不同刺激强度、刺激频率对骨骼肌收缩形式的影响

不同刺激强度、刺激频率对骨骼肌收缩形式的影响 机能学实验 杂谈 【摘要】目的1、通过观察刺激强度与肌肉收缩的关系，明确阈刺激、阈上刺激、最大刺激的概念;2、观察不同刺激频率对骨骼肌收缩形式的影响。方法 使用生物信号采集处理系统，通过设定不同的强度和频率参数对激蟾蜍坐骨神经进行刺激，记录数据结果。结果 阈刺激强度为0.17V，最大刺激强度为0.3V，最大刺激强度时，单收缩的刺激频率为2.0Hz，不完全强直收缩的刺激频率为4.52Hz、完全强直收缩的最小刺激频率为23.6Hz 。结论 刺激强度到达阈刺激时腓肠肌开始收缩，在最大刺激收缩力前随刺激强度增大而增大，到达最大刺激强度后，收缩力不发生明显改变;在最大刺激强度条件下，某较小频率使腓肠肌发生单收缩，频率增大，单收缩变为不完全强直收缩，频率继续增大，不完全强直收缩变为完全强制收缩。 【关键词】刺激;强度;频率;腓肠肌 肌肉、神经和腺体组织称为可兴奋组织，它们有较大的兴奋性。不同组织、细胞的兴奋表现各不相同，神经组织的兴奋表现为动作电位，肌肉组织的兴奋主要表现为收缩活动。因此，观察肌肉是否收缩可以判断它是否产生了兴奋。一个刺激是否能使组织发生兴奋，不仅与刺激形式有关，还与刺激时间、刺激强度、强度-时间变化率三要素有关。此实验通过观察所用电刺激强度与腓肠肌收缩曲线的关系，从而明确阈下刺激，阈上刺激，最适刺激，单收缩，复合收缩等概念以及更好的分析不同刺激频率对骨骼肌收缩形式的影响。 1材料与方法 1.1实验动物 健康蟾蜍一只 1.2实验器材和药品 蛙类手术器械一套(粗剪刀一把、组织剪一把、眼科剪一把、镊子一把、探针一根、玻璃分针2把、蛙钉4个、培养皿1个，蛙板一个、滴管一个、棉线若干)，张力换能器，肌槽，刺激电极，铁架台，生物信号采集处理系统，微机，任氏剂。 2.1实验步骤 2.1.1蛙类坐骨神经—腓肠肌标本的制备 2.1.1.1捣毁蟾蜍脑脊髓:取蟾蜍一只，用自来水冲洗干净。左手握蛙，用食指下压头部前端，拇指按压背部，使头前俯。中指与无名指夹其前肢，无名指与小指夹其后肢，使整个躯干做最大屈曲。把探针自枕骨大孔处垂直刺入，到达椎管，即将探针改变方向刺入颅腔，向各侧不断搅动，彻底捣毁脑组织;再将探针原路退出，刺向尾侧，捻动探针使其逐渐刺入整个椎管内，完全彻底捣毁脊髓。脊髓破坏完全的标志是:下颌呼吸运动消失，反射消失，四肢松软。 2.1.1.2剪除躯干上部和内脏，去皮，制备下肢标本: 用粗剪刀在骶髂关节前1厘米处剪断脊柱，握住蟾蜍下肢，沿躯干两侧(避开坐骨神经)剪开腹壁。此时躯干上部及内脏即全部下垂。剪除全部躯干及内脏组织。剪去肛周皮肤;用圆头镊子夹住脊柱，注意不要碰到坐骨神经，捏住皮肤边缘，逐步向下牵拉剥离皮肤。将全部皮肤剥除后，把标本置于盛有任氏液的培养皿中。 2.1.1.3洗净双手和用过的全部手术器械。 2.1.1.4 分离两下肢: 避开坐骨神经，用粗剪刀从背侧剪去骶骨，然后沿中线将脊柱剪成左右两半，再从耻骨联合中央剪开，将已分离的标本浸入盛有任氏液的培养皿中。 2.1.1.5 取出一下肢，用蛙钉固定于蛙板上，固定时要注意，坐骨神经和腓肠肌朝上。先用玻璃分针沿脊柱侧游离坐骨神经腹腔部，然后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之大腿部分直至腘窝，在分离过程中，把神经周围的结缔组织去除干净，并把神经的细小分支剪断，但要注意不要用金属器械碰触神经，也不要对神经过度牵拉。实验期间应不断滴加任氏液使神经保持湿润。 2.1.1.6 用玻璃分针游离腓肠肌，并在下面穿线，在跟腱处打结。在结扎线的下方剪断跟腱，在膝关节处把除腓肠肌外的小腿其他部分剪除。注意保持完整的腓肠肌。 2.1.1.7用棉线在靠近脊柱的位置结扎坐骨神经，并在结扎线的上方剪断神经，用眼科剪剪断坐骨神经的全部分支。从腘窝处开始剪掉大腿所有的肉，尽量把股骨刮干净，在膝关节上至少1cm处剪去上段股骨。将标本浸入任氏剂的培养皿中。 2.1.2实验装置与仪器连接:1.将标本股骨残端固定在肌槽上的小孔内;2.将结扎腓肠肌肌腱的棉线与张力换能器连接，调节棉线的松紧，要与桌面垂直;3.将神经置于肌槽的刺激电极上，用任氏剂保持标本湿润;4.刺激电极插入微机上的刺激输入孔;5.张力换能器与微机相应通道相连。 2.1.3打开电脑，进入生物信号采集处理系统，在菜单栏选择“实验项目”--------》“神经肌肉”-------》“刺激强度与反应的关系实验模块”点击开始，调节刺激参数。 2.1.4先给神经一个最小单刺激后，观察肌肉是否收缩，如果没有收缩就渐加刺激强度，直到肌肉开始收缩，记录刚引起肌肉收缩的阈强度。 2.1.5不断增加刺激强度，观察肌肉收缩和刺激强度的关系，找到最适刺激强度。 2.1.6把刺激强度调节到最适刺激强度，调节刺激频率，观察刺激频率对骨骼肌收缩的影响，并找到发生不完全强直收缩的最小刺激频率和发生完全强直收缩的最小刺激频率。 2.1.7分别记录波形图，打印。 2.2结果 2(2.1达到阈刺激强度时的波形 2.2.2最大刺激强度时的波形 2.2.3单收缩 2.2.4不完全强直收缩 2.2.5完全强直收缩 3.讨论 刺激强度到达阈刺激时腓肠肌开始收缩，在最大刺激收缩力前随刺激强度增大而增大，到达最大刺激强度后，收缩力不发生明显改变;在最大刺激强度条件下，某较小频率使腓肠肌发生单收缩，频率增大到，单收缩变为不完全强直收缩，频率继续增大，不完全强直收缩变为完全强制收缩。不同的腓肠肌其阈刺激，最大刺激均存在差异;其单收缩，不完全强直收缩和完全强直收缩所要频率也不尽相同。 3.1腓肠肌由许多肌纤维组成，当刺激支配腓肠肌的坐骨神经时，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。当刺激强度逐渐增强时，可引起少数肌纤维发生收缩反应，这种最小收缩反应的有效强度为阈强度也叫最小刺激强度。随着刺激强度的加大，参加收缩反应的肌纤维数量增多，收缩力量也加大，此时的刺激为阈上刺激。 3.2当阈上刺激强度增加到某一值时，神经中所有纤维均产生兴奋，此时肌肉做最大收缩。再继续增强刺激强度，肌肉收缩反应不再继续增加。将引起肌肉最大收缩的最小刺激强度称为最适刺激强度。一定范围内，骨骼肌收缩的大小决定于刺激的强度。实验结果可见，当刺激强度达到0.30V，往后再继续增强刺激强度，肌肉收缩反应不再继续增加，证明0.30V则为最适刺激强度。 3.3肌组织对于一个阈上强度的刺激，发生一次动作电位，随后出现一次收缩和 舒张，这种形式的收缩称为单收缩;单收缩的过程可分为3个时期:潜伏期、收缩期和舒张期。两个相同强度的阈上刺激，相继作用与神经,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;当同等强度的连续阈上刺激作用与标本时，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。产生不同类型的收缩主要是由于随着频率的增加，刺激落在舒张期结束前(或前一次收缩期内)又开始产生收缩，发生单收缩的复合。各次刺激引起的收缩过程发生融合而叠加，使肌肉强直收缩产生的张力大于单收缩。我们实验结果图中(图号自加)在2.0hz附近可看到两个分离的单收缩，之后在3.0hz附近出现了多个收缩的叠加即为强直收缩。就我们的图来看，对于一个单收缩来说，从刺激开始到收缩开始这无明显外部表现的一段为潜伏期，是兴奋的产生、传导和兴奋收缩偶联所致;骨骼肌开始收缩到高峰是长度缩短或张力增强的时期，曲线很陡，即为收缩期;从高峰开始，曲线较缓慢地下降至基线，是长度或者张力恢复过程时期，为舒张期。 3.4收缩全过程分为收缩和舒张两个时期，前者持续时间较后者短。如果给肌肉以连续的脉冲刺激，则肌肉的收缩形式将随刺激的频率高低而不同。在刺激频率较低时，次刺激都引起一次独立的单收缩。当刺激频率增加到某一限度时，在肌肉在未完全舒张的基础上便进行新的收缩，肌肉就表现为不完全强直收缩. 3.5当肌肉接受一连串彼此间隔时间很短的连续兴奋冲动时，由于各个刺激间的时间间隔很短，后一个刺激都落在由前一刺激所引起的收缩尚未结束之前，就又引起下一次收缩，因而在一连串的刺激过程中，肌肉得不到充分时间进行完全的宽息，而一直维持在缩短状态中。肌肉因这种成串刺激而发生的持续性缩短状态，称强直收缩。引起强直收缩的刺激称强直刺激。亦称强直。在给肌肉以适当频率的重复刺激，即强直刺激时，由于单收缩相继累加，表现出大的持续性收缩状态。刺激频率低，收缩曲线呈锯齿状，是不完生强直收缩;如果频率增高，收缩增加，而曲线变得光滑，成为完全强直收缩。但是超过某种限度，纵然再增高频率，由于后一刺激落后在前一刺激引起的不应期中，也是无效的，因此收缩不再增加。达到此限度的强直收缩称为最大强直收缩。故在波形图中，我们可以观察到肌肉发生完全强直收缩时，各自收缩不会分开，肌肉维持维持稳定的收缩状态。 参考文献 1、 常全忠，主编。机能实验学。第1版。北京:人民卫生出版社，2008。 2、 朱大年，主编。生理学。第七版。北京:人民卫生出版社，2008。