистрирует положительный ток

3. Магнит неподвижен внутри катушки провод. Нет тока

4. Магнит выходит из витка провода и амперметр регистрирует отрицательный ток

Наведенная разность потенциалов или наведенный ток увеличится, если:

  • скорость движения увеличится
  • напряженность магнитного поля увеличена
  • увеличено число витков на катушке

Кориолисово ускорение — Coastal Wiki

Определение ускорения Кориолиса:

Ускорение Кориолиса – это ускорение, обусловленное вращением Земли, которое испытывают частицы (например, частицы воды), движущиеся по поверхности Земли.На океанские течения влияет ускорение Кориолиса.

Это общее определение ускорения Кориолиса, другие определения можно обсудить в статье

.

Ускорение Кориолиса создается вращением Земли на восток вокруг оси север-юг.

Рисунок 1: Определение осей x,y,z на вращающейся Земле.

Это ускорение можно рассматривать как чисто кинематический эффект, заметив, что вывод времени во вращающейся системе отсчета вводит член, связанный с вращением осей отсчета [1]:

[математика](d \vec r / dt)_{фиксированная рамка} = \vec u + \vec \Omega \times \vec r ,[/math]

где [math]\vec r[/math] указывает положение жидкой массы на вращающейся Земле ([math]\vec r =0[/math] в центре Земли), [math]\vec u \ equiv d \vec r /dt[/math] — скорость на вращающейся Земле, [math]\vec \Omega[/math] — вектор вращения вдоль оси вращения НС.2)_{фиксированная рамка} = d \vec u /dt + \vec \Omega \times \vec u + \vec \Omega \times \vec u + \vec \Omega \times (\vec \Omega \times \vec г) .[/математика]

Член [math]d \vec u /dt[/math] — это ускорение на вращающейся Земле, [math]2 \vec \Omega \times \vec u[/math] — кориолисово ускорение, а член [ math]\vec \Omega \times (\vec \Omega \times \vec r)[/math] — составляющая центробежной силы, компенсируемая притяжением Земли и корректировкой равновесного уклона морской поверхности.2)_{фиксированный кадр} =0 .[/math]

Чтобы найти более обычные формулы для ускорения Кориолиса, мы используем систему осей на вращающейся Земле, как показано на рисунке 1, где [math]\theta[/math] — азимутальный угол, указывающий долготу (выраженный в радианах). ), [math]\phi[/math] — угол возвышения в радианах, указывающий широту, а [math]R[/math] — радиус Земли. В этой системе координат компоненты вектора равны

[математика]\vec u = (u=R \cos \phi \; d\theta / dt, v = R d \phi /dt, 0) , \; \vec \Omega = (0, \Omega \cos \phi, \Omega \sin \phi) .[/математика]

Кориолисово ускорение определяется по формуле:

[математика] du/dt = f v, \; дв/дт = — фу, \; f=2 \Omega \sin\phi .[/math]

Ускорение Кориолиса может быть получено более интуитивным способом, если мы рассмотрим скорости жидкости ([math]u,v[/math]), намного меньшие, чем скорость вращения земной поверхности [math]U = R \Omega \cos \phi [/математика]. Из-за вращения Земли на океанские воды действует центробежная сила, перпендикулярная оси вращения Земли.2 \phi + u R \cos \phi ] / dt =0 .{-4}[/math]), вращение Земли почти не влияет на токи, которые колеблются с более высокими частотами, такие как волновое орбитальное движение. Однако влияние на стационарные течения или медленно меняющиеся течения, такие как ветровое течение и приливное движение, может быть значительным (см. Кориолис и приливное движение в шельфовых морях). Это имеет место в широких бассейнах, ширина которых порядка или больше, чем [math]|\vec u + \vec v|/f .[/math]

Жидкость, свободно движущаяся (без внешних сил или сил трения) в широком бассейне (без наклона водной поверхности) с начальной скоростью [math]V[/math], будет описывать круговое движение за счет ускорения Кориолиса:

[математика]u=V \sin ft , \; v= V \cos футов.[/математика]

Жидкость движется по инерционной окружности с радиусом [math]V/f[/math]. Такую картину течения иногда можно наблюдать, когда сильная речная струя входит в широкий бассейн.

Создание искусственных нервных клеток — Университет Линчёпинга

Исследователи впервые демонстрируют искусственный органический нейрон, нервную клетку, которую можно интегрировать с живым растением и искусственным органическим синапсом. И нейрон, и синапс состоят из печатных органических электрохимических транзисторов.

Чи-Юан Янг и Падинхаре Чолаккал Харикеш, постдокторские исследователи из Лаборатории органической электроники, на схематическом изображении показывают, как нервные клетки человека и их функциональность были построены с использованием органических электрохимических транзисторов. Тор Балхед

При подключении к плотоядной венериной мухоловке электрические импульсы от искусственной нервной клетки могут вызвать закрытие листьев растения, хотя в ловушку не попала ни одна муха.Органическая венерина мухоловка. Фото: Noah Elhardtsemiconductors может проводить как электроны, так и ионы, тем самым помогая имитировать основанный на ионах механизм генерации импульсов (потенциала действия) в растениях. В этом случае небольшой электрический импульс менее 0,6 В может индуцировать потенциалы действия в растении, что, в свою очередь, вызывает закрытие листьев.

«Мы выбрали венериную мухоловку, чтобы наглядно показать, как мы можем управлять биологической системой с помощью искусственной органической системы и заставить их общаться на одном языке», — говорит Симоне Фабиано, доцент и главный исследователь органической наноэлектроники в лаборатории. органической электроники, Университет Линчепинга, кампус Норрчёпинг.

Дополнительные цепи

В 2018 году исследовательская группа Университета Линчепинга первой разработала комплементарные и пригодные для печати органические электрохимические схемы, то есть с полимерами как n-типа, так и p-типа, которые проводят отрицательные и положительные заряды. Это позволило создать печатные комплементарные органические электрохимические транзисторы. Исследователи показали, что тысячи органических химических транзисторов могут быть напечатаны на небольшой площади тонкой пластиковой фольги.Фото предоставлено Тором Балхедом, который впоследствии оптимизировал органические транзисторы, чтобы их можно было изготавливать в печатных машинах на тонкой пластиковой фольге. На одной пластиковой подложке можно напечатать тысячи транзисторов.

Вместе с исследователями из Лунда и Гётеборга группа использовала печатные транзисторы для имитации нейронов и синапсов биологической системы. Результаты были опубликованы в престижном журнале Nature Communications.

«Впервые мы используем способность транзистора переключаться в зависимости от концентрации ионов для модуляции частоты всплесков», — говорит Падинхаре Чолаккал Харикеш, научный сотрудник Лаборатории органической электроники.
Пиковая частота дает сигнал, который вызывает реакцию биологической системы.

Обучение поведению

«Мы также показали, что связь между нейроном и синапсом имеет свойство обучения, называемое обучением по Хеббу. Информация хранится в синапсе, что делает передачу сигналов все более и более эффективной», — говорит Симоне Фабиано.
Есть надежда, что искусственные нервные клетки можно будет использовать для чувствительных человеческих протезов, имплантируемых систем для лечения неврологических заболеваний и мягкой интеллектуальной робототехники.

«Мы разработали нейроны на основе ионов, подобные нашим, которые можно подключать к биологическим системам. Органические полупроводники обладают многочисленными преимуществами — они биосовместимы, биоразлагаемы, мягки и формуемы. Для их работы требуется только низкое напряжение, что совершенно безвредно как для растений, так и для позвоночных», — объясняет Чи-Юань Ян, научный сотрудник Лаборатории органической электроники.

Исследование проводилось при финансовой поддержке фонда Кнута и Алисы Валленберг, Шведского исследовательского совета, Шведского фонда стратегических исследований и Шведского правительственного центра стратегических исследований в области материаловедения функциональных материалов в Университете Линчепинга.

Статья: Органические электрохимические нейроны и синапсы с ионно-опосредованным выбросом, Падинхаре Чолаккал Харикеш, Чи-Юань Ян, Дейу Ту, Дженнифер Ю. Герасимов, Абдул Манан Дар, Адам Армада-Морейра, Маттео Массетти, Рене Крун, Дэвид Блиман, Роджер Олссон, Элени Ставриниду, Магнус Берггрен, Симоне Фабиано, Nature Communications 2022, doi 10.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.