Experiment: Activați-vă sistemul nervos simpatic

Antecedent

Majoritatea experimentelor noastre de fiziologie umană s-au ocupat de sistemul nervos voluntar (Neuroștiința neuromusculară) sau de percepție (Neuroștiința senzorială); dar aici vom vorbi despre partea „involuntară” a sistemului nervos, sistemul nervos autonom. Sistemul nervos autonom controlează lucruri de care suntem atât conștienți, cât și inconștienți, dar asupra cărora, în general, nu avem prea mult control – digestia, homeostazia, transpirația, tensiunea arterială, ritmul cardiac și multe altele. Acesta este împărțit în mod tradițional în două sisteme, diviziunea simpatică (care activează răspunsul inventat „luptă sau fugi”) și diviziunea parasimpatică (care activează răspunsul, de asemenea inventat, „odihnește-te și digeră”).

Putem studia efectele activării sistemului nervos simpatic prin măsurarea ritmului cardiac. În experimentul nostru cardiac anterior am observat impulsurile electrice ale inimii și creșterea frecvenței cardiace în timpul exercițiilor fizice. Haideți să aprofundăm puțin mai mult fiziologia ritmului cardiac și să încercăm să activăm în mod specific răspunsul „luptă sau fugi” al sistemului nervos simpatic. Ce se întâmplă în „luptă sau fugi”? După cum vă puteți imagina, dacă vă confruntați cu o amenințare, să spunem, o umbră mare care se mișcă în noapte, ritmul cardiac crește, începe transpirația, respirația crește, digestia este inhibată, ochii se dilată și multe alte lucruri.

Alternativ, parasimpaticul activează răspunsul de „odihnă și digerare”, care realizează opusul tuturor lucrurilor enumerate mai sus (ritmul cardiac scade, digestia se activează, salivația crește etc.). Multe dintre aceste reacții, atât în sistemul simpatic, cât și în cel parasimpatic, sunt controlate de hormoni, la care poate fi util să ne gândim ca la niște „neurotransmițători”, dar care intră în fluxul sanguin în loc să intre în fanta sinaptică pentru a-și găsi țintele și, în loc să aibă timpi de răspuns de 1 ms în creier, hormonii au timpi de răspuns la scară de secunde până la minute asupra mai multor structuri din organism.

De exemplu, atunci când sistemul nervos simpatic este activat, glanda pituitară, care, din punct de vedere anatomic, se ramifică din hipotalamusul din creier, eliberează hormonul Adrenocorticotropic (ACTH) în fluxul sanguin, crește nivelul de cortizol, provocând diverse modificări fiziologice, inclusiv creșterea ritmului cardiac. În același timp, glanda suprarenală, un ganglion neuronal situat pe rinichi, eliberează norepinefrină și are un efect similar asupra inimii.

Pentru a activa sistemul nervos simpatic, vom folosi celebrul stimul „apă cu gheață”. Acesta este adesea folosit în studiile privind durerea, deoarece oamenii îl pot tolera, toată lumea a experimentat mâinile reci înainte, nu este înspăimântător și nu are ca rezultat daune psihologice și este un stimulent model bun, ușor de reprodus în laboratoarele din întreaga lume. Cu cât vă țineți mai mult timp mâna în apă cu gheață, cu atât devine mai dureroasă, activând sistemul nervos simpatic, ceea ce va duce la o creștere a ritmului cardiac.

Acum să vedem cu ochii noștri!

Descărcări

Înainte de a începe, asigurați-vă că aveți Backyard Brains Spike Recorder instalat pe computerul dumneavoastră. Programul Backyard Brains Spike Recorder vă permite să vizualizați și să salvați datele pe computer atunci când faceți experimente. Am construit, de asemenea, un manual de laborator simplu pentru a vă ajuta să vă tabulați datele.

Video

Materiale tipărite

Dacă sunteți în căutarea unui PDF pe care să îl tipăriți și să îl mâzgăliți sau a unui google doc pe care să îl editați, verificați acest depozit de resurse tipărite aici!

Procedură

Heart Rate Ice Water Experiment

Umpleți o oală de paste sau o găleată mare cu gheață până la 3/4 cu gheață.

Adăugați apă rece. Rețineți că faceți apă cu gheață, nu apă cu gheață în ea. Apa cu gheață va asigura că amestecul este întotdeauna în echilibru la 32° F (0° C).

Așezați autocolante cu electrozi pe partea superioară a antebrațelor și unul pe dosul mâinii.

Conectați clemele crocodil roșii ale cablului portocaliu cu electrozii de pe partea superioară a antebrațelor, iar clema crocodil de masă la electrodul de masă de pe dosul mâinii.

Conectați cablul portocaliu la Heart and Brain SpikerShield și conectați Heart and Brain SpikerShield la computerul dumneavoastră prin USB.

Configurați software-ul SpikeRecorder pentru a începe înregistrarea ritmului cardiac. Acest lucru se face prin conectarea Heart and Brain SpikerShield la computer prin portul USB, activarea filtrului de reducere a zgomotului liniei electrice de 60 Hz (SUA) sau 50 Hz (Europa, America de Sud), în funcție de țara în care locuiți, și a filtrelor generale trece-banda de la 1-100 Hz. Treceți în modul prag, faceți clic pe pictograma inimii și deplasați pragul până când puteți izola și calcula ritmul cardiac.

Notă: dacă electrocardiograma apare ciudat (cu susul în jos), schimbați cele două cleme crocodiliene roșii pe antebrațe opuse.

Apăsați butonul de înregistrare, notați ritmul cardiac al prietenului de la care înregistrați, apoi…

Puneți-l pe prietenul dvs. să introducă mâna în apa cu gheață, dar lăsând expusă partea superioară a antebrațelor, astfel încât electrozii să nu fie scufundați.

Așteptați până când prietenul dvs. raportează că stimulul devine suficient de dureros încât „abia îl mai poate tolera.”

Notați-i ritmul cardiac.

Repetați de mai multe ori pentru a obține o medie (vezi foaia de hârtie).

Dacă repetați suficiente observații, puteți face teste statistice de ipoteză. Varianta- Răspunsul de scufundare

În timp ce suntem pregătiți pentru acest experiment, examinăm, de asemenea, un alt efect asupra ritmului cardiac, numit reflexul de scufundare. Atunci când un leu de focă sau un alt mamifer marin se scufundă, ritmul cardiac scade, iar venele și arterele din țesuturile și membrele periferice se contractă. Acest lucru limitează fluxul sanguin către organele care nu au legătură cu scufundarea, reduce consumul de oxigen al inimii și menține fluxul sanguin către creier.

Dar știați că acest răspuns există la toate mamiferele, inclusiv la dumneavoastră? Atunci când apa rece intră în contact cu fața ta și îți ții respirația, putem observa „Reflexul de scufundare” ca o scădere a ritmului cardiac. Putem face variații pentru a separa efectele contactului apei cu fața față față de simpla reținere a respirației.

Experiment privind răspunsul de scufundare a ritmului cardiac

Notă: Se recomandă supravegherea instructorului atunci când se face acest experiment în sala de clasă

Aruncați apa cu gheață din vasul de mai sus și înlocuiți-o cu apă rece/răcoroasă mai tolerabilă.

Înregistrați ritmul cardiac în repaus.

Puneți subiectul să își țină respirația și să își scufunde fața sub apă atât timp cât subiectul poate să o facă în mod confortabil.

Observați ritmul cardiac. Scade și apoi crește atunci când subiectul își scoate capul din cada cu apă și începe să respire din nou?

Acum puneți subiectul să folosească un tub de respirație.

Repetați experimentele, dar puneți subiectul să își țină fața sub apă, dar să respire prin tubul de respirație.

Se modifică ritmul cardiac în același mod ca atunci când subiectul își ținea respirația sub apă?

În cele din urmă, măsurați ritmul cardiac și cereți doar subiectului să își țină respirația în loc să își scufunde fața sub apă. Ar trebui să observați că ritmul cardiac scade și apoi crește din nou pentru scurt timp la revenirea la respirația normală. A fost mai mult sau mai puțin dramatic decât atunci când fața a fost scufundată sub apă?

Note

Îi mulțumim colegului nostru de exercițiu și fiziologie musculară, profesorul asociat Brian L. Tracy, pentru că ne-a descris acest experiment în timpul conferinței Society for Neuroscience 2016.

Cuvântul „autonom”, care înseamnă involuntar, este înrudit cu cuvântul „autonom”, care înseamnă independent.

Science Fair Project Ideas

Deoarece aceste experimente sunt relativ ușor de realizat rapid, puteți genera rapid un set mare de date în familia sau școala dumneavoastră. Există diferențe între sportivi și persoanele cu un nivel normal sau scăzut de fitness? Există diferențe în funcție de vârstă, diferențe între elevii de sex masculin și feminin, etc. Statistici fericite!

Am studiat anterior efectul exercițiilor fizice asupra ritmului cardiac. De ce acest răspuns la stres cauzat de gheață ar crește sau nu ritmul cardiac prin mecanisme fiziologice diferite de cele ale exercițiului fizic?

.