16926

БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ. ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ НЕРВА

Лекция

Биология и генетика

Тема. БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ. ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ НЕРВА. Вопросы теоретической подготовки: Строение нерва и нервных волокон. Потенциал действия. Динамика изменения ионной проницаемости. Критический уровень деполяризации. Причины абсолютной и относи...

Русский

2013-06-28

64.5 KB

16 чел.

Тема. БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ. ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ НЕРВА.

Вопросы теоретической подготовки:

  1.  Строение нерва и нервных волокон.

Потенциал действия. Динамика изменения ионной проницаемости. Критический уровень деполяризации. Причины абсолютной и относительной рефрактерности.

Зависимость пороговой силы раздражения от его длительности.

Проведение нервного импульса по миелиновому и безмиелиновому волокну.

Задача: Регистрация потенциала действия седалищного нерва лягушки .

Цель задачи: Зарегистрировать двухфазный и монофазный потенциал действия. Исследовать зависимость амплитуды потенциала действия от силы раздражающего стимула. Определить зависимость порога раздражения нерва от длительности стимула. Измерить продолжительность периодов абсолютной и относительной рефрактерности для нерва.

Методика

Работа проводится на седалищном нерве лягушки, выделенном от позвоночника до коленного сустава. За лигатуру и часть позвоночника нерв переносят в специальную камеру с электродами. Первая пара электродов служит для нанесения раздражения - она соединена через изолирующий трансформатор с электростимулятором. Вторая пара электродов служит для внеклеточной регистрации ПД и соединена со входом осциллографа. Между этими парами электродов располагается электрод или пластинка заземления.

Ход работы

А. Регистрация двухфазного и монофазного ПД седалищного нерва лягушки

1. Приготовить препарат, поместить нерв в камеру на электроды таким образом, чтобы его часть, содержащая больше волокон (около позвоночника), лежала на раздражающих электродах. На участок нерва, расположенный на заземляющем электроде, поместить маленький тампон, смоченный раствором Рингера. Дно камеры должно оставаться сухим, чтобы избежать закорачивания электродов. Камеру плотно закрывают крышкой, смазанной для герметичности вазелином.

2. Установить на стимуляторе частоту раздражения 30-40 Гц, длительность стимула 0,5 мсек. Меняя амплитуду стимула и глядя на экран осциллографа, доводят амплитуду ПД до максимальной, когда возбуждены все нервные волокна и дальнейшее увеличение амплитуды раздражения не приводит к росту амплитуды ПД нерва.

Так как в задаче используется метод регистрации ПД с помощью двух внеклеточных электродов, на экране осциллографа виден так называемый двухфазный ПД. Причину этого легко понять, если проследить динамику движения волны раздражения (участка нерва с измененным в результате генерации ПД потенциалом мембраны) от раздражающих электродов к регистрирующим. Сначала эта волна возбуждения достигнет первого регистрирующего электрода - при этом осциллограф зарегистрирует разность потенциалов между возбужденным участком под первым электродом и еще невозбужденным учаcтком под вторым, луч на экране отклонится вверх. В следующий момент волна возбуждения достигнет и второго электрода, осциллограф зарегистрирует отсутствие разности потенциалов между двумя возбужденными участками, луч его вернется к нулевому уровню. Тот момент, когда возбуждение под первым участком уже завершилось, а под вторым еще сохранилось, регистрируется осциллографом в виде отклонения луча вниз (разность потенциалов с противоположным знаком). После того, как процессы возбуждения завершатся под обоими регистрирующими электродами, луч осциллографа вернется к нулю. Зарисовать с экрана осциллографа полученный двухфазный ПД, определить его амплитуду и длительность.

3. Повредить нерв под вторым (более удаленным от раздражающих) регистрирующим электродом, сжав его пинцетом или наложив ватку, смоченную изотоническим раствором КС1 (держать не меньше 15 мин). В этом случае будет возбуждаться только участок нерва под первым электродом и ПД станет монофазным. Зарисовать полученный монофазный ПД, определить его амплитуду и длительность.

Б. Исследование зависимости амплитуды ПД нерва от силы раздражения .

  1.  После получения монофазного ПД установить усиление на осциллографе таким образом, чтобы максимальный ПД занимал 2/3 экрана.

Меняя амплитуду стимула от пороговой до сверхмаксимальной, зарегистрировать амплитуду ПД в см (по шкале экрана осциллографа) и, зная коэффициент усиления, пересчитать ее в милливольтах. Занести полученные данные в Таблицу 1.

Таблица 1. Зависимость амплитуды ПД нерва от силы стимула.

Амплитуда стимула, В

Амплитуда ПД, см

Амплитуда ПД, мВ

Объяснить полученные результаты. По данным Таблицы 1 построить График 1: зависимость амплитуды ПД нерва (мВ) от силы стимула (В).

В. Исследование зависимости порога раздражения нерва от длительности раздражающего стимула.

Считая пороговой силу раздражения, вызывающую ПД минимальной амплитуды (например, 1мм) определить пороги при различной длительности стимула, начиная с наименьшей (приблизительно 0,05 мсек). Регистрируют величину порога в Вольтах, постепенно (с минимальным шагом) увеличивая длительность стимула до тех пор, пока пороги раздражения при трех соседних длительностях не совпадут. Полученные данные заносят в Таблицу 2.

Таблица 2. Зависимость порога от длительности стимула.

Длительность стимула, мсек

0,05

0,1

0,2

Порог раздражения, В

По данным таблицы строят график зависимости пороговой силы раздражения (В) от длительности стимула (мсек). По графику определяют величину хронаксии, реобазы и полезное время. Объясняют полученные результаты.

Г. Определение длительности периода абсолютной и относительной рефрактерности нерва.

При выполнении этой задачи стимулятор работает в режиме генерации сдвоенных импульсов.

  1.  Установить длительность каждого из сдвоенных стимулов 0,5 мсек. Интервал между стимулами в паре свести к минимуму (0,05 мсек), установить частоту подачи сдвоенных импульсов равной 20-40 Гц.

Зная порог и максимальную силу раздражения (по предыдущим опытам), установить сверхмаксимальную амплитуду стимула. При минимальном интервале между стимулами второй будет попадать в фазу абсолютной рефрактерности и не будет вызывать ПД.

Увеличивая интервал времени между первым (кондиционирующим) и вторым (тестирующим) стимулами, определить длительность абсолютной рефрактерной фазы (АРФ) по появлению второго ПД. Увеличив амплитуду стимулов, убедитесь в правильности определения АРФ. Если при увеличении амплитуды стимула АРФ стала короче - повторите измерения, добиваясь постоянства величины АРФ при увеличении амплитуды стимулов.

Продолжая увеличивать интервал времени между двумя стимулами до тех пор, пока амплитуда второго ПД не станет равной амплитуде первого, определить относительный рефрактерный период (ОРФ) для нерва. Назвать причины, лежащие в основе явления АРФ и ОРФ.

Литература:

  1.  Физиология человека (под ред. Г.И.Косицкого) М., Медицина, 1985, гл.26 с.19-43; гл.4, с.65-74.

Физиология животных (под ред. Экккерта) М., Мир, 1992, т. 1, с. 142-155, 169-173.

Физиология человека (под ред. Р. Шмидта, Г. Тевса) М., Мир, том 1, с. 7-28, 35-41.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАЧИ НА КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ХОДЖКИНА-ХАКСЛИ.

Запустить программу. Слева на экране отражено меню команд, справа таблица с текущими параметрами эксперимента

Режим <фиксации потенциала> должен быть выключен. Первую часть работы выполняют при постоянной длительности раздражающего стимула равной 0,5 мс. Второй раздражающий стимул в начале работы должен быть выключен (его амплитуда равна нулю). Для изменения параметров стимула надо с помощью клавиш управления курсором (клавиши со стрелками <вверх> и <вниз>) выбрать в меню команд пункт <Стимул>, при появлении курсора в правой части экрана ввести необходимые числовые параметры и нажать клавишу <Enter>.

Для возвращения в главное меню надо нажать клавишу <Esc>.

Запустим выполнение эксперимента с текущими параметрами. Для этого в меню команд выберем пункт <Опыт> и нажмем клавишу <Enter>.

На экране (сверху вниз) отражены следующие кривые (треки)

1) изменение мембранного потенциала (в мВ);

2) стимулирующий ток (в мкА/см2);

3) ток ионов Na+, K+, и суммарный ток через мембрану (в мкА/см2);

4) изменение проводимости для ионов Na+ и K+ (в мС/см2).

Как видно из приведенной картины, при исходных параметрах эксперимента на изолированном аксоне кальмара возникает потенциаал действия.

Задание 1. Определить порог возникновения ПД.

Нажав клавишу <Esc> выйти в главное меню. Выбрать команду <Стимул>. Уменьшить амплитуду первого стимула на 10 мкА. Нажать клавишу <Esc>.

Выбрать команду <Опыт>. Продолжать уменьшение амплитуды стимула до тех пор, пока при нанесении раздражения ПД не будет развиваться. Постепенно увеличивая силу стимула точно определите величину порога раздражения.

Задание 2. Исследовать зависимость амплитуды ПД от силы стимула.

Градуально увеличивая амплитуду стимула от величины порога до 100 мкА с шагом 10 мкА, измерьте амплитуду ПД с помощью курсора. Для этого с помощью стрелок управления курсором установите его на вершине ПД и занесите параметры напряжения (в мВ) отображенные в правой части экрана в Таблицу1.

Таблица 1. Зависимость амплитуды ПД от силы стимула.

Амплитуда стимула, мкА

5

10

11.2

20

30

40

50

60

70

Амплитуда ПД, мВ

Обратите внимание на изменение латентного периода развития ПД при увеличении силы стимула и объясните это явление. Сравните графики ззависимости амплитуды ПД седалищного нерва лягушки от силы стимула с графиком зависимости амплитуды ПД гигантского аксона кальмара от силы стимула и объясните причину их различий.

Задание 3. Исследовать зависимость порога раздражения от длительности стимула.

Выйти в меню команд. Выбрать команду <Стимул>. Установить длительность стимула 0.05 мс. Меняя амплитуду стимула определите порог возникновения ПД при этой длительности. Продолжайте увеличивать длительность стимула, определяйте порог возникновения ПД, данные заносите в Таблицу 2.

Таблица 2. Зависимость порога возникновения ПД от длительности стимула.

Длительность стимула, мс

0.05

0.1

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

Величина порога, мкА

На основании полученных данных постройте график зависимости порога раздражения от длительности стимула, расчитайте величину хронаксии, реобазы и полезного времени. Объясните полученные данные.

Задание 4. Определить длительность фазы относительной и абсолютной рефрактерности для гигантского аксона кальмара.

Установить следующие параметры стимула:

Первый стимул - Амплитуда 50 мкА, длительность 0.5 мс.

Интервал между импульсами 10 мс.

Второй стимул - Амплитуда 11.2 мкА (амплитуда порога при данной длительности стимула), длительность 0.5 мс.

Запустить команду <Опыт>.

Убедившись, что второй стимул не вызывает появления потенциала действия, вернуться в главное меню, нажав клавишу <Esc>.

Увеличивать интервал между имульсами с шагом 1 мс до тех пор, пока не появиться второй ПД. Этот интервал равен периоду относительной рефрактерности.

В период абсолютной рефрактерности никакой стимул не может вызвать развития ПД. Для его определения надо постепенно уменьшать интервал между импульсами до тех пор, пока не исчезнет второй ПД, чтобы удостовериться, что действительно период абсолютной рефрактерности увеличте амплитуду стимула до 500 мкА. Если второй ПД снова появился, продолжайте уменьшать интервал между стимулами. Обратите внимание, что второй потенциал действия должен сопровождаться повышением натриевой и калиевой проводимости, в противном случае Вы наблюдаете лишь артефакт стимуляции, обусловленный пассивными электрическими свойствами мембраны.

Если второй импульс уже не вызывает повышение Na проводимости и входящего натриевого тока - значит он попадает в фазу абсолютной рефрактерности.

Задание 5. Влияние тетродотоксина (ТТХ), тетраэтиламмония (ТЕА) и вератридина на потенциал действия в гигантском аксоне кальмара.

Установить параметры стимулов как в Задании 1. Запустить эксперимент с текущими параметрами и распечатать результат, нажав клавишу F2.

Для имитирования действия различных блокаторов в эксперименте необходимо в меню команд выбрать пункт <В-ва> (Вещества). Нажать клавишу <Y> (Yes), напротив выбранного препарата. Нажать клавишу <Enter> и запустить эксперимент командой <Опыт>.

Необходимо помнить, что в учебной программе не учитывается дозо-зависимость эффектов препаратов. Предполагается, что они полностью блокируют соответствующие структуры.

Последовательно проследить эффекты

1) блокатора натриевых каналов тетродотоксина (ТТХ),

2) блокатора калиевых каналов тетраэтиламмония (ТЕА) и

3) блокатора натриевой инактивации

Перед проведением эксперимента с вератридином с помощью команды <Шкала> измените масштаб шкалы проведение с 50 до 200 (мС/см2), а шкалу ионного тока с +/- 1000 до +/-4000 (мкА/см2).

Распечатайте полученные результаты, сравните полученные кривые изменения потенциала, токов и проводимостей с контрольными и объясните полученные результаты.

Дополнительно:

Задание 6. Исследовать зависимость амплитуды ПД от наружной концентрации ионов Na+.

Установите следующие параметры раздражающего стимула

Первый стимул - амплитуда 100 мкА, длительность 0.5 мс,

Амплитуда второго стимула должна быть равна нулю (стимул выключен).

Запустите выполнение эксперимента с текущими параметрами. Не стирая результатов этого эксперимента ( не нажимая клавишу <С> -Clear), выходим в главное меню нажав <Esc>.

С помощью команды <Ион. конц> (Ионные концентрации) последовательно изменяем наружную концентрацию ионов Na+ и с помощью курсора измеряем амплитуду развивающихся потенциалов действия. Данные экспериментов заносим в таблицу 3.

Таблица 3. Зависимость амплитуды ПД гигантского аксона кальмара от наружной концентрации ионов натрия.

Наружная концентрация ионов Na+, мМ

836

418

209

105

52

26

Амплитуда ПД, мВ

Построить график зависимости амплитуды ПД от десятичного логарифма наружной концентрации ионов Na+. Сравнить полученные данные с теоретической прямой, расчитанной по уравнению Нернста:

Е=58lg([Na+]out/[Na+]in), приняв внутреннюю концентрацию ионов Na+ равной 5 мМ.

Объяснить полученные результаты.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

24115. Понятие гражданского общества и государства 15.03 KB
  Понятие гражданского общества и государства. Это определение идеального общества реальность которого определяется соотношением идеала и достигнутого состояния общества которое провозгласило построение гражданского общества своей целью. Это фактически бесконечный процесс совершенствования общества власти политики и человека охватывающий все без исключения стороны жизни. Идея гражданского общества термин введен Аристотелем возникла первоначально как философская концепция.
24116. Проблема развития общества. Формационный, цивилизационный подходы, технологический детерминизм в понимании процесса исторического развития 15.08 KB
  Проблема развития общества. Формационный цивилизационный подходы технологический детерминизм в понимании процесса исторического развития. Проблема развития общества Формационный подход был разработан К. В общем же характерно отрицание единства человеческой истории всеобщих исторических закономерностей Недостатками цивилизационного подхода является то что он не позволяет взглянуть на историю как на целостный закономерный процесс; применяя цивилизационный подход трудно изучать закономерности исторического развития.
24117. Культура как объект философского познания, развитие представлений о культуре в истории мысли 15.03 KB
  Культура как объект философского познания развитие представлений о культуре в истории мысли. Культура – совокупность проявлений жизни творчества и достижений народа или группы народов. Культура представляет собой средство и способ развития духовного начала в человеке своей целью имея формирование и удовлетворение его духовных запросов; цивилизация же дает людям средства существования она направлена на удовлетворение их практических нужд. Культура являет собой духовные ценности достижения науки философии искусства образования а...
24118. Психоанализ и проблема человека (З.Фрейд, К.Г. Юнг, Э.Фромм) 17.18 KB
  В психике человека Фрейд сначала выделял две относительно автономные но постоянно взаимодействующие между собой структуры бессознательного оно и сознательного Я а затем добавил к ним сверх Я которое внедряется в Я но без специального анализа не осознается им. По мнению Фрейда причиной невроза является особого рода конфликт между оно Я и сверх Я . Согласно теории Фрейда оно набрало свою изна чальную силу но параллельно с этим развивалось и я . Так как инстинкты или оно служат всего лишь внутренним наполнителем то можно...
24119. Русская философия о человеке и обществе 15.01 KB
  Ориентация на гуманитарное знание на литературу и искусство на проблемы человека является безусловной доминантой в русской философии XX века. в виде религиозной философии человека. близкая к художественному творчеству Ориентация на гуманитарное знание на литературу и искусство на проблемы человека основа рус. во весь рост встали проблемы единства человека с космосом космической природы человека и космического масштаба человеческой деятельности.
24120. Русские философы о судьбах России 15.34 KB
  Россия соединяет внутри себя два мира и поэтому в русской душе всегда боролись два начала: восточное и западное. Бердяев называет русскую историю прерывной и выделяет в ней пять периодов дающих пять разных образов России: Россия киевская; Россия времен татарского ига; Россия московская; Россия петровская; Россия советская. Главное нельзя забывать что Россия является самой молодой цивилизацией и ее истинные возможности в новом свободном государстве скоро раскроются поновому с новыми перспективами.
24121. Русский космизм 13.96 KB
  во весь рост встали проблемы единства человека с космосом космической природы человека и космического масштаба человеческой деятельности. Разум и творчество поднимут человека в космос где со временем изменится его физическая природа он приблизится к высшим организмам.
24122. Основные категории философской онтологии: «бытие», «небытие», «инобытие». Виды бытия 15.11 KB
  Основные категории философской онтологии: бытие небытие инобытие. Одна из первых философских школы которая ввела слово Бытие была школа элеатов. Парменид обращает внимание на такой аспект всякого сущего как бытие. Есть сущее и есть существование этого сущего которое и называют бытием.
24123. Категория «материя». Основные характеристики материи (время, пространство, движение, системность) 15.51 KB
  Основные характеристики материи время пространство движение системность. характеристика материи через основной вопрос мировоззрения а не через понятие вещества или набор его свойств. Существует и другая точка зрения согласно которой нужно отказаться от представления о материи как субстанции гносеологический признак материи. Но важнейшими свойствами являются: пространство; время; движение как способ существования материи.