Experiment:

Bakgrund

De flesta av våra experiment i mänsklig fysiologi har handlat om det frivilliga nervsystemet (neuromuskulär neurovetenskap) eller perceptionen (sensorisk neurovetenskap), men här kommer vi att tala om den ”ofrivilliga” delen av nervsystemet, det autonoma nervsystemet. Det autonoma nervsystemet kontrollerar saker som vi både är medvetna och omedvetna om men som vi i allmänhet inte har någon större kontroll över – matsmältning, homeostas, svettning, blodtryck, hjärtfrekvens och många andra. Det delas traditionellt in i två system, den sympatiska divisionen (som aktiverar den myntade reaktionen ”slåss eller fly”) och den parasympatiska divisionen (som aktiverar den också myntade reaktionen ”vila och smälta”).

Vi kan studera effekterna av den sympatiska nervaktiveringen genom att mäta hjärtfrekvensen. I vårt tidigare hjärtaxperiment observerade vi hjärtats elektriska impulser och ökningen av hjärtfrekvensen under träning. Låt oss gå lite djupare in i hjärtfrekvensens fysiologi och försöka att specifikt aktivera det sympatiska nervsystemets ”kamp eller flykt”-reaktion. Vad händer vid ”kamp eller flykt”? Som du kan föreställa dig, om du ställs inför ett hot, låt oss säga en stor skugga som rör sig i natten, ökar hjärtfrekvensen, svettningen börjar, andningen ökar, matsmältningen hämmas, ögonen vidgas och många andra saker.

Alternativt aktiverar det parasympatiska systemet ”vila och smälta”-responsen, som utför motsatsen till alla de saker som anges ovan (hjärtfrekvensen sjunker, matsmältningen aktiveras, salivationen ökar etc.). Många av dessa reaktioner i både det sympatiska och det parasympatiska systemet styrs av hormoner, som man kan tänka på som ”neurotransmittorer”, men som kommer in i blodomloppet i stället för i den synaptiska klyftan för att hitta sina mål, och i stället för reaktionstider på 1 ms i hjärnan har hormoner reaktionstider i storleksordningen sekunder till minuter på flera strukturer i kroppen.

Till exempel, när det sympatiska nervsystemet aktiveras, släpper hypofysen, som anatomiskt förgrenar sig från hypotalamus i hjärnan, ut adrenokortikotropt hormon (ACTH) i blodomloppet, vilket ökar kortisolnivåerna, vilket orsakar olika fysiologiska förändringar, bland annat ökad hjärtfrekvens. Samtidigt frigör binjuren, ett neuralt ganglion som ligger på njurarna, noradrenalin och har en liknande effekt på hjärtat.

För att aktivera ditt sympatiska nervsystem kommer vi att använda den berömda stimulansen ”isvatten”. Detta används ofta i smärtstudier eftersom människor kan tolerera det, alla har upplevt kalla händer tidigare, det är inte skrämmande och resulterar inte i psykologiska skador, och är en en bra modell stimulus lätt att replikera i laboratorier runt om i världen. Ju längre du håller handen i isvatten, desto mer smärtsam blir den, vilket aktiverar det sympatiska nervsystemet, vilket leder till en ökning av hjärtfrekvensen.

Nu ska vi se det med egna ögon!

Downloads

Innan du börjar ska du se till att du har Backyard Brains Spike Recorder installerad på din dator. Med programmet Backyard Brains Spike Recorder kan du visualisera och spara data på din dator när du gör experiment. Vi har också byggt en enkel labbhandledning som hjälper dig att tabellera dina data.

Video

Utskriftsmaterial

Om du letar efter en PDF-fil att skriva ut och klottra på, eller ett Google-dokument att redigera, kan du kolla in denna samling av utskriftsmaterial här!

Förfarande

Experiment med hjärtfrekvens och isvatten

Fyll en pastagryta eller en stor hink till 3/4 med is.

Tillsätt kallt vatten. Observera att du gör isvatten, inte vatten med is i. Isvattnet kommer att se till att blandningen alltid är i jämvikt vid 32° F (0° C).

Placera elektrodklistermärken på dina övre underarmar och ett på handryggen.

Anslut de röda krokodilklämmorna på din orangea kabel till elektroderna på dina övre underarmar och jordkrokodilklämman till jordelektroden på handryggen.

Koppla den orange kabeln till din Heart and Brain SpikerShield och anslut Heart and Brain SpikerShield till din dator via USB.

Ställ in din SpikeRecorder-programvara för att börja registrera hjärtfrekvensen. Detta görs genom att du ansluter din Heart and Brain SpikerShield till din dator via USB-porten, slår på brusfiltret för kraftledningsbrus på 60 Hz (USA) eller 50 Hz (Europa, Sydamerika) beroende på vilket land du bor i, och de allmänna bandpassfiltren från 1-100 Hz. Gå in i tröskelläget, klicka på hjärtikonen och flytta tröskeln tills du kan isolera och beräkna hjärtfrekvensen.

Observera att om elektrokardiogrammet ser konstigt ut (upp och ner), byt ut de två röda alligatorklämmorna till motsatta underarmar.

Tryck på inspelningsknappen, skriv ner hjärtfrekvensen för den vän du spelar in från, och sedan…

Be din vän placera sin hand i isvattnet, men låt de övre underarmarna vara exponerade så att elektroderna inte är nedsänkta.

Vänta tills din vän rapporterar att stimulansen blir så smärtsam att han eller hon ”knappt tål den”.

Skriv ner hans eller hennes hjärtfrekvens.

Upprepa ett antal gånger för att få fram ett genomsnitt (se handout).

Om du upprepar tillräckligt många observationer kan du göra statistiska hypotesprövningar. Variant- Dykreaktionen

Medan vi är inställda på det här experimentet undersöker vi också en annan effekt på hjärtfrekvensen, kallad dykreflexen. När ett sällejon eller ett annat havsdäggdjur dyker minskar hjärtfrekvensen och venerna och artärerna i perifera vävnader och lemmar dras ihop. Detta begränsar blodflödet till organ som inte är relaterade till dykningen, minskar hjärtats syreförbrukning och upprätthåller blodflödet till hjärnan.

Men visste du att den här reaktionen finns hos alla däggdjur, även hos dig? När kallt vatten kommer i kontakt med ditt ansikte och du håller andan kan vi se ”dykreflexen” som en minskning av hjärtfrekvensen. Vi kan göra variationer för att separera effekterna av vattenkontakt i ansiktet jämfört med att bara hålla andan.

Experiment med dykreaktion på hjärtfrekvensen

Observera: Instruktörens övervakning rekommenderas när du gör detta experiment i klassrummet

Dumpa isvattnet i grytan ovanför och ersätt det med mer tolerabelt kallt/kylt vatten.

Registrera vilopuls.

Låt försökspersonen hålla andan och sänka ansiktet under vatten så länge som försökspersonen bekvämt kan.

Observera hjärtfrekvensen. Minskar den och ökar den sedan när försökspersonen tar upp huvudet ur badkaret med vatten och börjar andas igen?

Låt nu försökspersonen använda en snorkel.

Upprepa experimenten, men låt försökspersonen hålla ansiktet under vattnet men andas genom snorkeln.

Förändras hjärtfrekvensen på samma sätt som när försökspersonen höll andan under vatten?

Mät slutligen hjärtfrekvensen och be bara försökspersonen hålla andan i stället för att sänka ansiktet under vatten. Du bör märka att hjärtfrekvensen sjunker och sedan kortvarigt stiger igen när den återgår till normal andning. Var det mer eller mindre dramatiskt än när ansiktet var nedsänkt under vatten?

Notiser

Vi tackar vår kollega i tränings- och muskelfysiologi, docent Brian L. Tracy, för att han beskrev det här experimentet för oss under konferensen Society for Neuroscience 2016.

Ordet ”autonomt”, som betyder ofrivilligt, är besläktat med ordet ”autonomt”, som betyder oberoende.

Idéer till vetenskapsmässoprojekt

Eftersom de här experimenten är relativt enkla att göra snabbt kan du snabbt generera en stor datamängd i din familj eller skola. Finns det skillnader mellan idrottare och personer med normal eller låg kondition? Finns det skillnader i ålder, skillnader mellan manliga och kvinnliga elever osv. Glad statistik!

Vi har tidigare studerat effekten av träning på hjärtfrekvensen. Varför skulle eller skulle inte denna stressreaktion som orsakas av is öka hjärtfrekvensen genom andra fysiologiska mekanismer än motion?