Experiment: Activeer uw Sympatisch Zenuwstelsel

Achtergrond

De meeste van onze menselijke fysiologie-experimenten hebben betrekking gehad op het vrijwillige zenuwstelsel (Neuromusculaire Neurowetenschappen) of de waarneming (Zintuiglijke Neurowetenschappen); maar hier zullen we het hebben over het “onwillekeurige” deel van het zenuwstelsel, het autonome zenuwstelsel. Het autonome zenuwstelsel controleert dingen waar we ons wel of niet bewust van zijn, maar waar we over het algemeen niet veel controle over hebben – spijsvertering, homeostase, zweten, bloeddruk, hartslag, en vele andere. Het is traditioneel verdeeld in twee systemen, de sympatische divisie (die de zogenaamde “vecht of vlucht” reactie activeert) en de parasympathische divisie (die de eveneens zogenaamde “rust en spijsvertering” reactie activeert).

We kunnen de effecten van de sympatische zenuwactivering bestuderen door het meten van de hartslag. In ons vorige hartexperiment hebben we de elektrische impulsen van het hart en de toename van de hartslag tijdens inspanning geobserveerd. Laten we wat dieper ingaan op de fysiologie van de hartslag en proberen om specifiek de “vecht of vlucht” reactie van het sympathisch zenuwstelsel te activeren. Wat gebeurt er bij “vechten of vluchten?” Zoals je je kunt voorstellen, als je geconfronteerd wordt met een bedreiging, zeg, een grote schaduw die beweegt in de nacht, neemt de hartslag toe, begint te zweten, neemt de ademhaling toe, wordt de spijsvertering geremd, verwijden de ogen zich, en vele andere dingen.

Aternatief activeert de parasympathicus de “rust en spijsvertering” reactie, die het tegenovergestelde doet van alle dingen die hierboven zijn opgesomd (hartslag daalt, spijsvertering wordt geactiveerd, speeksel neemt toe, enz). Veel van deze reacties in zowel het sympathische als het parasympathische systeem worden gestuurd door hormonen, die je kunt beschouwen als “neurotransmitters”, maar die de bloedbaan ingaan in plaats van de synaptische spleet om hun doelen te vinden, en in plaats van reactietijden van 1 ms in de hersenen, hebben hormonen reactietijden in de orde van seconden tot minuten op meerdere structuren in het lichaam.

Bij voorbeeld, wanneer het sympathische zenuwstelsel wordt geactiveerd, geeft de hypofyse, die anatomisch gezien een aftakking is van de hypothalamus in de hersenen, het adrenocorticotroop hormoon (ACTH) af in de bloedbaan, waardoor het cortisolgehalte stijgt, hetgeen diverse fysiologische veranderingen teweegbrengt, waaronder een verhoging van de hartslag. Tegelijkertijd geeft de bijnier, een neuraal ganglion dat zich op de nieren bevindt, noradrenaline af en heeft een vergelijkbaar effect op het hart.

Om uw sympathische zenuwstelsel te activeren, zullen we de beroemde “ijswater”-stimulus gebruiken. Dit wordt vaak gebruikt in pijnstudies omdat mensen het kunnen verdragen, iedereen wel eens koude handen heeft gehad, het niet eng is en niet tot psychische schade leidt, en het een goede modelstimulus is die gemakkelijk is na te bootsen in laboratoria over de hele wereld. Hoe langer je je hand in ijswater houdt, hoe pijnlijker het wordt, waardoor je sympathische zenuwstelsel wordt geactiveerd, wat zal leiden tot een verhoging van de hartslag.

Laten we het nu zelf eens zien!

Downloads

Voordat je begint, zorg ervoor dat je de Backyard Brains Spike Recorder op je computer hebt geïnstalleerd. Met het Backyard Brains Spike Recorder programma kunt u de gegevens visualiseren en opslaan op uw computer wanneer u experimenten uitvoert. We hebben ook een eenvoudige lab-hand-out gemaakt om je te helpen bij het tabelleren van je gegevens.

Video

Printmateriaal

Als je op zoek bent naar een PDF om af te drukken en op te krabbelen, of een google doc om te bewerken, bekijk dan hier deze opslagplaats van printmateriaal!

Procedure

Hartslag ijswater-experiment

Vul een pastapot of grote emmer voor 3/4 met ijs.

Voeg koud water toe. Let op dat je ijswater maakt, geen water met ijs erin. Het ijswater zal ervoor zorgen dat het mengsel altijd in evenwicht is bij 32° F (0° C).

Plaats elektrodenstickers op uw bovenarmen, en een op de rug van uw hand.

Verbind de rode krokodillenklemmen van uw oranje kabel met de elektroden op uw bovenarmen, en de aarde krokodillenklem met de aardelektrode op de rug van uw hand.

Sluit de oranje kabel aan op uw Heart and Brain SpikerShield, en sluit de Heart and Brain SpikerShield aan op uw computer via USB.

Stel uw SpikeRecorder software in om te beginnen met het opnemen van de hartslag. Dit doet u door uw Heart and Brain SpikerShield via de USB-poort aan te sluiten op uw computer, en het ruisfilter van de elektriciteitsleiding van 60 Hz (VS) of 50 Hz (Europa, Zuid-Amerika) in te schakelen, afhankelijk van het land waar u woont, en de algemene banddoorlaatfilters van 1-100 Hz. Ga naar de drempelwaarde-modus, klik op het hart-pictogram, en verplaats de drempelwaarde totdat u de hartslag kunt isoleren en berekenen.

Opmerking: als het elektrocardiogram er vreemd uitziet (ondersteboven), verwissel dan de twee rode krokodillenklemmen op tegenover elkaar liggende onderarmen.

Druk op de opnameknop, noteer de hartslag van de vriend van wie u opneemt, en dan…

Laat uw vriend zijn hand in het ijswater leggen, maar laat de bovenarmen bloot, zodat de elektroden niet onder water komen.

Wacht tot uw vriend meldt dat de stimulus pijnlijk genoeg wordt dat hij of zij het “nauwelijks kan verdragen.”

Noteer hun hartslag.

Herhaal dit een aantal keren om een gemiddelde te krijgen (zie hand-out).

Als u genoeg waarnemingen herhaalt, kunt u statistische hypothesetests doen. Variant- De duikreflex

Terwijl we dit experiment opzetten, onderzoeken we ook een ander effect op de hartslag, de duikreflex genoemd. Wanneer een zeeleeuw of ander zeezoogdier duikt, daalt zijn hartslag en trekken de aders en slagaders in perifere weefsels en ledematen samen. Dit beperkt de bloedtoevoer naar organen die geen verband houden met de duik, vermindert het zuurstofverbruik van het hart, en houdt de bloedtoevoer naar de hersenen in stand.

Maar wist u dat deze reactie bij alle zoogdieren bestaat, ook bij u? Wanneer koud water je gezicht raakt en je je adem inhoudt, kunnen we de “Duikreflex” zien als een daling van de hartslag. We kunnen variaties uitvoeren om de effecten van watercontact op het gezicht te onderscheiden van het simpelweg inhouden van je adem.

Experiment met hartslagduikreactie

Opmerking: het is raadzaam dat de instructeur toezicht houdt als je dit experiment in de klas uitvoert

Gooi het ijswater in de pot hierboven weg en vervang het door meer verdraaglijk koud water.

Noteer de hartslag in rust.

Laat de proefpersoon zijn adem inhouden en zijn gezicht zo lang onder water dompelen als hij gemakkelijk kan.

Observeer de hartslag. Neemt deze af en neemt deze toe wanneer de proefpersoon zijn/haar hoofd uit het bad water haalt en weer gaat ademen?

Laat de proefpersoon nu een snorkel gebruiken.

Herhaal de experimenten, maar laat de proefpersoon zijn/haar gezicht onder water houden, maar door de snorkel ademen.

Verandert de hartslag op dezelfde manier als wanneer de proefpersoon zijn/haar adem onder water inhield?

Meet tenslotte de hartslag, en vraag de proefpersoon alleen zijn/haar adem in te houden in plaats van zijn/haar gezicht onder water te houden. U moet zien dat de hartslag daalt en weer even stijgt bij terugkeer naar de normale ademhaling. Was het meer of minder dramatisch dan wanneer het gezicht onder water werd ondergedompeld?

Noten

We danken onze collega voor inspannings- en spierfysiologie, Associate Professor Brian L. Tracy voor het beschrijven van dit experiment aan ons tijdens de Society for Neuroscience 2016-conferentie.

Het woord “autonoom,” wat onwillekeurig betekent, is gerelateerd aan het woord “autonoom,” wat onafhankelijk betekent.

Science Fair Project Ideeën

Omdat deze experimenten relatief eenvoudig zijn om snel te doen, kunt u snel een grote dataset genereren in uw gezin of school. Zijn er verschillen tussen atleten en mensen met een normale of lage fitheid? Zijn er verschillen in leeftijd, verschillen tussen mannelijke en vrouwelijke studenten, enz. Gelukkige statistiek!

We hebben eerder het effect van inspanning op de hartslag bestudeerd. Waarom zou deze door ijs veroorzaakte stressreactie de hartslag wel of niet verhogen door andere fysiologische mechanismen dan lichaamsbeweging?