刺激强度、刺激频率以及电兴奋与蛙的骨骼肌收缩的关系

刺激强度、刺激频率以及电兴奋与蛙的骨骼肌收缩的关系 课程名称： 生理学实验 指导教师： 龙天澄 张碧鱼 实验人： 李淼 09352044 李静天 09352045 主笔人： 李淼 所在专业： 生物科学 实验时间：2011年3月23日 探究骨骼肌收缩的影响因素 摘要： 背景：青蛙和蟾蜍都属于两栖纲。其坐骨神经-腓肠肌标本可用来观察各种刺激和药物对周围神经、横纹肌或神经肌肉接头的作用。本实验利用青蛙新鲜的离体神经肌肉标本，由及里、多方面的研究骨骼肌的收缩功能。在了解研究生理功能的基本和过程的基础上，掌握影响因素的分析与反应的规律，从而深入的探讨其反应的生理机制。 目的：观察刺激强度与肌肉收缩反应的关系，观察不同频率的阈上刺激引起肌肉收缩形式的改变，得出骨骼肌点活动与肌肉收缩的时相关系。查找资料，由此出影响骨骼肌收缩的不同方面因素。 结果：当单次刺激强度位于骨骼肌的阈值与最大值之间时，骨骼肌收缩强度随刺激的增大而增大；当同等强度的阈上刺激相继作用于神经-肌肉标本时，随着刺激频率的增加，肌肉收缩形式经历单收缩、不完全强直收缩、完全性强直收缩的过程；当骨骼肌受到刺激时，首先产生动作电位，然后再发生收缩。 结论：影响骨骼肌收缩的因素将分为内因和外因分别讨论。其中内因为蛙坐骨神经-腓肠肌标本的自体活性以及ATP的需求量。外因主要是前后负荷与刺激的影响。我们评价骨骼肌的收缩效率主要是收缩效能。因此我们初步得到结论，在骨骼肌标本活性良好的情况下，收缩主要受刺激的大小与形式影响。 关键词：骨骼肌电兴奋 坐骨神经 刺激强度 刺激频率 1 材料和方法 1.1 实验动物与器材 青蛙或蟾蜍，由实验室提供。常用手术器械（包括粗剪刀、手术剪、手术镊、眼科剪、眼科镊、金属探针、玻璃分针）、固定针、锌铜弓、蜡盘、培养皿、污物缸、棉线、纱布、滴管。 1.2 实验药物 任氏液（Ringer液） 1.3 采集设备 RM6400生物信号采集系统、JZ100型张力换能器、铁支架、一维位移微调器、双凹夹、双针型露丝电极。 2 实验过程 2.1 制备蛙的坐骨神经-腓肠肌标本 蛙类的一些基本生命活动和生理功能与恒温动物相似，而其离体组织所需的生活条件比较简单，易与控制和掌握。因此在实验中选用蟾蜍或者青蛙的坐骨神经-腓肠肌标本来观察刺激与肌肉收缩等基本生理现象。剥制完成后，用锌铜弓检验标本的活性。 2.2 刺激强度与骨骼肌收缩反应的关系 利用JZ100张力换能器与计算机采集系统，对肌肉收缩的张力与刺激强度进行同步数据采集，输出关系图。获得骨骼肌的收缩刺激阈值。分析两者关系。 2.3 刺激频率与骨骼肌收缩反应的关系 利用JZ100张力换能器与计算机采集系统，对肌肉采用频率递增的刺激方式，采集肌肉由单收缩到不完全强直收缩，到强直收缩的过程图。分析骨骼肌收缩形式与刺激频率的关系。 图一 刺激与骨骼肌收缩实验装置图 2.4 骨骼肌电兴奋与收缩的时相关系 利用JZ100张力换能器与计算机采集系统，对神经兴奋、肌肉兴奋与肌肉收缩进行同时信号采集。观察肌肉动作电位和肌肉收缩的时间差异，再获取坐骨神经干的生物电信号。分析得出结果。 3 实验结果 3.1 刺激强度与骨骼肌收缩的关系 实验评注： 最大值 2.58g；最小值-0.01g；峰峰值 2.59g；平均值 0.13g 实验参数： 采集模式： 张力 扫描速度： 1.0 s/div 灵敏度： 3g 时间常数： 直流 滤波频率： 100 Hz 采集频率： 400Hz 根据计算机采集系统所得的数据，我们得到了如下表格： 表一 单刺激与骨骼肌收缩的关系 T（g） -0.01 0.60 1.00 1.20 1.60 2.00 2.20 2.56 2.58 2.55 2.58 2.57 2.56 U（V） 0.460 0.475 0.490 0.505 0.520 0.535 0.550 0.565 0.580 0.595 0.610 0.625 0.640 根据表格，我们做出了T和U的关系图如下： 结果分析： 如图三所示，反映了单次刺激与骨骼肌收缩的关系，可以看出刺激阈值为0.475V，最适刺激值为0.580V。在阈值与最适刺激之间，骨骼肌收缩的效能随刺激强度增大而增大。当刺激强度过小时，不会引起肌肉发生收缩反应。当全部肌纤维同时收缩时，则出现了最大的收缩反应，此时即使继续增加刺激强度，收缩力量也不会随之增大。 3.2 刺激频率与骨骼肌收缩的关系 图四 刺激频率与骨骼肌收缩的关系 实验评注： 最大值 29.99g；最小值 -0.29g；峰峰值 30.28g；平均值 6.29g 实验参数： 采集模式： 张力 扫描速度： 1.0 s/div 灵敏度： 15g 时间常数： 直流 滤波频率： 100 Hz 采集频率： 400Hz 刺激强度： 0.175V 频率增量： 4次 结果分析： 由图中可以看出，在同样强度的刺激下，肌肉收缩随着刺激频率的增加经历了三个阶段。分别是单收缩、不完全强直收缩以及完全强直收缩。 一开始刺激频率不够时，肌肉发生单收缩。原因是刺激的间隔大于单收缩的过程。而随着刺激频率的增加，后一收缩发生在前一收缩的舒张期时候，则会出现不完全强直收缩。当后一收缩发生在前一收缩的收缩期时候，各自的收缩完全融合，肌肉就出现持续的收缩状态，即完全强直收缩。 由图中可以看出，标本一开始的活性保持不错，随着刺激频率的增加，频率到达21次/秒，骨骼肌开始出现完全强直收缩。频率25次/秒的波形不稳定，可能是标本活性开始下降。 3.3 骨骼肌电兴奋与收缩的时相关系 3.3.1 单次单刺激情况下 实验评注： 最大值 4mV ；最小值 -4mV； 峰峰值 8m；平均值 -0.02mV；刺激强度 0.500V 实验参数： 通道一采集模式： 生物电 扫描速度： 10ms/div 灵敏度： 8mV 时间常数： 0.002s 滤波频率： 1000 Hz 采集频率： 400Hz 通道二采集模式： 张力 扫描速度： 10ms/div 灵敏度： 15g 时间常数： 直流 滤波频率： 3Hz 采集频率： 400Hz 结果分析： 由图中我们可以清楚看出，骨骼肌兴奋在前，收缩在后。即在神经冲动的作用下，骨骼肌首先产生动作电位，然后发生收缩。 3.3.2 连续单刺激情况下 实验评注： 最大值 4mV；最小值 -4mV；峰峰值 8mV；平均值 -0.02mV；刺激强度0515V 实验参数： 通道一采集模式： 生物电 扫描速度： 20ms/div 灵敏度： 8mV 时间常数： 0.002s 滤波频率： 1000 Hz 采集频率： 400Hz 通道二采集模式： 张力 扫描速度： 20ms/div 灵敏度： 8mV 时间常数： 0.002s 滤波频率： 1000 Hz 采集频率： 400Hz 结果分析： 由图中我们可以看出，在同样强度的多次连续刺激之下，骨骼肌的电兴奋多次出现，波形起伏明显，可以看得出是多次的刺激导致。而肌肉收缩的波形只是一个与单次刺激相同的波形，无法看出是多次刺激还是单次刺激。这说明，肌电是不可以叠加的，但是肌肉收缩的张力可以叠加。 3.3.3 频率递增刺激下 图七 频率递增刺激下肌电与肌肉张力的关系 实验评注： 最大值 4mV；最小值 -4mV；峰峰值 8mV；平均值0.01mV 实验参数： 通道一采集模式： 生物电 扫描速度： 200ms/div 灵敏度： 8mV 时间常数： 0.002s 滤波频率： 1000 Hz 采集频率： 400Hz 通道二采集模式： 张力 扫描速度： 200ms/div 灵敏度： 15g 时间常数： 0.002s 滤波频率： 0.3 Hz 采集频率： 400Hz 刺激强度： 0.4V 频率增量： 2次 结果分析： 从图中可以看出，在同样的阈上刺激强度下，随着频率的增加，骨骼肌收缩的张力也随之增大，并且收缩波形未下降到初始状态就开始下一轮的上升。这进一步说明了，肌肉电位是无法叠加的，但是反映到肌肉收缩是可以进行叠加的，并且经过叠加以后的张力大于单收缩情况下。 3.3.4 骨骼肌单收缩、肌肉电位与坐骨神经电位的关系 实验评注： 最大值 0.98mV；最小值 -1.36mV；峰峰值 2.35mV；平均值 -0.01mV 实验参数： 通道一采集模式： 肌电 扫描速度： 100ms/div 灵敏度： 1mV 时间常数： 0.001s 滤波频率： 1000 Hz 采集频率： 400Hz 通道二采集模式： 生物电 扫描速度： 100ms/div 灵敏度： 0.5mV 时间常数： 0.002s 滤波频率： 1000 Hz 采集频率： 400Hz 刺激强度： 0.5V 通道三采集模式： 张力 扫描速度： 100ms/div 灵敏度： 1.87g 时间常数： 直流 滤波频率： 0.3 Hz 采集频率： 400Hz 结果分析： 从图上看出，当刺激强度为0.5V时，同时获得坐骨神经电位、肌电和肌肉张力的波形，通过合并通道我们发现，坐骨神经干电位最先接受刺激产生兴奋，然后是肌肉电兴奋，最后是肌肉的收缩。理论上我们也可以解释，进行本实验时，刺激器是连在坐骨神经所在的露丝电极，所以，刺激从坐骨神经传到肌肉。而肌肉先产生电信号，随之进行收缩。 4 结论 肌细胞最本质的功能是将化学能转变为机械功，产生张力和缩短。我们以肌肉效能（performance contraction）作为指标来评价肌肉的收缩。肌肉收缩效能表现为收缩时产生的张力和/ 或缩短程度，以及产生张力或缩短的速度。骨骼肌的收缩效能由收缩前或收缩时承受的负荷、自身的收缩能力和总和效应等因素决定的。 本课题研究实验中，虽然着重讨论的是外界因素即不同形式与强度的刺激的影响，但也涉及到内因，即骨骼肌细胞内部的ATP利用和钙离子浓度的影响。这两种影响表现在蛙坐骨神经-腓肠肌标本的活性上。若剥制标本的时间过长，没有随时用Ringer液润湿以保持生理活性，则进行刺激实验时，肌肉收缩不明显或者阈值变大。在实验进行中也是如此，当到达了完全性强制收缩后，肌肉标本只能保持一段时间，随后波形开始不平整，说明收缩过程需要消耗细胞内的钙离子和ATP。我们也可以从Ringer内含大量钙离子看出，骨骼肌的收缩时取决于钙离子浓度的。总之，如果骨骼肌的活性不够，细胞内钙离子浓度不够，那么骨骼肌收缩就无法正常进行，后续的测量也无法进行。 现在讨论外因的影响。骨骼肌有一个阈值刺激，只有达到了阈值，才能够让肌肉收缩。单刺激实验中，在阈值与最适刺激值之间，骨骼肌收缩程度随刺激增加而增大，到达最适刺激值之后，张力不再随着刺激的增大而增大，我们猜想，这可能与骨骼肌收缩中的后负荷有关。后负荷可以减慢肌肉收缩的速度，应该也是阻止肌丝继续缩短的因素之一。 在讨论刺激频率和骨骼肌收缩的关系中，我们着重关注肌电与张力的关系。从肌电的波形看出，肌电是不可以叠加的。不论频率多高的刺激，肌电的波形都是单独分开。而骨骼肌的收缩张力则不是如此。当刺激频率逐渐加快，骨骼肌的后一次收缩出现在前一次收缩的舒张器时，会出现波形顶端参差而底部愈合的不完全强直收缩波形；当频率快到一定程度时，后一次收缩出现在前一次收缩的收缩期时，会出现顶端光滑底部愈合的强直收缩波形。 此外，我们发现，当骨骼肌进行强制收缩时，张力可达到单收缩的3-4倍。这是由于单收缩时候，胞质内的钙离子浓度上升下降的太快。而强直收缩时，钙离子浓度可以持续一段时间，使肌细胞连续兴奋，从而让张力维持在一个稳定的最值。从这里我们可以看出，骨骼肌收缩取决于细胞内的钙离子浓度。 5 讨论 （1）在这次实验中，我们出现过一些差错。根据图二的装置，我们接线的时候，将触发刺激的正负极接到了3号与4号接线柱，而引导神经干电极的接到了1号与2号。这样固然我们得不到神经干的电位。经过思考与老师的指导，我们发现了这个错误。以后再进行这样的实验时，我们应该先搞清楚兴奋的传导方向，再动手接线。刺激电极在前，而引导电极在后才对。 神经兴奋、肌肉兴奋与肌肉收缩的不同 神经兴奋：指的是神经冲动的产生，出现动作电位。即当刺激强度达到阈值时，钠离子发生再生式内流，之前膜的去极化不仅完全消失，而且还倒转，产生动作电位。 肌肉兴奋：指的是终板电位扩布到终板膜周围肌细胞膜，使得这些细胞膜也发生去极化，达到阈电位水平，肌细胞产生动作电位。 肌肉收缩：指的是细肌丝在粗肌丝之间的滑行，反复将由Z线发出的细肌丝推向A带的中央，使得Z线相互靠拢，肌小节长度变短，于是出现整个肌细胞乃至整块肌肉缩短。 [参考文献] [1]项辉,龙天澄等. 生理学实验指南[M]. 科学出版社, 2008:45-52. [2]王庭槐等.生理学-2版[M].高等教育出版社,2008:36-40. 图二 肌肉收缩、兴奋与坐骨神经干电位实验装置图 图三 单刺激与骨骼肌收缩的关系 图五 单次刺激下肌电与肌肉张力的关系 图六 连续刺激下肌电与肌肉张力的关系 图八 神经干电位、肌肉收缩与肌电的关系