Koe:

Tausta

Suurin osa ihmisen fysiologian kokeista on käsitellyt tahdonalaista hermostoa (neuromuskulaarinen neurotiede) tai havaitsemista (sensorinen neurotiede), mutta tässä puhumme hermoston ”tahattomasta” osasta, autonomisesta hermostosta. Autonominen hermosto ohjaa asioita, joista olemme sekä tietoisia että tietämättömiä, mutta joita emme yleensä voi juurikaan hallita – ruoansulatusta, homeostaasia, hikoilua, verenpainetta, sydämen sykettä ja monia muita. Se on perinteisesti jaettu kahteen järjestelmään, sympaattiseen osastoon (joka aktivoi keksityn ”taistele tai pakene” -vasteen) ja parasympaattiseen osastoon (joka aktivoi niin ikään keksityn ”lepää ja sulata” -vasteen).

Voimme tutkia sympaattisen hermoston aktivoitumisen vaikutuksia mittaamalla sykettä. Edellisessä sydänkokeessamme havainnoimme sydämen sähköisiä impulsseja ja sykkeen nousua harjoituksen aikana. Mennään hieman syvemmälle sykkeen fysiologiaan ja yritetään erityisesti aktivoida sympaattisen hermoston ”taistele tai pakene” -vaste. Mitä tapahtuu ”taistele tai pakene” -tilanteessa? Kuten voitte kuvitella, jos kohdataan uhka, vaikkapa suuri varjo, joka liikkuu yöllä, syke nousee, hikoilu alkaa, hengitys lisääntyy, ruoansulatus estyy, silmät laajenevat ja monia muita asioita.

Vaihtoehtoisesti parasympaattinen aktivoi ”lepää ja sulata”-vasteen, joka suorittaa kaikkien edellä lueteltujen asioiden vastakohdan (syke laskee, ruoansulatus aktivoituu, syljeneritys lisääntyy jne). Monia näistä reaktioista sekä sympaattisessa että parasympaattisessa järjestelmässä ohjataan hormoneilla, joita voi olla hyödyllistä ajatella ”välittäjäaineina”, mutta jotka kulkeutuvat verenkiertoon synaptisen rakoilun sijasta löytääkseen kohteensa, ja sen sijaan, että vasteaika aivoissa olisi 1 ms, hormoneilla on vasteaikoja sekunneista minuutteihin useissa rakenteissa kehossa.

Esimerkiksi sympaattisen hermoston aktivoituessa aivolisäke, joka anatomisesti haarautuu aivojen hypotalamuksesta, vapauttaa verenkiertoon adrenokortikotrooppista hormonia (ACTH), joka nostaa kortisolitasoja aiheuttaen erilaisia fysiologisia muutoksia, kuten sykkeen nousun. Samanaikaisesti lisämunuainen, joka on munuaisissa sijaitseva hermosolmuke, vapauttaa noradrenaliinia, jolla on samanlainen vaikutus sydämeen.

Sympaattisen hermoston aktivoimiseksi käytämme kuuluisaa ”jäävesi”-ärsykettä. Tätä käytetään usein kipututkimuksissa, koska ihmiset sietävät sitä, kaikki ovat kokeneet kylmät kädet ennenkin, se ei ole pelottava eikä aiheuta psykologista vahinkoa, ja se on hyvä malliärsyke, jota on helppo toistaa laboratorioissa ympäri maailmaa. Mitä kauemmin pidät kättäsi jäävedessä, sitä kivuliaammaksi se muuttuu, jolloin sympaattinen hermosto aktivoituu, mikä johtaa sykkeen nousuun.

Nyt nähdään se itse!

Lataukset

Valmistu ennen aloittamista siitä, että tietokoneellesi on asennettu Backyard Brains Spike Recorder. Backyard Brains Spike Recorder -ohjelman avulla voit visualisoida ja tallentaa tietoja tietokoneellesi, kun teet kokeita. Olemme myös rakentaneet yksinkertaisen laboratoriokäsikirjan, joka auttaa sinua taulukoimaan tietojasi.

Video

Tulostusmateriaalit

Jos etsit PDF-tiedostoa tulostettavaksi ja raapustettavaksi tai Google-dokumenttia muokattavaksi, tutustu tähän tulostusmateriaalien arkistoon täällä!

Menetelmä

Sydämen syke Jäävesikokeilu

Täytä pastaruukku tai iso ämpäri 3/4 täyteen jäitä.

Lisää kylmää vettä. Huomaa, että teet jäävettä, et vettä, jossa on jäätä. Jäävesi varmistaa, että seos on aina tasapainossa 32° F:n (0° C) lämpötilassa.

Aseta elektrodilaastaritarrat kyynärvarsien yläosiin ja yksi kämmenselkään.

Yhdistä oranssin kaapelin punaiset alligaattoriliittimet kyynärvarsien yläosissa oleviin elektrodeihin ja maadoitusklipsin alligaattoriliitin kämmenselässä olevaan maadoituselektrodiin.

Kytke oranssi kaapeli Heart and Brain SpikerShieldiin ja liitä Heart and Brain SpikerShield tietokoneeseen USB:n kautta.

Aseta SpikeRecorder-ohjelmisto aloittamaan sykkeen tallennus. Tämä tapahtuu liittämällä Heart and Brain SpikerShield -laite tietokoneeseen USB-portin kautta, kytkemällä päälle 60 Hz:n (USA) tai 50 Hz:n (Eurooppa, Etelä-Amerikka) verkkojohtokohinan lovisuodatin asuinmaastasi riippuen sekä yleiset kaistanpäästösuodattimet 1-100 Hz:n välillä. Siirry kynnysarvotilaan, napsauta sydänkuvaketta ja siirrä kynnysarvoa, kunnes voit eristää ja laskea sykkeen.

Huomaa, jos EKG näyttää oudolta (ylösalaisin), vaihda kaksi punaista alligaattoriliitintä vastakkaisiin kyynärvarsiin.

Paina nauhoituspainiketta, kirjoita ylös nauhoittamasi ystäväsi syke ja sitten…

Pyydä ystävääsi laittamaan kätensä jääveteen, jättäen kuitenkin ylemmät kyynärvarret paljaiksi niin, että elektrodit eivät uppoa.

Odota, kunnes ystäväsi ilmoittaa, että ärsykkeestä tulee niin kivulias, että hän ”hädin tuskin sietää sitä.”

Kirjoita ylös hänen sykkeensä.

Toista useita kertoja saadaksesi keskiarvon (ks. käsikirja).

Jos toistat tarpeeksi monta havaintoa, voit tehdä tilastollisen hypoteesin testauksen. Variantti- Sukellusreaktio

Kun olemme valmistautuneet tähän kokeeseen, tutkimme myös toista vaikutusta sykkeeseen, jota kutsutaan sukellusrefleksiksi. Kun hylkeenleijona tai muu merinisäkäs sukeltaa, sen syke laskee ja perifeeristen kudosten ja raajojen suonet ja valtimot supistuvat. Tämä rajoittaa verenkiertoa elimiin, jotka eivät liity sukellukseen, vähentää sydämen hapenkulutusta ja ylläpitää verenkiertoa aivoihin.

Mutta tiesitkö, että tämä reaktio esiintyy kaikilla nisäkkäillä, myös sinulla? Kun kylmä vesi koskettaa kasvojasi ja pidätät hengitystäsi, voimme nähdä ”sukellusrefleksin” sykkeen laskuna. Voimme tehdä muunnelmia erottaaksemme toisistaan veden kosketuksen vaikutukset kasvoihin verrattuna pelkkään hengityksen pidättämiseen.

Sykkeen sukellusreaktiokokeilu

Huomaa: Ohjaajan valvonta on suositeltavaa, kun teet tämän kokeen luokkahuoneessa

Tyhjennä yllä olevassa kattilassa oleva jäävesi ja vaihda se siedettävämpään kylmään/viileään veteen.

Kirjaa leposyke.

Pyydä koehenkilöä pidättämään hengitystään ja upottamaan kasvonsa veden alle niin pitkäksi aikaa kuin koehenkilö pystyy mukavasti.

Tarkkaile sykettä. Laskeeko se ja nouseeko se sitten, kun koehenkilö ottaa päänsä pois vesialtaasta ja alkaa taas hengittää?

Pyydä nyt koehenkilöä käyttämään snorkkelia.

Toista kokeet, mutta pyydä koehenkilöä pitämään kasvonsa veden alla, mutta hengittämään snorkkelin läpi.

Muuttuuko syke samalla tavalla kuin silloin, kun koehenkilö pidätteli hengitystään veden alla?

Mittaa lopuksi syke ja pyydä koehenkilöä vain pidättelemään hengitystään sen sijaan, että hän upottaisi kasvonsa veden alle. Sinun pitäisi huomata sykkeen laskevan ja sitten lyhyesti nousevan uudelleen palatessasi normaaliin hengitykseen. Oliko se enemmän vai vähemmän dramaattista kuin silloin, kun kasvot upotettiin veden alle?

Huomautukset

Kiitämme liikunta- ja lihasfysiologian kollegaamme, apulaisprofessori Brian L. Tracya siitä, että hän kuvaili meille tämän kokeen Society for Neuroscience 2016 -konferenssin aikana.

Sana ”autonominen”, joka tarkoittaa tahatonta, on sukua sanalle ”autonominen”, joka tarkoittaa itsenäistä.

Tiedemessuprojekti-ideoita

Koska nämä kokeet on suhteellisen helppo tehdä nopeasti, voitte luoda nopeasti suuren aineiston perheessänne tai koulussanne. Onko urheilijoiden ja normaalikuntoisten tai heikkokuntoisten ihmisten välillä eroja? Onko ikään liittyviä eroja, mies- ja naisopiskelijoiden välisiä eroja jne. Hyvää tilastointia!

Tutkimme aiemmin liikunnan vaikutusta sykkeeseen. Miksi tämä jään aiheuttama stressireaktio nostaisi tai ei nostaisi sykettä eri fysiologisten mekanismien kautta kuin liikunta?