心臟生理學整合了心肌細胞的電生理、收縮偶聯機制、血流動力學和神經-荷爾蒙調節等多層次的知識體系。
心肌細胞的電生理特性
心室心肌細胞的動作電位（AP）與神經元截然不同，持續約 200-300 ms，分為五個時相：
- Phase 0（快速去極化）：電壓門控 Nav1.5（SCN5A 基因）通道開啟，Na⁺ 快速內流
- Phase 1（早期再極化）：瞬時外向 K⁺ 電流（Ito）
- Phase 2（平台期, plateau）：L-type Ca²⁺ 通道（Cav1.2）的 Ca²⁺ 內流與延遲整流 K⁺ 電流（IKr, IKs）平衡，維持長平台期——這是心肌 AP 的獨特特徵，確保長不反應期（refractory period）防止連續刺激和心室顫動
- Phase 3（再極化）：Ca²⁺ 通道關閉，K⁺ 外流（IKr/IKs/IK1）主導
- Phase 4（靜止期）：由 IK1（Kir2.x）維持穩定的靜止膜電位
竇房結起搏細胞缺乏 IK1，Phase 4 不穩定，由 HCN 通道的 funny current（If）和 T-type Ca²⁺ 通道驅動自動去極化，產生自發節律。DiFrancesco（1993, Annual Review of Physiology）詳述了 If 的電生理特性——ivabradine 就是透過阻斷 If 來選擇性降低心率。
興奮-收縮偶聯（Excitation-Contraction Coupling）
Bers（2002, Nature）的經典綜述闡述了心肌 E-C coupling 的機制：
- AP 期間 L-type Ca²⁺ 通道開啟，少量 Ca²⁺ 進入細胞（trigger Ca²⁺）
- 此 Ca²⁺ 觸發肌漿網（SR）上 ryanodine 受體（RyR2）的開啟——「鈣觸發鈣釋放」（calcium-induced calcium release, CICR）
- SR 釋放大量 Ca²⁺（佔收縮期 Ca²⁺ 的 ~70%），細胞質 Ca²⁺ 濃度從 ~100 nM 飆升至 ~1 μM
- Ca²⁺ 與肌鈣蛋白 C（troponin C）結合，解除原肌球蛋白（tropomyosin）對肌動蛋白-肌球蛋白結合位點的抑制
- 肌球蛋白的 cross-bridge cycling 產生收縮力
- 舒張時 SERCA2a 將 Ca²⁺ 泵回 SR（受 phospholamban 調節），NCX 將部分 Ca²⁺ 排出細胞外
心衰竭的分子病理：SERCA2a 表現量下降、PLN 抑制增強、RyR2 過度磷酸化導致 SR Ca²⁺ 漏失（Marx et al., 2000, Cell），構成收縮力下降和心律不整的分子基礎。
血流動力學的定量分析
Frank-Starling 機制的分子基礎：心肌肌小節被拉長時，titin（巨型彈性蛋白）增加被動張力，同時粗細絲間距減小使肌球蛋白與肌動蛋白的交互作用機率增加（length-dependent activation）。此外，拉伸增加肌鈣蛋白 C 對 Ca²⁺ 的敏感性（de Tombe et al., 2010, Progress in Biophysics and Molecular Biology）。
壓力-容積環（PV loop）是分析心室功能的綜合工具（Sagawa et al., 1988）：
- 環的面積代表每次心搏做的功（stroke work）
- 收縮末期壓力-容積關係（ESPVR）的斜率代表收縮力（Ees, 心室彈性度）
- 舒張末期壓力-容積關係（EDPVR）反映心室順應性（compliance）
- 動靜脈偶聯（ventricular-arterial coupling, Ees/Ea）決定心血管系統的整體效率
心律不整的電生理機制
心律不整的三大機制：
- 自動性異常（Abnormal automaticity）：非起搏細胞出現自動去極化（如缺血導致的 Phase 4 去極化）
- 觸發活動（Triggered activity）：早期後去極化（EAD, Phase 2-3 期間，與 QT 延長相關）和延遲後去極化（DAD, 與 Ca²⁺ 過載和 RyR2 漏失相關）
- 折返（Reentry）：需要單向阻滯 + 傳導延遲形成迴路。解剖性折返（如 WPW 的副傳導路徑）和功能性折返（如心室顫動中的螺旋波/scroll wave）
Nattel（2002, Nature）綜述了心房顫動的「多重子波」（multiple wavelet hypothesis, Moe 1962）和「局灶驅動」（focal driver/rotor）兩種機制。Haïssaguerre et al.（1998, NEJM）發現肺靜脈的異位放電是陣發性心房顫動的觸發源，奠定了肺靜脈隔離術（PVI）的理論基礎。