Experiment: Aktivieren Sie Ihr sympathisches Nervensystem

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

  • Fülle einen Nudeltopf oder einen großen Eimer zu 3/4 mit Eis.
  • Gib kaltes Wasser hinzu. Beachte, dass du Eiswasser herstellst, nicht Wasser mit Eis darin. Das Eiswasser sorgt dafür, dass die Mischung immer im Gleichgewicht bei 32° F (0° C) ist.
  • Kleben Sie die Elektrodenaufkleber auf die Oberarme und einen auf den Handrücken
  • Verbinden Sie die roten Krokodilklemmen des orangefarbenen Kabels mit den Elektroden an den Oberarmen und die Masseklemme mit der Masseelektrode auf dem Handrücken.
  • Verbinden Sie das orangefarbene Kabel mit Ihrem Heart and Brain SpikerShield und schließen Sie das Heart and Brain SpikerShield über USB an Ihren Computer an.
  • Richten Sie Ihre SpikeRecorder-Software ein, um mit der Aufzeichnung der Herzfrequenz zu beginnen. Schließen Sie dazu Ihr Heart and Brain SpikerShield über den USB-Anschluss an Ihren Computer an, schalten Sie je nach Land, in dem Sie leben, den Rauschfilter von 60 Hz (USA) oder 50 Hz (Europa, Südamerika) und die allgemeinen Bandpassfilter von 1-100 Hz ein. Gehen Sie in den Schwellenwertmodus, klicken Sie auf das Herzsymbol und verschieben Sie den Schwellenwert, bis Sie die Herzfrequenz isolieren und berechnen können.
  • Hinweis: Wenn das Elektrokardiogramm seltsam aussieht (auf dem Kopf stehend), tauschen Sie die beiden roten Krokodilklemmen an den gegenüberliegenden Unterarmen aus.
  • Drücken Sie die Aufnahmetaste, notieren Sie die Herzfrequenz des Freundes, von dem Sie die Aufnahme machen, und dann…
  • Lassen Sie Ihren Freund seine Hand in das Eiswasser tauchen, aber lassen Sie die oberen Unterarme frei, damit die Elektroden nicht untergetaucht werden.
  • Warten Sie, bis Ihr Freund oder Ihre Freundin berichtet, dass der Reiz so schmerzhaft wird, dass er oder sie ihn „kaum noch ertragen kann.“
  • Schreiben Sie die Herzfrequenz auf.
  • Wiederholen Sie den Versuch mehrmals, um einen Durchschnittswert zu erhalten (siehe Handout).
  • Wenn Sie genügend Beobachtungen wiederholen, können Sie statistische Hypothesentests durchführen. Variante – Die Tauchreaktion

    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

  • Schütte das Eiswasser im Topf oben aus und ersetze es durch erträglicheres kaltes/kühles Wasser.
  • Notieren Sie die Ruheherzfrequenz.
  • Lassen Sie die Versuchsperson den Atem anhalten und ihr Gesicht so lange unter Wasser tauchen, wie es ihr möglich ist.
  • Beobachten Sie die Herzfrequenz. Sinkt sie und steigt sie wieder an, wenn die Versuchsperson den Kopf aus dem Wasser nimmt und wieder zu atmen beginnt?
  • Lassen Sie die Versuchsperson nun einen Schnorchel benutzen.
  • Wiederholen Sie die Versuche, aber lassen Sie die Versuchsperson ihr Gesicht unter Wasser halten, aber durch den Schnorchel atmen.
  • Ändert sich die Herzfrequenz in der gleichen Weise, wie wenn die Versuchsperson den Atem unter Wasser anhält?
  • Messen Sie schließlich die Herzfrequenz und bitten Sie die Versuchsperson einfach, den Atem anzuhalten, anstatt das Gesicht unter Wasser zu tauchen. Sie sollten feststellen, dass die Herzfrequenz sinkt und dann kurz wieder ansteigt, wenn die Person wieder normal atmet. War es mehr oder weniger dramatisch, als wenn das Gesicht unter Wasser getaucht wurde?
  • Anmerkungen

  • Wir danken unserem Kollegen für Bewegungs- und Muskelphysiologie, Associate Professor Brian L. Tracy, der uns dieses Experiment auf der Konferenz der Society for Neuroscience 2016 beschrieben hat.
  • Das Wort „autonom“, was so viel wie unwillkürlich bedeutet, ist mit dem Wort „autonom“, was so viel wie unabhängig bedeutet, verwandt.

    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?

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