Esperimento: Attiva il tuo Sistema Nervoso Simpatico

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.

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Procedura

Esperimento sulla frequenza cardiaca con acqua ghiacciata

  • Riempi una pentola per la pasta o un grande secchio per 3/4 con ghiaccio.
  • Aggiungi acqua fredda. Nota che stai facendo acqua ghiacciata, non acqua con ghiaccio dentro. L’acqua ghiacciata assicurerà che la miscela sia sempre in equilibrio a 32° F (0° C).
  • Mettete degli elettrodi adesivi sui vostri avambracci superiori e uno sul dorso della mano.
  • Collegate i morsetti a coccodrillo rossi del vostro cavo arancione con gli elettrodi sui vostri avambracci superiori e il morsetto a coccodrillo di terra all’elettrodo di terra sul dorso della mano.
  • Aggancia il cavo arancione al tuo Heart and Brain SpikerShield, e collega Heart and Brain SpikerShield al tuo computer via USB.
  • Imposta il tuo software SpikeRecorder per iniziare a registrare la frequenza cardiaca. Questo viene fatto collegando il tuo Heart and Brain SpikerShield al tuo computer tramite porta USB, attivando il filtro notch del rumore della linea elettrica di 60 Hz (USA) o 50 Hz (Europa, Sud America) a seconda del paese in cui vivi, e i filtri passa banda generali da 1-100 Hz. Andate in modalità soglia, cliccate sull’icona del cuore e spostate la soglia finché potete isolare e calcolare la frequenza cardiaca.
  • Notate che se l’elettrocardiogramma appare strano (sottosopra), scambiate i due morsetti a coccodrillo rossi con gli avambracci opposti.
  • Premi il pulsante di registrazione, scrivi la frequenza cardiaca dell’amico da cui stai registrando, poi…
  • Fai mettere la mano del tuo amico nell’acqua ghiacciata, ma lasciando gli avambracci superiori esposti in modo che gli elettrodi non siano sommersi.
  • Aspetta fino a quando il tuo amico riferisce che lo stimolo diventa abbastanza doloroso che lui o lei può “tollerarlo a malapena”.
  • Scrivi la sua frequenza cardiaca.
  • Ripeti un certo numero di volte per ottenere una media (vedi dispensa).
  • Se ripeti abbastanza osservazioni, puoi fare un test statistico di ipotesi. Variante – La risposta all’immersione

    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

  • Butta via l’acqua ghiacciata nella pentola di sopra e sostituiscila con acqua fredda/fredda più tollerabile.
  • Registra la frequenza cardiaca a riposo.
  • Chiedi al soggetto di trattenere il respiro e di immergere la faccia nell’acqua per tutto il tempo che il soggetto è comodamente in grado di fare.
  • Osserva la frequenza cardiaca. Diminuisce e poi aumenta quando il soggetto toglie la testa dalla vasca d’acqua e ricomincia a respirare?
  • Ora fate usare al soggetto un boccaglio.
  • Ripetete gli esperimenti, ma fate in modo che il soggetto tenga la faccia sotto l’acqua ma respiri attraverso il boccaglio.
  • La frequenza cardiaca cambia nello stesso modo di quando il soggetto trattiene il respiro sott’acqua?
  • Infine, misurate la frequenza cardiaca e chiedete al soggetto di trattenere il respiro invece di immergere la faccia nell’acqua. Si dovrebbe notare la frequenza cardiaca scendere e poi salire brevemente di nuovo al ritorno alla respirazione normale. È stato più o meno drammatico di quando il viso è stato immerso sott’acqua?
  • Note

  • Ringraziamo il nostro collega di fisiologia dell’esercizio e dei muscoli, il professore associato Brian L. Tracy per averci descritto questo esperimento durante la conferenza della Society for Neuroscience 2016.
  • La parola “autonomico”, che significa involontario, è legata alla parola “autonomo”, che significa indipendente.

    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?

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