VII. Neurophysiologie, Muskelkontraktion - Computersimulationen 1. Einleitung

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1 VII. Neurophysiologie, Muskelkontraktion - Computersimulationen 1. Einleitung Im Praktikum werden grundlegende neurophysiologische Vorgänge mit Hilfe zweier Simulationsprogramme demonstriert. SimNerv simuliert Nervenreizleitungen am isolierten Nerv und SimMuscle Kontraktionen an einem Muskelpräparat. Vorbereitung: 1. Zur Vorbereitung eignen sich folgende Kapitel der gängigen Physiologielehrbücher: (Neurophysiologische Grundbegriffe werden als bekannt vorausgesetzt!) Thews, Mutschler, Vaupel- Anatomie, Physiologie und Pathophysiologie des Menschen Kapitel 2.6, 2.7, 4, 18.2, 18.3, 18.5 Schmidt, Lang Physiologie des Menschen mit Pathophysiologie, Springer Verlag (2007): Kapitel 4.6, 5 und 6 Klinke, Pape, Silbernagel Lehrbuch Physiologie, Thieme, 5. Auflage: Kapitel 4, 5 und 6 Deetjen, Speckmann Physiologie, Urban und Fischer, 5. Auflage: Kapitel 2 und 4 2. Praktikumsaufgaben vorbereiten (v.a. SimNerve 2.4 Multiple Sklerose, Polyneuropathie)

2 2. SimNerv SimNerv ist eine Simulation des so genannten Frosch-Nerven-Versuchs. Dieser Versuch dient dazu, in die Grundlagen der Nervenerregung einzuführen, und zwar anhand des Summenaktionspotentials (SAP) eines Gesamtnervs. Als Präparat dient dabei der große Beinnerv (Nervus ischiadicus) des Frosches. Der Nerv wird aus dem Frosch herauspräpariert und in einer Reizkammer elektrisch stimuliert. Aus der Reaktion des Nervs auf unterschiedliche Reize und Reizabfolgen lassen sich Rückschlüsse auf grundlegende Eigenschaften des Nervs ziehen, wie zum Beispiel Leitungsgeschwindigkeit (NLG), Wiedererregbarkeit (Refraktärzeit), anodische und kathodische Erregbarkeit, Blockierbarkeit und andere mehr. Bedienungsanleitung: im Hauptmenü Button Praktikum anklicken Stimulator Oszilloskop Bindfaden Ende Menü Hilfe Anleitung Nerven Stimulator und Oszilloskop durch klicken auf On einschalten Experimentierkammer durch Klick auf den Deckel öffnen Experimentierkammer Reizelektroden Ableitelektroden Masseblech Einen der beiden Nerven mit der Maus aus der Petrischale ziehen und auf den Elektroden ablegen (die beiden Nerven haben unterschiedliche Eigenschaften) 2

3 Den Stimulator entsprechend der Praktikumsaufgabe einstellen (Regler mit der Maus ziehen bzw. drücken), beachten Sie den Multiplikator jeweils unterhalb der senkrechten Regler Am Oszilloskop die Timebase (1-2 ms/div ist ein guter Startwert) und die Ablenkung der einzelnen Kanäle einstellen (Falls das Bild nicht ok. ist, einfach ein paar Stimulationen auslösen und Einstellungen ausprobieren) Reiz auslösen (Stimulus On ) Verschieben der Elektroden: mit der Maus die entsprechenden Markierungen in der Kammer verschieben gelb: Anode blau: Kathode grün: nichtinvertierende Ableitungselektrode rot: invertierende Ableitungselektrode Aufgaben Achtung: mit der Elektrode nicht auf das Masseblech in der Mitte der Kammer kommen! 3

4 1. Auslösen eines SAP Um ein Aktionspotential auf dem Oszilloskop darzustellen, stellen Sie am Stimulator die Reizdauer auf 1ms und die Zeitablenkung des Oszilloskops auf 0,5 oder 1ms/Div. Reizen Sie nun den Nerv mit langsam steigenden Reizamplituden. Sobald eine Schwellenreizstärke erreicht ist, wird das SAP auf dem Oszilloskop sichtbar. Drehen Sie die Reizstärke langsam höher, bis die Amplitude des SAP nicht weiter zunimmt. Zur korrekten Darstellung des Reizes kann am Kanal 1 die Ablenkung bei höherer Reizstärke verringert werden Notieren Sie sich den Wert, bei dem gerade ein SAP ausgelöst wird (minimale Reizschwelle) und bei dem gerade das SAP-Maximum erreicht ist (maximale Reizschwelle). 1. Was bedeutet minimale und maximale Reizschwelle? 2. Nervenleitgeschwindigkeit Öffnen Sie die Reizkammer und schieben Sie Reizelektroden und Ableitelektroden möglichst nah zusammen. (Reizelektroden z.b. auf 2 und 3 cm, Ableitelektroden auf 7 und 8 cm). Notieren Sie sich die neuen Elektrodenpositionen. Schließen Sie die Kammer und lösen Sie ein maximales SAP aus. Speichern Sie dieses SAP (STORE). Öffnen Sie die Reizkammer und schieben Sie Reizelektroden und Ableitelektroden möglichst weit auseinander. (Reizelektroden z.b. auf 0 und 1 cm, Ableitelektroden auf 9 und 10 cm). Schließen Sie die Kammer und lösen Sie ein maximales SAP aus. Auf dem Schirm sollten Sie nun die Kurven beider SAPs sehen. 1. Berechnen Sie die Leitungsgeschwindigkeit des Nervs. Welche Elektrodenabstände legen Sie Ihren Berechnungen zugrunde? 2. Vergleichen Sie die errechnete NLG mit den Leitungsgeschwindigkeiten menschlicher Nerven. 3. Die Messung der Nervenleitgeschwindigkeit ist eine übliche neurologische Untersuchung. Dabei wird der Nerv elektrisch gereizt und die Zeit bestimmt, bis der innervierte Muskel kontrahiert. Im Gegensatz zur direkten Ableitung des SAP an der Nervenendigung wird die gemessene Zeit länger sein. Welche physiologischen Vorgänge spielen hier eine Rolle? Wie lässt sich diese Problem in der Praxis umgehen? 4. Ebenso wie 3. Zu Hause vorbereiten: Informieren Sie sich über die beiden Krankheitsbilder Polyneuropathie und Multiple Sklerose. Welche Auswirkungen haben diese Krankheiten auf die NLG und die Amplitude des SAP? 4

5 3. Refraktärzeit Stellen Sie die Reizzeit auf 1ms und schalten Sie den Stimulator auf TWIN-Mode. Nun werden Doppelimpulse erzeugt. Den Abstand zwischen den beiden Impulsen kontrollieren Sie mit Hilfe des DELAY-Schiebereglers. Beginnen Sie mit 10ms. Stellen Sie die Reizamplitude auf einen Wert etwas oberhalb der maximalen Reizschwelle. Ändern Sie die TIMEBASE entsprechend ( 1/DIV bedeutet, dass Sie auf dem Oszilloskop genau 10ms sehen (=10 DIV s)) Stimulieren Sie den Nerv. Achten Sie darauf, dass die beiden ausgelösten SAP die gleiche, maximale Amplitude besitzen. Reduzieren Sie nun das DELAY und reizen Sie den Nerv erneut. Ab einem bestimmten Delay wird die Amplitude des zweiten SAP kleiner. Der Nerv scheint nur eingeschränkt reizbar zu sein. Man spricht von relativer Refraktärzeit. Reduzieren Sie das Delay immer weiter, dann ist ab einem gewissen Delay kein zweites SAP mehr auslösbar. Der Nerv ist nicht mehr erregbar, man spricht von absoluter Refraktärzeit. 1. Bestimmen Sie die absolute und relative Refraktärzeit. 2. Wie kommen absolute und relative Refraktärzeiten zustande, was bedeuten diese Ausdrücke? 3. Welche Gesetzmäßigkeiten und Membraneigenschaften liegen den Refraktärzeiten zugrunde? 5

6 3. SimMuscle SimMuscle ist ein Multimedia-Programm zur Physiologie der quergestreiften Muskulatur. Im vorliegenden Versuchsaufbau dient die Beinmuskulatur des Frosches als Versuchsobjekt. Der Muskel wird gemeinsam mit dem ihn innervierenden Nerven (N.ischiadicus) aus dem Frosch herauspräpariert und in einem elektrophysiologischen Labor mit elektrischen Reizen stimuliert. Aus der Reaktion des Muskels auf unterschiedliche Reize und Reizabfolgen lassen sich Rückschlüsse auf charakteristische Eigenschaften des Muskels ziehen, wie zum Beispiel die Ruhedehnungs-kurve, die Kurve der isotonischen und isometrischen Maxima, Superposition bei Doppel-reizen, tetanische Kontraktionen (inkompletter und kompletter Tetanus) und weitere mehr. Bedienungsanleitung: Das virtuelle Labor: Stimulator Oszilloskop Zeitablenkung Einhänge- Vorrichtung Transducer Gewichte Muskel Stimulator, Transducer und Oszilloskop einschalten Muskel mit Mauscursor ergreifen und in Einhängevorrichtung einhängen (gegebenenfalls mit Gewicht belasten) Entsprechend der Praktikumsaufgabe die angegebenen Einstellungen an Stimulator, Transducer und Oszilloskop vornehmen Reiz auslösen (Stimulus On ) Wird der Muskel bei unterschiedlichen Belastungen gemessen, so ist vor der Reizgebung zu kalibrieren 6

7 Aufgaben 1. Reizstärkeabhängigkeit der Einzelzuckung Um eine Muskel-Einzelzuckung darzustellen, stellen Sie am Oszilloskop die Zeitablenkung (Timebase) auf 20ms/Div, Kanal 1 auf 500mV/Div und Kanal 2 auf 20mV/Div Zur Messung der Zuckung, also der Längenänderung des Muskels, stellen Sie am Transducer die Verbindung zu Length her und schalten Sie an der Einhängevorrichtung auf free Hängen Sie den Muskel in die Einhängevorrichtung und belasten Sie mit einer Gewichtseinheit Reizen Sie den Muskel mit Einzelreizen (mode: Single), indem Sie am Stimulator die Reizstärke (Amplitude) sukzessive erhöhen und zeichnen Sie den sich ergebenden Kurvenverlauf im Oszilloskop im store-modus auf Dokumentieren Sie schematisch den Kurvenverlauf Notieren Sie den Wert beim dem gerade eine Einzelzuckung ausgelöst wird und den Wert der maximalen Schwelle 1. Warum belasten Sie den Muskel vor der Messung? 2. Was ist die physiologische Ursache für eine minimale beziehungsweise maximale Schwelle? 2. Bestimmung der isometrischen Maxima Einstellungen: Zeitablenkung: 20ms/Div, Kanal1: 500mV/Div, Kanal 2: 20mV/Div Zur Messung der Kraft stellen Sie am Transducer die Verbindung zu Force her und schalten Sie an der Einhängevorrichtung auf lock Bestimmen Sie die Kraftentwicklung des Muskels in Abhängigkeit von unterschiedlichen Vordehnungen; reizen Sie dazu zunächst einen unbelasteten Muskel mit maximalen Einzelreizen bevor Sie dessen Vordehnung schrittweise erhöhen Vor jeder Messung mit neuem Gewicht muss der Transducer neu kalibriert werden! Zeichnen Sie den Kurvenverlauf im store-modus am Oszilloskop auf und dokumentieren Sie schematisch den Kurvenverlauf 1. In welcher Weise verändert sich die Kraftentwicklung bei gleichen Reizen aber unterschiedlichen Vordehnungen? 2. Ein stark belasteter Muskel entwickelt nur wenig Kraft; ist der Muskel jedoch überhaupt nicht belastet, so ist die Kraftentwicklung ebenfalls nicht optimal. Warum? (Tipp: Zeichnen Sie schematisch ein Sarkomer. Wie sieht das Sarkomer im belasteten, wie im unbelasteten Zustand aus?) 7

8 3. Tetanus und Ermüdung Einstellungen: Zeitablenkung: 200ms/Div, Kanal1: 500mV/Div, Kanal 2: 50mV/Div Transducer: Force / lock Reizen Sie den Muskel mit 6 aufeinander folgenden Reizen (mode:train / counts: 6), indem Sie mit einer Verzögerung von 250ms beginnen und diese schrittweise verkürzen Dokumentieren Sie schematisch den Kurvenverlauf eines inkompletten und eines kompletten Tetanus Ermüden Sie den Muskel mit einer lang anhaltenden tetanischen Kontraktion (mode:train / counts: 199) 1. Welche Bedeutung hat der Tetanus für den Skelettmuskel? 2. Sind alle Muskeln des Frosches (oder des Menschen) tetanisierbar? 3. Eine lang andauernde Belastung des Muskels führt zur Ermüdung. Warum ermüdet ein Muskel? 4. Auf welche Art und Weise kann einer Muskelzelle Energie bereitgestellt werden? 5. Warum kommt es nach dem Tod zu einer Leichenstarre? 8