实验四五影响肌肉收缩的因素

生理学实验报告中山大学生命科学学院2实验四-五骨骼肌收缩的探究介绍一、探究目标1.探究骨骼肌电活动与肌肉收缩的时相关系。2.探究影响肌肉收缩的因素，例如刺激强度、刺激频率等。二、相关资料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，易于控制和掌握。因此在实验中常用蟾蜍或青蛙的坐骨神经-腓肠肌标本来观察兴奋与兴奋性、刺激与肌肉收缩等基本生理现象和过程。骨骼肌收缩时，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。在一次单收缩中，动作电位时程仅数毫秒，而收缩过程可达几十甚至几百毫秒。收缩的时程比兴奋的时程大很多。骨骼肌由许多肌纤维组成。实验可证明刺激增加，参与收缩的运动单位增加，收缩的强度亦增加。刺激支配腓肠肌的坐骨神经或直接刺激腓肠肌时，不同的刺激强度会引起肌肉的不同反应。当刺激强度过小时，不引起肌肉发生收缩反应，此时的刺激为阈下刺激。当全部肌纤维同时收缩时，则出现最大的收缩反应。这时，即使再增大刺激强度，肌肉收缩的力量也不再随之加大。可以引起肌肉发生最大收缩反应的最小刺激强度为最适刺激强度。两个同等强度的阈上刺激，相继作用于神经—肌肉标本，如果刺激间隔大于单收缩的时程，肌肉则出现两个分离的单收缩；如果刺激间隔小于单收缩的时程而大于不应期，则出现两个收缩反应的重叠，称为收缩的总和。当同等强度的连续阈上刺激作用于标本时，则出现多个收缩反应的叠加，此为强直收缩。当后一收缩发生在前一收缩的舒张期时，称为不完全强直收缩；后一收缩发生在前一收缩的收缩期时，各自的收缩则完全融合，肌肉出现持续的收缩状态，此为完全强直收缩。因此，运动神经元发放冲动的频率同样会影响骨骼肌的收缩形式和收缩强度。在一次单收缩中，动作电位时程（相当于绝对不应期）仅1～2ms，而收缩过程可达几十甚至几百毫秒，因而骨骼肌有可能在机械收缩过程中接受新的刺激并发生新的兴奋和收缩。新的收缩过程可以与上次尚未结束的收缩过程发生总和。当骨骼肌受到频率较高的边疆刺激时，可出现以这程总和过程为基础的强直收缩。如果刺激频率相对较低，总和过程发生在前一次收缩过程的舒张期，会出现不完全强直收缩；如提高刺激频率，使总和过程发生在前一次收缩过程的收缩期，就会出现完全性强直收缩。通常所说的强直收缩是指完全性强直收缩。三、实验假说1.肌肉收缩时，先有神经电位变化，再传导至肌肉，引起肌电变化，最终产生肌肉收缩。2.对于肌肉的刺激强度低于阈值时，肌肉不发生收缩；高于阈值时，首先随着刺激强度的增加而肌肉收缩强度增加，到最适刺激强度后，肌肉收缩程度不再增加，达到最大值。3.随着刺激频率增加，肌肉收缩从单收缩变为不完全强直收缩，最后变为完全强直收缩。实验材料和方法步骤一、实验材料和设备青蛙或蟾蜍、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、任氏液RM6240计算机采集系统、JZ100型张力换能器(50g)、支架、一维位移微调器、肌槽、双针型露丝电极生理学实验报告中山大学生命科学学院3二、实验步骤1.制备蛙的坐骨神经—腓肠肌标本1)毁脑和脊髓取青蛙一只，用纱布包裹青蛙的四肢和躯干，露出头部。用左手握住青蛙，并用食指压其头部前端使其尽量前俯，拇指按压背部，使头部前俯；右手持金属探针由头前端沿中线向尾方划触，触及凹陷处即枕骨大孔处转向头方，向前探入颅腔内，然后向各个方向搅动探针，以捣毁脑组织。如探针确实在颅腔内，可感觉出针在四面皆壁的腔内。脑组织捣毁后，将探针退出，再由枕骨大孔刺入,并转向尾方,与脊髓平行刺入椎管,以确坏脊髓，要确定脑和脊髓是否完全破坏，可检查动物四肢肌肉的紧张性是否完全消失。2)剥制后肢标本自青蛙的两侧腋部以下完全剥离皮肤（注意：可事先剪去尾椎末端及汇殖腔附近的皮肤，使剥离更容易）。而后倒提蛙腿，使其头部向下，用手术剪横向剪开腹部肌肉，看清脊神经后,用粗剪刀剪断脊柱(注意铁损伤坐骨神经)。把标本浸泡于盛有任氏液的培养皿中，将手及用过的剪刀、镊子等全部手术器械洗净，再继续下面的步骤。3)制备坐骨神经腓肠肌标本游离坐骨神经。取其中的一支蛙腿，将标本仰卧位置于蜡盘上，使其充分伸展呈人字形，用三根大头针将标本钉在蜡盘上。然后再用玻璃分针循股二头肌和半膜肌之间的坐骨神经沟，纵向分离暴露坐骨神经大腿部分，直至分离至腘窝胫腓神经分叉处，然后剪断二头肌，半腱肌和半膜肌肌腱，并绕至前方剪断股四头肌腱。自上而下剪断所有坐骨神经分支，将连着3～4节椎骨的坐骨神经分离出来。4)分离腓肠肌用玻璃分针或镊子分离腓肠肌和跟腱，并穿针结扎。在结扎远端用粗剪刀剪断跟腱，左手执线提起腓肠肌，用手术剪减去其周围联系的组织，但保留腓肠肌起始点与骨的联系，注意切勿损伤支配该肌的神经分支。5)完成坐骨神经腓肠肌标本将已经游离的坐骨神经搭在腓肠肌上。用粗剪刀自膝关节周围向上剪除并刮干净所有大腿肌肉，在距膝关节约1cm处剪断股骨。弃去上段股骨，保留部分即坐骨神经—腓肠肌标本。将标本放在盛有新鲜任氏液的培养皿中待用。6)标本活性检验用手术镊轻轻提起标本的脊柱骨片，再用经任氏液润湿的锌铜弓刺激神经。若腓肠肌迅速发生收缩反应，说明标本机能良好，制备成功。应及时移至盛有任氏液的培养皿中，供实验所用。1.固定标本并连接装置1)将坐骨神经腓肠肌标本所带的股骨断端固定于肌槽的骨头固定孔内。2)腓肠肌肌腱上的扎线和张力换能器金属弹性梁臂上相连。3)然后将标本的坐骨神经干搭在肌槽的电极上，电极接头与一根与刺激输出线相接，传导刺激信号，另一根与输入线相接，通入输入信号采集装置，记录神经电位。4)利用一维位移微调器调节扎线的张力，不可过松或过紧，使肌肉自然拉平为宜。（保证肌肉一旦收缩，即可牵动张力换能器的金属弹性梁）。5)将双针形露丝电极置于腓肠肌表面，通过信号输入线接通入肌电信号通道。6)完成装置，整体效果如图1所示。在记录肌肉收缩与神经电位、肌电的时相性关系时，肌电电极和神经电极都需输入信号采集器，记录刺激强度和频率对肌肉收缩的影响时，上述两电极不必接入信号采集器。生理学实验报告中山大学生命科学学院4图1标本的固定及装置安装图2.实验观察记录与探究1)骨骼肌电兴奋与收缩的时相关系探究a)如图1固定蛙的腓肠肌标本后，连接好仪器，打开计算机信号采集系统，开始实验。b)选择单刺激，调节刺激强度为阈上强度，扫描速度一致启动刺激图标，用比较显示方式扫描，开始刺激并保存文件。观察神经电兴奋、肌电信号与肌肉收缩曲线的关系。c)分别测量刺激标记至神经电信号、肌电信号和肌肉收缩终点的时间。2)刺激强度对骨骼肌收缩影响的探究a)如图1固定蛙的腓肠肌标本后，连接好仪器，打开计算机信号采集系统，开始实验。b)选择项目“刺激强度与反应的关系”。调节刺激延时至最小，波宽1ms，选择强度递增刺激方式刺激，尝试调节刺激参数至最佳，放大倍数设为10～20倍或灵敏度30g/div，滤波频率为100HZ，扫描速度1.0s/div(放大倍数，滤波频率及扫描速度可根据实验标本不同具体设置，延时设为最小)，开始刺激并记录。c)当刺激强度达到某一数值后，肌肉收缩幅度不再随刺激强度的增加而升高，记录3～4次同等的收缩强度后停止刺激，保存并分析实验记录。3)刺激频率对骨骼肌收缩影响的探究a)如图1固定蛙的腓肠肌标本后，连接好仪器，打开计算机信号采集系统，开始实验。b)选择实验项目“刺激频率与反应的关系”。调节刺激的延时，波宽至最小，放大倍数一般为10～20倍，滤波频率为100HZ。c)用“频率递增”刺激模式，调节至合适的刺激参数，选择合适的扫描速度（500ms/div）和信号增益，使单收缩的幅度减少至3～5mm。d)开始刺激并记录文件，直至出现完全强直收缩，停止刺激，保存文件并分析。生理学实验报告中山大学生命科学学院5结果一、实验参数记录1.记录参数表4-1信号采集系统记录参数表实验序号实验名称扫描频率记录模式信号类型扫描速度（ms/div)灵敏度时间常数(s)滤波频率(Hz)导联开关陷波开关生物电肌电1mV0.001500关开生物电神经2mV0.02500关开张力拉力7.5g直流30关开2刺激强度400张力拉力100030g直流100关关3刺激频率400张力拉力100060g直流100关关时相性120102.刺激器参数表4-2刺激器参数实验序号实验名称方式模式强度(V)波宽(ms)延时(ms)频率增量强度增量组间延时重复次数1时相性正电压刺激单刺激0.30.1100———12刺激强度正电压刺激强度递增0.0710—0.005V2s—3刺激频率正电压刺激频率递增0.120.102—2s—二、实验图形记录实验图形记录见附录三、实验结果描述1.神经电位、肌电与骨骼肌时相性在给予刺激后，神经干动作电位产生在前，肌肉收缩在后，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。在一次单收缩中，刺激标记至神经电信号的时间为3ms，刺激标记至肌电信号终点的时间为12.3ms，而刺激标记至肌肉收缩终点的时间程为388ms，由此可见收缩持续的时程要远远大于兴奋的时程。2.刺激强度对骨骼肌收缩的影响阈刺激为0.085V，最大刺激为0.130V，最大刺激强度刺激时的肌肉收缩力为23.52g。当刺激强度小于0.085V时，肌肉不产生收缩反应；当刺激强度大于0.130V时，即使刺激强度继续增大，肌肉的收缩幅度也不再增强。3.刺激频率对骨骼肌收缩的影响不同频率刺激刺激坐骨神经对腓肠肌收缩张力的影响：刺激波宽0.1ms，最大刺激强度时，单收缩的最大收缩力为12.1g、不完全强直最大收缩力73.9g和完全强直最大收缩力109.4g。讨论和结论一、讨论与结论1.骨骼肌收缩的时相性实验中，测得骨骼肌单收缩的时程为75ms，半舒张时程为150ms，由理论计算可知，在阈上刺激的频率对骨骼肌收缩影响时，7～15Hz的刺激可引起不完全强制收缩，15Hz以上的刺激可以引起完全强直收缩。计算结果与实验结果相一致。2.整理刺激强度与肌肉收缩力的关系，得到一下关系：生理学实验报告中山大学生命科学学院6可知，在低强度刺激时，收缩力与刺激强度呈线性关系，随着刺激强度增加，收缩力与刺激强度呈二次关系。并且，有理论计算可知，阈刺激强度为0.81mV，计算结果比实验精细，具有指导意义。3.时相性实验中，随着实验进行，肌肉疲劳，时相性数值稍有改变。4.在刺激频率对收缩的影响的实验中，换能器的量程过小，不利于准确获得完全强直收缩，建议实验室配置更大量程的换能器。5.在实验中，应不断地向标本滴加任氏液，使之保持较好的活性。6.由于实验中该标本放置较久，因此活性有所下降，其阈刺激值较大。在实验中，应尽快使用标本，若不使用时应浸泡在任氏液中，保持标本的活性。7.实验中多次刺激标本后，阈刺激有上升，且刺激后肌肉收缩幅度会逐渐减弱，这是由于多次刺激后造成肌肉疲劳，兴奋性下降。因此应减少不必要的刺激。8.恒定时间的方波电压刺激坐骨神经干，电压低于阈值的强度刺激，坐骨神经干支配腓肠肌的神经纤维不发生兴奋，其所支配的肌细胞也不会发生兴奋和收缩。刺激电压达到阈强度时，坐骨神经干中阈值最低的神经开始兴奋，其所支配的运动单位的肌纤维兴奋并发生收缩，刺激强度逐渐增大，坐骨神经干中兴奋的神经纤维增加，兴奋和收缩的运动单位增加，其所募集的收缩张力也增加。刺激电压达到使支配腓肠肌的A纤维全部兴奋，腓肠肌全部的运动单位增加都兴奋并收缩，收缩张力达单收缩最大值。9.在实验过程中，当刺激强度超过出现强直收缩的数值时，肌肉收缩张力反而小于其最大值且逐渐变小，分析原因可能是发生了肌肉疲劳：连续的阈上刺激引起肌肉持续强直收缩一段时间后，肌肉收缩的幅度会逐渐减弱以至消失，也就是肌肉疲劳。10.刺激频率大小对肌肉收缩的影响是：随着刺激波间隔的减小，腓肠肌收缩张力也逐渐增大，强直收缩产生的张力显著大于单收缩。肌肉单收缩时，胞浆内Ca2+浓度升高的持续时间太短，被激活的收缩蛋白尚未产生最大张力时，胞浆Ca2+浓度即已开始下降