Sfondo
La maggior parte dei nostri esperimenti di fisiologia umana hanno riguardato il sistema nervoso volontario (Neuroscienza Neuromuscolare) o la percezione (Neuroscienza Sensoriale); ma qui parleremo della parte “involontaria” del sistema nervoso, il sistema nervoso autonomo. Il sistema nervoso autonomo controlla cose di cui siamo sia consapevoli che inconsapevoli, ma su cui generalmente non abbiamo molto controllo – digestione, omeostasi, sudorazione, pressione sanguigna, frequenza cardiaca e molte altre. È tradizionalmente diviso in due sistemi, la divisione simpatica (che attiva la cosiddetta risposta “combatti o fuggi”) e la divisione parasimpatica (che attiva la risposta “riposa e digerisci”).
Possiamo studiare gli effetti dell’attivazione nervosa simpatica misurando la frequenza cardiaca. Nel nostro precedente esperimento sul cuore abbiamo osservato gli impulsi elettrici del cuore e l’aumento della frequenza cardiaca durante l’esercizio. Andiamo un po’ più a fondo nella fisiologia della frequenza cardiaca e cerchiamo di attivare specificamente la risposta “lotta o fuga” del sistema nervoso simpatico. Cosa succede in “lotta o fuga”? Come potete immaginare, di fronte a una minaccia, per esempio, una grande ombra che si muove nella notte, la frequenza cardiaca aumenta, inizia la sudorazione, la respirazione aumenta, la digestione è inibita, gli occhi si dilatano, e molte altre cose.
In alternativa, il parasimpatico attiva la risposta “riposo e digestione”, che esegue l’opposto di tutte le cose elencate sopra (la frequenza cardiaca diminuisce, la digestione si attiva, la salivazione aumenta, ecc). Molte di queste reazioni sia nel sistema simpatico che parasimpatico sono controllate da ormoni, che può essere utile pensare come “neurotrasmettitori”, ma che entrano nel flusso sanguigno invece della fessura sinaptica per trovare i loro obiettivi, e invece di tempi di risposta di 1 ms nel cervello, gli ormoni hanno tempi di risposta nella scala da secondi a minuti su più strutture nel corpo.
Per esempio, quando il sistema nervoso simpatico è attivato, la ghiandola pituitaria, che anatomicamente si dirama dall’ipotalamo nel cervello, rilascia l’ormone adrenocorticotropo (ACTH) nel sangue, aumenta i livelli di cortisolo, causando vari cambiamenti fisiologici tra cui l’aumento della frequenza cardiaca. Contemporaneamente, la ghiandola surrenale, un ganglio neurale situato sui reni, rilascia norepinefrina e ha un effetto simile sul cuore.
Per attivare il sistema nervoso simpatico, useremo il famoso stimolo “acqua gelata”. Questo è spesso usato negli studi sul dolore perché gli esseri umani possono tollerarlo, tutti hanno già sperimentato le mani fredde, non fa paura e non provoca danni psicologici, ed è un buon modello di stimolo facile da replicare nei laboratori di tutto il mondo. Più a lungo si tiene la mano nell’acqua ghiacciata, più doloroso diventa, attivando il sistema nervoso simpatico, che porterà ad un aumento della frequenza cardiaca.
Ora vediamo noi stessi!
Downloads
Prima di iniziare, assicurati di avere il Backyard Brains Spike Recorder installato sul tuo computer. Il programma Backyard Brains Spike Recorder ti permette di visualizzare e salvare i dati sul tuo computer quando fai esperimenti. Abbiamo anche costruito una semplice dispensa di laboratorio per aiutarti a tabulare i tuoi dati.
Video
Materiale stampato
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Procedura
Esperimento sulla frequenza cardiaca con acqua ghiacciata
Mentre siamo pronti per questo esperimento, esaminiamo anche un altro effetto sulla frequenza cardiaca, chiamato riflesso di immersione. Quando un leone foca o un altro mammifero marino si immerge, la sua frequenza cardiaca diminuisce, e le vene e le arterie dei tessuti periferici e degli arti si contraggono. Questo limita il flusso di sangue agli organi non legati all’immersione, riduce il consumo di ossigeno del cuore e mantiene il flusso di sangue al cervello.
Ma sapevate che questa risposta esiste in tutti i mammiferi, compresi voi? Quando l’acqua fredda viene a contatto con il tuo viso e tu trattieni il respiro, possiamo vedere il “Diving Reflex” come una diminuzione della frequenza cardiaca. Possiamo fare delle variazioni per separare gli effetti del contatto dell’acqua sul viso rispetto al semplice trattenere il respiro.
Esperimento di risposta all’immersione della frequenza cardiaca
Nota: Si consiglia la supervisione dell’istruttore quando si fa questo esperimento in classe
Note
Idee per progetti di fiere della scienza
Poiché questi esperimenti sono relativamente facili da fare rapidamente, è possibile generare rapidamente un grande set di dati nella vostra famiglia o scuola. Ci sono differenze tra atleti e persone con livelli normali o bassi di fitness? Ci sono differenze di età, differenze tra studenti maschi e femmine, ecc. Buona statistica!
Abbiamo precedentemente studiato l’effetto dell’esercizio sulla frequenza cardiaca. Perché questa risposta allo stress causata dal ghiaccio dovrebbe o non dovrebbe aumentare la frequenza cardiaca attraverso meccanismi fisiologici diversi dall’esercizio?