Eksperiment:

Baggrund

De fleste af vores eksperimenter i menneskelig fysiologi har handlet om det frivillige nervesystem (neuromuskulær neurovidenskab) eller perception (sensorisk neurovidenskab); men her vil vi tale om den “ufrivillige” del af nervesystemet, det autonome nervesystem. Det autonome nervesystem styrer ting, som vi både er bevidste og uvidende om, men som vi generelt ikke har meget kontrol over – fordøjelse, homøostase, svedproduktion, blodtryk, hjerterytme og mange andre ting. Det er traditionelt opdelt i to systemer, den sympatiske afdeling (som aktiverer den såkaldte “kamp eller flugt”-reaktion) og den parasympatiske afdeling (som aktiverer den også kaldte “hvile og fordøjelsesreaktion”).

Vi kan studere virkningerne af den sympatiske nerves aktivering ved at måle hjertefrekvensen. I vores tidligere hjerteeksperiment observerede vi hjertets elektriske impulser og stigningen i hjertefrekvensen under træning. Lad os gå lidt dybere ind i hjertefrekvensfysiologien og forsøge at aktivere specifikt det sympatiske nervesystems “kamp eller flugt”-reaktion. Hvad sker der i “kamp eller flugt”? Som du kan forestille dig, hvis du står over for en trussel, f.eks. en stor skygge, der bevæger sig om natten, stiger pulsen, sveden begynder, vejrtrækningen øges, fordøjelsen hæmmes, øjnene udvides og mange andre ting.

Alternativt aktiverer det parasympatiske system “hvile og fordøje”-reaktionen, som udfører det modsatte af alle de ting, der er nævnt ovenfor (pulsen falder, fordøjelsen aktiveres, spytdannelsen øges osv.). Mange af disse reaktioner i både det sympatiske og det parasympatiske system styres af hormoner, som man med fordel kan betragte som “neurotransmittere”, men som kommer ind i blodbanen i stedet for i den synaptiske kløft for at finde deres mål, og i stedet for reaktionstider på 1 ms i hjernen har hormoner reaktionstider i størrelsesordenen sekunder til minutter på flere strukturer i kroppen.

For eksempel, når det sympatiske nervesystem aktiveres, frigiver hypofysen, som anatomisk set forgrener sig fra hypothalamus i hjernen, adrenocorticotropisk hormon (ACTH) i blodbanen, hvilket øger kortisolniveauet og forårsager forskellige fysiologiske ændringer, herunder en stigning i hjertefrekvensen. Samtidig frigiver binyrerne, en nerveganglion, der er placeret på nyrerne, noradrenalin og har en lignende virkning på hjertet.

For at aktivere dit sympatiske nervesystem vil vi bruge den berømte stimulus med “isvand”. Dette bruges ofte i smerteundersøgelser, da mennesker kan tåle det, alle har oplevet kolde hænder før, det er ikke skræmmende og resulterer ikke i psykologiske skader, og det er en god modelstimulus, der er let at replikere i laboratorier rundt om i verden. Jo længere du holder din hånd i isvand, jo mere smertefuld bliver den, hvilket aktiverer dit sympatiske nervesystem, hvilket vil føre til en stigning i hjertefrekvensen.

Lad os nu se det med egne øjne!

Downloads

Hvor du begynder, skal du sørge for, at du har Backyard Brains Spike Recorder installeret på din computer. Backyard Brains Spike Recorder-programmet giver dig mulighed for at visualisere og gemme data på din computer, når du udfører eksperimenter. Vi har også lavet en simpel laboratoriehåndbog, der kan hjælpe dig med at tabulere dine data.

Video

Udskriv materialer

Hvis du leder efter en PDF-fil til at udskrive og kradse på, eller et google doc til at redigere, kan du tjekke dette arkiv af udskrivningsressourcer her!

Procedure

Heart Rate Ice Water Experiment

Fyld en pastagryde eller en stor spand 3/4 op med is.

Tilsæt koldt vand. Bemærk, at du laver isvand, ikke vand med is i. Isvandet vil sikre, at blandingen altid er i ligevægt ved 32° F (0° C).

Placér elektrodeplasterklistermærker på dine øvre underarme og et på din håndryg.

Forbind de røde krokodilleklemmer på dit orange kabel med elektroderne på dine øvre underarme, og jordkrokodilleklemmen til jordelektroden på din håndryg.

Tilslut det orange kabel til din Heart and Brain SpikerShield, og tilslut Heart and Brain SpikerShield til din computer via USB. Konfigurer din SpikeRecorder-software til at begynde at registrere pulsen. Dette gøres ved at tilslutte din Heart and Brain SpikerShield til din computer via USB-porten, aktivere netstøjsfiltret på 60 Hz (USA) eller 50 Hz (Europa, Sydamerika) afhængigt af det land, du bor i, og de generelle båndpasfiltre fra 1-100 Hz. Gå til tærskeltilstand, klik på hjerteikonet, og flyt tærsklen, indtil du kan isolere og beregne hjertefrekvensen.

Bemærk, hvis elektrokardiogrammet ser underligt ud (på hovedet), skal du bytte de to røde alligatorklemmer til modsatte underarme.

Tryk på optageknappen, skriv hjerterytmen på den ven, du optager fra, og derefter …

Få din ven til at lægge hånden i isvandet, men lad den øverste del af underarmene være blottet, så elektroderne ikke er nedsænket.

Vent, indtil din ven rapporterer, at stimulus bliver så smertefuldt, at han eller hun “knap nok kan tåle det.”

Skriv deres puls ned.

Gentag et antal gange for at få et gennemsnit (se udleveret).

Hvis du gentager nok observationer, kan du foretage statistisk hypotesetestning. Variant- Dykkerreaktionen

Mens vi er sat op til dette forsøg, undersøger vi også en anden virkning på hjertefrekvensen, kaldet dykkerrefleksen. Når en søløve eller et andet havpattedyr dykker, falder dens hjertefrekvens, og venerne og arterierne i perifere væv og lemmer trækker sig sammen. Dette begrænser blodgennemstrømningen til organer, der ikke er relateret til dykningen, reducerer hjertets iltforbrug og opretholder blodgennemstrømningen til hjernen.

Men vidste du, at denne reaktion findes hos alle pattedyr, også hos dig? Når koldt vand kommer i kontakt med dit ansigt, og du holder vejret, kan vi se “dykkerrefleksen” som et fald i hjertefrekvensen. Vi kan lave variationer for at adskille virkningerne af vandkontakt i ansigtet i forhold til blot at holde vejret.

Forsøg med dykkereaktion med hjerterytme

Bemærk: Det anbefales, at instruktøren overvåger dette forsøg i klasseværelset

Tøm isvandet i gryden ovenfor og erstat det med mere tolerabelt koldt/køligt vand.

Registrer hvilepuls.

Få forsøgspersonen til at holde vejret og nedsænke ansigtet under vand så længe, som forsøgspersonen er komfortabelt i stand til.

Overvåg pulsen. Falder den og stiger derefter, når forsøgspersonen fjerner hovedet fra vandkarret og begynder at trække vejret igen?

Lad nu forsøgspersonen bruge en snorkel.

Gentag eksperimenterne, men lad forsøgspersonen holde ansigtet under vandet, men trække vejret gennem snorklen.

Ændrer pulsen sig på samme måde, som når forsøgspersonen holdt vejret under vand?

Til sidst måler du pulsen, og beder blot forsøgspersonen om at holde vejret i stedet for at nedsænke ansigtet under vand. Du bør bemærke, at pulsen går ned og derefter kortvarigt stiger igen, når den vender tilbage til normal vejrtrækning. Var det mere eller mindre dramatisk, end da ansigtet blev nedsænket under vand?

Notes

Vi takker vores kollega i trænings- og muskelfysiologi, lektor Brian L. Tracy, for at beskrive dette eksperiment for os under Society for Neuroscience 2016-konferencen.

Ordet “autonomt”, der betyder ufrivilligt, er beslægtet med ordet “autonomt”, der betyder uafhængigt.

Science Fair Project Ideas

Da disse eksperimenter er relativt nemme at udføre hurtigt, kan du hurtigt generere et stort datasæt i din familie eller skole. Er der forskelle mellem atleter og mennesker med normal eller lav kondition? Er der forskelle i alder, forskelle mellem mandlige og kvindelige elever osv. God statistik!

Vi har tidligere undersøgt effekten af træning af hjertefrekvens. Hvorfor vil eller vil denne stressreaktion forårsaget af is øge hjertefrekvensen gennem andre fysiologiske mekanismer end motion?