实验三　刺激强度和刺激频率与骨骼肌收缩的关系

实验目的

观察　刺激强度与骨骼肌收缩之间的关系，刺激频率与骨骼肌收缩反应形式之间的关系。

实验原理

刺激引起组织兴奋必须具备3个条件，即刺激的强度、刺激的持续时间和强度-时间变化率。本实验是观察刺激强度和刺激频率与骨骼肌兴奋收缩的关系。兴奋性是指细胞在受刺激时产生动作电位的能力。肌肉组织具有兴奋性，受到刺激后会产生动作电位，发生反应，表现为肌肉收缩。引起组织发生反应的刺激应是适宜的有效刺激。刚能引起收缩反应的最小刺激强度称为阈强度，该刺激为阈刺激。就单条骨骼肌纤维而言，它对刺激的反应具有“全或无”的性质，而蟾蜍或蛙的腓肠肌内含有许多条骨骼肌纤维，它们的兴奋性不同，因而所需的阈刺激强度也不同。

如果刺激强度低于任何肌纤维的阈强度则没有动作电位产生，无收缩反应；当刺激强度增加到能引起少数肌纤维兴奋时，可产生较小的复合动作电位，记录到较低的肌肉收缩波形；继续增加刺激强度，兴奋的纤维数量增多；当刺激强度增加到使全部肌纤维兴奋时，复合动作电位幅度达到最大，肌肉收缩幅度亦达到最大；再增加刺激强度时，复合动作电位的幅度和肌肉收缩幅度都不会再增加。由此可见，整块肌肉对刺激的反应不表现出“全或无”，而是呈现出在一定范围内其收缩力与刺激强度成正比的关系，即随着阈上强度的不断增加，骨骼肌的收缩反应相应加大，直至出现最大反应。此时的最小刺激强度称为最适强度，该刺激为最适刺激。

在一定的刺激强度下，不同的刺激频率可使肌肉出现不同的收缩形式。如果刺激的间隔时间大于肌肉收缩的收缩期与舒张期之和时，刺激引起肌肉出现一连串的单收缩；随着刺激频率增加，刺激间隔时间缩短，如果刺激的间隔时间大于收缩期，但小于收缩期与舒张期之和时，则后一刺激引起的肌肉收缩落在前一刺激引起收缩过程的舒张期内，即出现锯齿状的不完全性强直收缩波；如果刺激的间隔时间小于收缩期，则后一刺激引起的肌肉收缩在前一刺激引起肌肉收缩的缩短期内，各次收缩可以融合而叠加，锯齿波消失，出现完全强直收缩。

实验对象

蟾蜍或蛙。

实验器材和药品

BL-420生物功能实验系统，蛙类手术器械1套，保护电极，肌肉张力换能器，铁支架，双凹夹，林格液等。

实验步骤

本实验有两种方法：

1.在体记录坐骨神经-腓肠肌实验的方法

（1）破坏脑和脊髓：取蟾蜍（或蛙）1只，用自来水冲洗干净后用纱布包裹全身，仅露头部。以左手环指和小指夹住蟾蜍的后肢，中指抵住蟾蜍的前肢，拇指抵住背，食指抵住头并使其向下弯曲。右手持刺蛙探针从枕骨大孔垂直刺入，向前刺入颅腔，左右搅动捣毁脑组织。然后将刺蛙针退至皮下，倒转针尖向下刺入椎管，捣毁脊髓，直到蟾蜍四肢松软即可。

（2）清洗蟾蜍和实验者双手，将蟾蜍俯卧，四肢固定在蛙板上。在一大腿背侧稍内纵向剪开皮肤约1.0cm，用玻璃分针沿坐骨神经沟分离出坐骨神经后，穿一条线备用（已用林格液浸湿的长约3.0cm的手术线）。同侧小腿腓肠肌跟腱处环行剪开皮肤约0.5cm，稍微游离跟腱并扎一长约10cm的手术线后，在结扎线下方沿足掌处离断跟腱。

（3）将肌张力换能器用双凹夹固定在铁支架底部，将结扎于跟腱的手术线水平连接于肌张力换能器上，轻移蛙板，使线有一定张力。将肌张力换能器与计算机的输入通道连接。用玻璃分针轻轻提起坐骨神经，置于保护电极上；保护电极固定在铁支架上，并与计算机程控刺激输出连接。

2.离体坐骨神经-腓肠肌标本制备的方法（见实验二）

仪器的安装和连接

分别将张力换能器、肌槽和刺激电极固定于铁支架上。将坐骨神经-腓肠肌标本的股骨固定于肌槽上，坐骨神经搭在刺激电极上，跟腱通过丝线缚于张力换能器上，使肌肉处于自然拉长状态（连接方法见图3-1）。连接并调试BL-420生物功能实验系统。

观察项目

1.刺激强度和肌肉收缩的关系　打开计算机进入BL-420生物功能实验系统，在菜单栏找到“实验项目”菜单项，当选中“肌肉神经实验”时，则会向右弹出具体实验的子菜单。选定“刺激强度与反应的关系”项，如图3-2a所示。根据实验需要选择参数如图3-2b所示。实验方式最好选择程控（非程控时，每一次刺激都要重新设置刺激强度，然后按启动刺激后才有刺激输出）。刺激方式为单刺激。

观察屏幕信息显示：用弱刺激开始，肌肉无收缩反应，随着刺激强度的加大，当刺激电压刚好能使肌肉收缩时，屏幕开始出现微弱的收缩波形，此时对应的电压强度值即为阈强度或阈值。此前未产生收缩波的刺激电压为阈下刺激。继续增加刺激强度，肌肉收缩幅度随之加大，直至观察到3个以上收缩幅度不再随刺激强度发生改变的波形时，则第一个波形对应的电压值即为最大刺激强度，此刺激即为最大刺激。可根据结果调节填入程控刺激器的参数（主要是起始刺激强度、刺激强度增量的设置），以期把图形做得满意。实验结果如图3-2c所示。

2.刺激频率与骨骼肌收缩反应　实验装置和系统连接如图3-3所示。

肌肉的单收缩和强直收缩：在“实验项目”菜单中选定“刺激频率与反应的关系”项，出现对话框后选择现代或经典实验，填入合适的数据后便进入实验的监视。经典实验是指以对话框中设置的刺激强度、频率进行刺激，只画出三组图形；现代实验是指刺激强度不变，每次刺激频率递增量按设置的量一次次递加，画出许多组图形。刺激方式为连续刺激。

观察生物信号显示：选择的实验类型不同（经典实验或现代实验），将记录出不同形式的实验结果。可根据图形调节填入对话框的数据。经典实验主要是调节三种收缩的刺激频率（Hz）和刺激强度（V），现代实验主要是刺激强度、刺激频率增量，即频率阶梯的设置。

实验步骤

（1）选择“实验项目”→“肌肉神经实验”→“刺激频率与反应的关系”实验模块，此时将弹出“设置刺激频率与反应关系实验参数”对话框，选择相应参数如图3-4所示，单击“经典实验”按钮开始实验。

（2）刺激强度和频率视标本而定，一般可选用2.0V的刺激强度，频率为1Hz、6Hz、20Hz三种。

（3）如果选择“经典实验”按钮，则BL-420生物功能实验系统将自动产生1Hz、6Hz、20Hz的串刺激（也可以在对话框中自行设置这三种串刺激的刺激频率），引起肌肉的单收缩、不完全强直收缩和完全强直收缩。实验图形就会比较理想，即记录出几个单收缩曲线和一段不完全强直收缩及完全强直收缩曲线（图3-5）。

（4）如果选择“现代实验”，则BL-420生物功能实验系统将产生刺激频率不断增长的串刺激。

（5）单击工具条上的“停止”实验按钮（）停止实验。

注意事项

（1）随时用任氏液湿润标本，以保持其良好的兴奋性，避免用手指和金属器械接触和夹持标本。

（2）随时注意刺激电极与神经的良好接触，尤其是在实验时要防止只有一根电极接触的情况。

（3）可以自行调节串刺激的刺激频率，如果强直收缩的张力较大，需要降低放大倍数。

（4）单刺激或连续刺激后，让肌肉短暂休息，以免神经肌肉疲劳。每次连续刺激一般不要超过3～4s，以防神经-肌肉标本疲劳。每一段刺激后应有一定的休息时间。

（5）可以刺激坐骨神经引起腓肠肌收缩，也可以直接刺激腓肠肌而使它产生收缩，不过，直接刺激肌肉需要更大的刺激强度。

思考题

（1）从刺激神经开始，到肌肉出现收缩为止，标本发生了哪些生理变化？

（2）记录肌肉的强直收缩时，若同时记录肌肉的动作电位，其是否也会融合？