Hintergrund
Die meisten unserer Experimente zur menschlichen Physiologie haben sich mit dem willkürlichen Nervensystem (Neuromuskuläre Neurowissenschaft) oder der Wahrnehmung (Sensorische Neurowissenschaft) befasst; hier werden wir jedoch über den „unwillkürlichen“ Teil des Nervensystems sprechen, das autonome Nervensystem. Das autonome Nervensystem steuert Dinge, die wir sowohl bewusst als auch unbewusst wahrnehmen, über die wir aber im Allgemeinen keine große Kontrolle haben – Verdauung, Homöostase, Schwitzen, Blutdruck, Herzfrequenz und viele andere. Es wird traditionell in zwei Systeme unterteilt, den Sympathikus (der die so genannte „Kampf-oder-Flucht“-Reaktion auslöst) und den Parasympathikus (der die ebenfalls so genannte „Ruhe- und Verdauungs“-Reaktion auslöst).
Wir können die Auswirkungen der Aktivierung des Sympathikus durch Messung der Herzfrequenz untersuchen. In unserem vorangegangenen Herzexperiment haben wir die elektrischen Impulse des Herzens und den Anstieg der Herzfrequenz während der Belastung beobachtet. Wir wollen nun etwas tiefer in die Physiologie der Herzfrequenz eindringen und versuchen, die „Kampf-oder-Flucht“-Reaktion des sympathischen Nervensystems gezielt zu aktivieren. Was geschieht bei „Kampf oder Flucht“? Wie Sie sich vorstellen können, erhöht sich bei einer Bedrohung, z. B. einem großen Schatten, der sich in der Nacht bewegt, die Herzfrequenz, das Schwitzen setzt ein, die Atmung nimmt zu, die Verdauung wird gehemmt, die Augen weiten sich und vieles andere mehr.
Alternativ dazu aktiviert der Parasympathikus die „Ruhe- und Verdauungs“-Reaktion, die das Gegenteil von all den oben genannten Dingen bewirkt (die Herzfrequenz sinkt, die Verdauung wird aktiviert, der Speichelfluss nimmt zu usw.). Viele dieser Reaktionen sowohl im sympathischen als auch im parasympathischen System werden durch Hormone gesteuert, die man sich als „Neurotransmitter“ vorstellen kann, die aber in den Blutkreislauf und nicht in den synaptischen Spalt gelangen, um ihre Ziele zu finden, und anstelle von Reaktionszeiten von 1 ms im Gehirn haben Hormone Reaktionszeiten in der Größenordnung von Sekunden bis Minuten auf mehrere Strukturen im Körper.
Wenn beispielsweise das sympathische Nervensystem aktiviert wird, setzt die Hypophyse, die anatomisch vom Hypothalamus im Gehirn abzweigt, das adrenocorticotrope Hormon (ACTH) in den Blutkreislauf frei, wodurch der Cortisolspiegel ansteigt und verschiedene physiologische Veränderungen, einschließlich eines Anstiegs der Herzfrequenz, verursacht werden. Gleichzeitig setzt die Nebenniere, ein neuronales Ganglion an den Nieren, Noradrenalin frei, das eine ähnliche Wirkung auf das Herz hat.
Um Ihr sympathisches Nervensystem zu aktivieren, werden wir den berühmten „Eiswasser“-Reiz verwenden. Dieser Reiz wird häufig in Schmerzstudien verwendet, da Menschen ihn tolerieren können, jeder schon einmal kalte Hände erlebt hat, er nicht beängstigend ist und keine psychologischen Schäden verursacht, und er ist ein guter Modellreiz, der in Labors auf der ganzen Welt leicht zu reproduzieren ist. Je länger du deine Hand in Eiswasser hältst, desto schmerzhafter wird sie und aktiviert dein sympathisches Nervensystem, was zu einem Anstieg der Herzfrequenz führt.
Jetzt wollen wir es selbst sehen!
Downloads
Bevor du beginnst, stelle sicher, dass du den Backyard Brains Spike Recorder auf deinem Computer installiert hast. Das Programm Backyard Brains Spike Recorder ermöglicht es dir, die Daten auf deinem Computer zu visualisieren und zu speichern, wenn du Experimente durchführst. Wir haben auch ein einfaches Labor-Handout erstellt, das dir hilft, deine Daten zu tabellieren.
Video
Druckmaterialien
Wenn du eine PDF-Datei zum Ausdrucken und Kritzeln oder ein Google-Dokument zum Bearbeiten suchst, dann schau dir diese Sammlung von Druckmaterialien hier an!
Vorgehensweise
Herzfrequenz-Eiswasser-Experiment
Während wir uns für dieses Experiment vorbereiten, untersuchen wir auch eine andere Auswirkung auf die Herzfrequenz, den sogenannten Tauchreflex. Wenn ein Seelöwe oder ein anderes Meeressäugetier taucht, sinkt seine Herzfrequenz, und die Venen und Arterien in den peripheren Geweben und Gliedmaßen ziehen sich zusammen. Dadurch wird die Durchblutung von Organen, die nicht mit dem Tauchgang in Verbindung stehen, eingeschränkt, der Sauerstoffverbrauch des Herzens verringert und die Durchblutung des Gehirns aufrechterhalten.
Aber wussten Sie, dass diese Reaktion bei allen Säugetieren, auch bei Ihnen, auftritt? Wenn kaltes Wasser dein Gesicht berührt und du den Atem anhältst, können wir den „Tauchreflex“ als einen Rückgang der Herzfrequenz beobachten. Wir können Variationen durchführen, um die Auswirkungen des Wasserkontakts auf das Gesicht von denen des bloßen Anhaltens des Atems zu trennen.
Herzfrequenz-Tauchreaktion-Experiment
Hinweis: Es wird empfohlen, dieses Experiment unter Aufsicht eines Lehrers im Klassenzimmer durchzuführen
Anmerkungen
Science Fair Project Ideas
Da diese Experimente relativ einfach und schnell durchführbar sind, kannst du in deiner Familie oder Schule schnell einen großen Datensatz erzeugen. Gibt es Unterschiede zwischen Sportlern und Menschen mit normalem oder niedrigem Fitnessniveau? Gibt es Unterschiede im Alter, Unterschiede zwischen männlichen und weiblichen Schülern usw. Viel Spaß mit der Statistik!
Wir haben bereits die Auswirkungen von Sport auf die Herzfrequenz untersucht. Warum würde diese durch Eis verursachte Stressreaktion die Herzfrequenz durch andere physiologische Mechanismen erhöhen als Sport?