腓肠肌.docx

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腓肠肌

蛙的腓肠肌收缩与刺激强度、刺激频率、时相间关系

摘要：

目的研究刺激强度、刺激频率对骨骼肌收缩的影响以及骨骼肌电兴奋与收缩的时相关系。

方法制作蛙的离体坐骨神经-腓肠肌标本，并通过生物信号计算机采集系统测量不同强度频率刺激下的生物电信号与张力。

将区域测量数据使用EXCEL验证相关性并方差分析做出回归曲线。

结果骨骼肌在刺激强度递增条件下产生张力大小在阈刺激强度与与最适刺激强度范围内随刺激强度线性增大；在刺激频率增大条件下，一定范围内产生张力大小随刺激频率增大线性增大，高刺激下收缩，短时间将产生更大的张力，产生强直收缩。

刺激之后经过很短时间后才能检测到肌肉电信号的变化，一段时间后肌肉开始收缩至最大程度后，肌肉慢慢舒张，恢复到舒张状态。

结论刺激强度递增或刺激频率递增，骨骼肌收缩增强，且在一定范围内存在线性关系。

神经兴奋、肌兴奋和肌肉收缩不同，神经兴奋是神经细胞上的神经冲动的产生和传导，其传播有不衰减性的特征。

肌肉兴奋是神经细胞的兴奋传导到终板上的细胞，使周围细胞发生去极化，达到阈电位以后就产生了终板电位，细肌丝与粗肌丝之间的相对滑动，以引起肌细胞乃至整块肌肉的收缩。

关键词：

蛙腓肠肌收缩肌电回归分析

正文：

骨骼肌通过收缩的总和可快速调节收缩的强度。

总和的发生是在神经系统调节下完成的，它有两种形式，即运动单位数量的总和以及频率效应的总和。

运动神经元发放冲动的频率会影响骨骼肌的收缩形式和收缩强度。

由于肌锋电位时程（相当于绝对不应期）仅1～2ms，而收缩过程可达几十甚至几百ms，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连续刺激时，可出现以这种总和过程为基础的强直收缩。

如果刺激频率相对较低，总和过程发生于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。

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。

本实验使用青蛙的离体坐骨神经-腓肠肌标本，研究骨骼肌的收缩功能。

方法

实验对象蛙的离体坐骨神经-腓肠肌标本

实验过程

制备坐骨神经-腓肠肌标本，置于任氏液中稳定5-15min，以稳定其兴奋性，备用。

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，腓肠肌肌腱上的扎线与张力换能器金属弹性梁臂上相连，然后将标本的坐骨神经干搭在肌槽的电极上，电极接头与刺激输出线相接，方法见图一。

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）。

图一刺激与骨骼肌收缩实验装置图

打开计算机采集系统，连接各仪器，选择实验项目“刺激强度对骨骼肌收缩的影响”。

调节刺激延时至最小，波宽为1ms，选择强度梯度递增方式进行刺激。

放大倍数一般设为10-20倍或灵敏度30g/div，滤波频率为100Hz，扫描速度为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）。

启动刺激图标，观察肌肉收缩反应。

如果肌肉无收缩反应，则适当增加刺激强度，其他刺激参数保持不变。

相隔少许时间重复进行刺激，直至出现肌肉的最小收缩。

测量收缩幅度并记下刺激强度，此时的收缩强度为阈强度。

逐渐增加刺激强度，观察刺激强度与肌肉收缩反应的关系。

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，记录此时的收缩曲线和刺激强度。

选择实验项目“刺激频率对骨骼肌收缩的影响”。

调节刺激的延时波宽至最小，放大倍数一般设为10-20倍，滤波频率为100Hz。

用“频率递增”刺激模式，选择合适扫描速度和信号增益，使单收缩的幅度减小至3-5mm，观察并记录肌肉收缩曲线的变化。

再按照图二方法准备仪器并装置张力换能器，接通张力换能器传入通道，并将双针形露丝电极置于腓肠肌表面，通过信号输入线接通要观察的肌电信号通道。

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。

观察肌电信号与肌肉收缩曲线的关系，并分别测量刺激图标至肌电信号、张力信号和肌肉收缩终点的时间。

图二蛙腓肠肌肌电与收缩同步记录实验装置连接图

用“连续刺激”方波刺激坐骨神经腓肠肌标本，改变电刺激频率，观察不同频率的阈上刺激引起肌肉收缩形式的变化。

刺激的波宽和电压强度调到最适刺激强度，保持此参数不变，每次给刺激仅改变连续刺激方波的频率。

分别记录不同频率时的肌肉收缩曲线。

观察不同刺激频率时肌肉收缩形式的变化。

实验数据分析方法：

一元线性回归分析

相关系数

简单线性回归方程的形式如下

其中

实验结果与讨论：

在刺激强度对骨骼肌收缩的影响实验中，当刺激强度为0.085V时，肌肉出现最小收缩。

骨骼肌收缩的阈刺激大小为0.085V。

当刺激强度小于0.085V时，肌肉不发生收缩。

当刺激强度达到0.130V，腓肠肌的收缩力不再随刺激强度的增加而升高，骨骼肌的最适刺激强度为0.130V。

记录收缩曲线如图三。

选用参数为：

采集频率8kHz，通道一：

时间常数：

直流，灵敏度：

30g，滤波频率：

100Hz，扫描速度：

2.5s/div;刺激方式：

正电压刺激，模式：

强度递增模式，强度：

0.02V，波宽：

0.2ms，延时：

0ms，强度增量：

0.05V，组间延时：

4ms。

图三刺激强度对骨骼肌收缩的影响

项目

实验数据

刺激强度/V

0.085

0.090

0.095

0.100

0.105

0.110

0.115

0.120

0.125

0.130

张力/g

1.319

2.49

6.23

9.97

26.67

41.91

56.79

68.73

77.23

80.02

表一刺激强度对骨骼肌张力实验数据

使用EXCEL分析处理数据结果为：

线性回归方程y=2060.0x-184.3

相关系数r=0.978，此范围内线性关系显著，说明在阈强度与最适强度间，骨骼肌收缩与刺激强度大小线性相关。

图四刺激强度-骨骼肌张力回归曲线

在刺激频率对骨骼肌收缩的影响实验中，当刺激频率小于5.0Hz时，肌肉发生连续的单收缩，当刺激频率在5-17Hz的范围时，肌肉发生不完全的强直收缩，当刺激频率大于17Hz时，肌肉发生强直收缩。

随着刺激频率的逐渐增大，腓肠肌的收缩力不断增加，到完全强直收缩后，再增加刺激频率，腓肠肌的收缩力增大趋缓。

实验表明，骨骼肌收缩有等级之分。

高刺激下收缩，短时间将产生更大的张力。

图五骨骼肌收缩总和与强直收缩

实验参数：

通道一：

采样频率：

400Hz，张力，扫描速度：

1.0s/div，灵敏度：

15g，时间常数：

直流，滤波频率：

100Hz，刺激方式：

正电压刺激，模式：

频率递增刺激，强度：

1V，波宽：

0.1ms，延时：

0ms，频率增量：

1Hz,组间延时：

4s。

项目实验数据

刺激频率/Hz

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

10.0

11.0

12.0

13.0

14.0

15.0

16.0

17.0

18.0

19.0

张力/g

0.25

0.37

0.49

0.97

2.64

4.43

6.22

8.02

10.65

13.51

16.74

20.21

22.96

24.99

26.54

27.98

28.93

29.77

29.89

表二骨骼肌刺激频率与张力数据

经EXCEL分析数据得下图：

回归曲线方程为：

y=2.009x-5.593,相关系数r=0.984,相关性良好。

在改变刺激频率的条件下，肌肉收缩张力与肌电信号变化如图六：

图六刺激频率与骨骼肌肌电、张力变化关系

实验参数：

采样频率：

400Hz，

通道一：

张力，扫描速度：

1.0s/div，灵敏度：

30g，时间常数：

直流，滤波频率：

100Hz。

通道二：

生物电，扫描速度：

1.0s/div，灵敏度：

2.5ms，时间常数：

交流低增益，滤波频率：

30Hz。

刺激参数：

强度：

1V，波宽：

0.1ms，延时：

0ms，频率增量：

4Hz，组间延时：

4s。

在骨骼肌电兴奋与收缩的时相关系实验中，根据实验结果（图七）可知，刺激之后经过很短时间后才能检测到肌肉电信号的变化，然后过了一段时间，肌肉开始收缩，到最大程度后，肌肉慢慢舒张，恢复到原来的舒张状态。

图七骨骼肌电兴奋与收缩的时相关系

实验参数：

采集频率：

20kHz。

通道一：

生物电，扫描速度：

10.0ms/div，灵敏度：

250uV，时间常数：

0.001s，滤波频率：

1kHz，导联：

关。

通道二：

生物电，扫描速度：

10.0ms/div，灵敏度：

1mV，时间常数：

0.002s，滤波频率：

1kHz，导联：

关。

通道三：

张力，扫描速度：

10.0ms/div，灵敏度：

15g，时间常数：

直流，滤波频率：

30Hz，导联：

关。

刺激器参数：

强度：

2V，波宽：

0.2ms，延时：

5ms，重复次数：

1

本次试验应注意以下几点：

1.在很短的时间之内，阈刺激强度和最适刺激强度不会发生变化。

但在比较长的时间内，两个强度会发生变化，因为随着实验的进行、刺激的不断施加，标本的活性不断下降，兴奋性也就逐渐减小了。

2、连续电刺激神经，容易产生肌肉疲劳。

肌肉疲劳有以下几个原因：

1、肌肉收缩的机制是肌纤维相对滑动，当横桥与细肌丝结合时，横桥行使ATP酶的功能，消耗ATP使肌丝间滑动，所以肌肉收缩是一个消耗能量的过程，而肌肉内存储的ATP是有限的，所以长时间的收缩会使肌肉疲劳。

2、神经在传递兴奋的时候也会因为突触处的传递疲劳发生抑制效果。

3、神经骨骼肌接头处的兴奋传递在受到长时间刺激以后会发生疲劳。

三者总和作用效果就是肌肉接受连续电刺激以后容易疲劳的原因。

结论

肌肉的机械收缩是在兴奋的基础上产生的，而在产生兴奋的过程中，峰电位持续时间很短（肌肉的动作电位和神经纤维的峰电位类似）约1-2ms，且不能叠加。

但兴奋引起的一次收缩，持续时间却很长（约100ms）。

因而在发生机械收缩的过程，只要刺激在动作电位的不应期之后，是完全可能再产生兴奋并引起收缩的，即收缩是有可能叠加的，这种叠加的收缩称复合收缩。

因此只要两次刺激时间相隔足够小，就会产生收缩的叠加波形。

当给予的刺激间隔小于单收缩的持续时间，但仍大于收缩相的时间，则叠加发生在舒张期，即前一个收缩的舒张期还没完成就产生了下一个收缩，形成舒张的不完全，记录时会出现锯齿状的收缩曲线称为不完全强直收缩；若刺激频率继续增加，刺激的时间小于单收缩的收缩相时，则所有的收缩连续发生，没有舒张过程，记录时会出现一个连续的光滑的收缩曲线，称完全强直收缩。

从刺激开始到肌电出现，骨骼肌内变化过程分为两个部分：

1、兴奋在神经干上的传导。

神经在接受了阈上刺激以后，产生了动作电位，沿神经干不衰减地传递到腓肠肌末梢。

2、神经到肌肉的传递。

当动作电位传播到神经-肌接头的接头前膜时，前膜释放含有乙酰胆碱的小泡到间隙，乙酰胆碱与后膜的受体结合，使得后膜的离子通道打开，产生终板电位。

终板电位以电紧张的方式扩散到周围的肌细胞膜，使周围的细胞也发生去极化，从而产生肌电。

从肌电到肌肉收缩的过程也分为两个部分：

1、兴奋-收缩偶联。

肌膜上的动作电位沿肌膜和T管膜传播，同时激活T管膜和肌膜上的L型钙通道，激活的L通过变构作用激活JSR上的RYR受体（钙释放通道），使JSR中的钙离子释放到胞质中，引发肌肉收缩。

2、肌肉收缩。

钙离子与细肌丝中调节蛋白发生作用，从而使横桥与细肌丝中肌动蛋白结合，横桥构象发生变化，头部扭转45度，立即向M线移动，细肌丝在粗肌丝之间的空间滑动，被拉向A带中间。

在整个收缩过程中伴有ATP的结合、水解、解离以及重新结合。

其中，神经兴奋、肌兴奋和肌肉收缩有以下不同：

神经兴奋是神经细胞上的神经冲动的产生和传导，一般是由钠离子和钾离子的内流和外流有关，神经兴奋产生的是动作电位，其传播有不衰减性的特征。

肌肉兴奋是神经细胞的兴奋通过肌肉-肌接头，传导到终板上的细胞，使周围细胞发生去极化，达到阈电位以后就产生了终板电位。

肌肉收缩是细肌丝与粗肌丝之间的相对滑动，以引起肌细胞乃至整块肌肉的收缩。

参考文献

项辉，龙天澄，周文良.生理学实验指南.科学出版社.2010年1月.

王庭槐.生理学.高等教育出版社.2010年5月.