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教一堂让学生记忆深刻的课!肌肉收缩反应实验

发布时间:2019-12-17 16:33 |  点击次数:

通过肌肉收缩反应实验,教授一堂让学生记忆深刻的课。让学生参与实验,让他们在自己身上进行神经刺激这种让人记忆深刻的主动学习实验,以此提高学生对神经刺激如何控制肌肉收缩的理解...

实验步骤

第一步:确定实验目标


实验结束后,学生们应能够:

  • 描述和演示前臂神经受到电刺激的影响。
  • 记录和测量对神经刺激的肌肉收缩反应,并且展示刺激强度增加时在收缩反应中的募集。

第二步:设置设备,记录信号

使用的硬件:PowerLab 26T
使用的软件:LabStation 生命科学教学软件 / LabChart

PowerLab 安装
  1. 把生物电放大器(Bio Amp)电线插入 PowerLab 上的生物电放大器(Bio Amp)输入端。
  2. 将电极电线接入生物电放大器(Bio Amp)电线上的接地、CH1 NEG 和 CH1 POS。
  3. 将接地电线接到干燥接地带。请注意,在必要情况下,可以使用一次性电极替代干燥接地带。 
  4. 将刺激棒状电极接入 PowerLab 的隔离刺激器输出端:

        a. 将红色(正极)接头连接到红色输出端。

        b. 将黑色(负极)接头接入黑色输出端。

  5. 确保 PowerLab 已连接并已打开。
  6. 将脉搏传感器连接到 PowerLab 上的输入端 1。
  7. 将脉搏传感器放在实验操作台上方,膜面朝上,用胶带将传感器固定。

第三步:神经刺激

活动的这一步骤不进行记录;在本步骤中,学生仅需找到放置刺激棒状电极的最佳位置,为实验做好准备。 

对学生来说,现在的问题是: 
  •  需要将刺激棒状电极放在哪个位置才能获得最佳收缩?
  •  对支配肌肉的神经进行刺激时,会发生什么?  

注意:为了获得有效的刺激,应沿整个上臂放置两个刺激棒状电极垫。如果刺激状态指示灯从绿色变为黄色,则您需要在电极垫上涂抹更多的电极糊。  


步骤
  1. 在 2 个金属刺激棒状电极垫上涂抹少量电极糊。 
  2. 将刺激棒状电极放在志愿者肘部的尺神经上。大概位置如上图所示。 
  3. 按压刺激棒状电极,确保电极不会移动。 
  4. 将隔离刺激器面板中的电流设为 8 毫安(mA)(如使用 PowerLab)。
  5. 在 PowerLab 上,隔离刺激器开关应设置为「开」。隔离刺激器仅在记录期间处于激活状态。在其他时间,隔离刺激器内部关闭。
  6. 选择「开始」,每秒钟都会有一股短脉冲电流通过志愿者的皮肤。如果指示灯闪烁黄色,请参考本部分内容。
  7. 如果您未能获得反应,将刺激器电流增加 2 mA 或重新调整刺激电极的位置。
  8. 记录影响小指和其他手指的单收缩。检查对电极位置进行微小调整后所产生的影响,并确定产生最大收缩时的位置。 
  9. 获得良好反应后,选择设备上的「停止」按钮。
  10. 用圆珠笔在皮肤上轻轻地画两个小十字标记,表示产生最有效刺激的电极位置。
  11. 使用这些标记重新调整刺激棒状电极在肘部的位置,以便在接下来的活动中进行肌电图(EMG)记录。

注意:重复上述步骤(但这次是在腕部),为传导速度活动做好准备。刺激腕部时,引发收缩较为困难。 学生需要加大电流并更用力按压刺激棒状电极。 

第四步:安放电极

注意:在本步骤中,学生将刺激肘部或腕部的尺神经,并记录肌肉活动(复合肌肉动作电位)和小指展肌。

正确放置电极
  1. 从志愿者手腕上摘掉首饰。
  2. 将干燥接地带缠绕在志愿者的腕部。请注意,也可以使用一次性电极代替。确保在腕部留出足够的空间,以便放置刺激棒状电极。
  3. 在小指展肌的皮肤上画两个小十字,在该位置放置记录电极,如图所示。两个十字相距 3-4 cm。 
  4. 轻轻擦拭有十字标记的皮肤,以减少电阻。擦去残留物。
  5. 取两个新的一次性电极。稍微修剪粘性垫以便更贴合较小的手。 
  6. 将生物电放大器(Bio Amp)电线上的 CH1 电线扣上电极。 
  7. 将电极放在有十字标记的皮肤上固定好。为减少电极移动,用胶带将电线固定在靠近电极的皮肤处。 
  8. 在 2 个金属刺激棒状电极垫上涂抹少量电极糊。
  9. 将刺激棒状电极放在志愿者肘部的尺神经上(使用之前的标记)。
  10. 让志愿者将其上臂放松地放在桌面上,小指轻轻地放在脉搏传感器上。前臂应放在桌面上,肘部置于桌边,以便对尺神经进行操作。

技巧:刺激棒状电极背面的红点表示正极。调整电极位置,使正极更加靠近肩部。  


从上面看手部放在脉搏传感器上的视图。

设置如下:



第五步:进行收缩反应和收集

学生们将研究神经刺激如何控制肌肉收缩。肌肉收缩是对短暂的阙刺激的单收缩反应。

使用 PowerLab? 选择「开始」,开始记录后(如下所示),PowerLab 将刺激并记录 200 ms(0.2 s)。

步骤
  1. 志愿者牢牢紧握刺激棒状电极,另一只手放在肘部,以刺激尺神经。 
  2. 确保刺激电流设置为 4 mA,并且隔离刺激器开启。选择 开始
  3. 将刺激电流增加 1 mA 并选择 开始
  4. 继续将刺激电流增加 1 mA,每次都选择  开始 。对于大多数志愿者,第一次观察到收缩反应时的阈刺激在 5–15 mA。 
  5. 当学生第一次观察到反应时,在您的记录里添加一条注释,标明所使用的刺激电流。 
  6. 继续增加刺激电流并选择  开始 ,直至达到最大值 20 mA。如果有必要,在您的分析软件中选择「自动缩放」。

观察结果:

学生们已经观察到了肌肉收缩。他们是否可以从肌电图(EMG)和力学角度解释所观察到的现象?

注意:在活动的这一步骤中,针对学生的问题是:「支配肌肉的神经受到的电刺激逐步增加时,会发生什么?」

第六步:分析


学生们可以借此机会研究和分析他们的肌肉收缩募集记录。可询问以下问题,以检查学生们的理解程度:

问题:电流刺激从 0 mA 开始增加时,肌肉收缩反应发生了什么变化?产生以下现象所需要的最小电流是多少?
  1. 收缩(阈值电流) 
  2. 最大收缩(或「最大刺激」-反应不再增强时的电流)。


答案:

答案取决于学生自己的数据。在 0 mA 时,不存在可测量的反应。通常第一次收缩始于大约 4–6 mA,最大收缩力始于大约 12–15 mA 范围。
 



问题:当电流达到以下强度时,多少比例的肌纤维收缩?

  1. 阈值
  2. 最大刺激
  3. 最大刺激以上


答案:

答案同样取决于学生自己的数据:在 0 mA 时,肌纤维无收缩。

  1. 在阈值时,仅募集少量肌纤维。
  2. 根据定义,当 100% 可募集纤维收缩时,才能观察到最大刺激。
  3. 在最大刺激以上,收缩纤维的数量不会增加。
 


问题: 为什么改变刺激强度会影响到收缩力?

答案:

刺激越强,将刺激更多的神经纤维,因此募集到更多的运动单元。

该实验是 LabStation 中「骨骼肌功能」实验的一部分。完整的实验将继续以一种互动和沉浸的方式研究总和、强直收缩和传导速度。

我们的离线学习平台 LabStation 可以节省教学工作者的时间,将使用 PowerLab 的实践性数据采集与已有实验和教授生命科学的课相结合。

注意: 这些活动将通过放置在皮肤上的电极对肌肉进行电流刺激。装有心脏起搏器或患有神经或心脏疾病的同学不可作为参与这些活动的志愿者。

肌肉收缩和感觉(例如:刺痛或短暂的不适感)与神经刺激有关。如果志愿者在活动中感到强烈不适,应立即停止。 

该实验课程讲解视频,请访问:肌肉收缩反应实验