不同强度和频率的刺激对肌肉收缩的影响

不同强度和频率的刺激对肌肉收缩的影响
【摘要】目的：掌握制备蟾蜍坐骨神经腓肠肌标本的方法；观察不同强度、频率和肌肉收缩反应之间的关系，了解肌肉收缩形成的过程。

方法：采用活体蟾蜍制备坐骨神经腓肠肌标本；在刺激时间恒定的条件下，分别用不同强度和频率的电刺激作用坐骨神经，再通过RM6240系统记录蟾蜍腓肠肌的收缩变化。

结果：给予增量为0.005v的强度递增电刺激后，当刺激强度在0v到0.235v之间时，肌肉不收缩；当刺激强度为0.235v时，肌肉收缩曲线出现第一个峰；随着刺激强度增加，峰值升高；当刺激强度到达0.330v后，峰值不再升高。

给予坐骨神经频率增量为2Hz、强度为1v、组间延时2s、延时20ms、波宽5ms的频率递增刺激后，当刺激频率为3Hz时，肌肉收缩曲线开始出现重合，并且随着频率增加，肌肉收缩曲线的重合愈多、最高点逐渐升高。

结论：电刺激强度达到阈强度时，肌肉才开始收缩，且随着刺激强度的增大，肌肉收缩增强；达到最大刺激强度后，肌肉收缩不再增强。

电刺激频率较小时，刺激的间隔大于一次肌肉收缩舒张的持续时间，则肌肉收缩表现为单次收缩；当增大刺激频率，使刺激的间隔大于一次肌肉收缩的收缩时间、小于一次肌肉收缩的舒张时间，则肌肉收缩产生不完全强直收缩；随着频率的继续增加，使刺激的间隔小于一次肌肉收缩的收缩时间，则肌肉产生完全强直收缩。

【关键词】坐骨神经腓肠肌；刺激；强度；频率；收缩张力
1实验材料和方法
1.1实验材料
1.1.1实验动物
蟾蜍（由浙江中医药大学动物实验中心提供）。

1.1.2实验材料和器械
蛙类解剖手术器械，蛙板，蛙钉，玻璃板，培养皿，任氏液，锌铜弓，金属探针，玻璃分针，镊子，剪刀，手术剪，铁支架，一维位移微调器，刺激电极，张力换能器，微机化生物信号采集处理系统（RM6240），BB3G标本盒。

1.2实验方法
1.2.1制备坐骨神经腓肠肌标本
1.2.1.1捣毁脑脊髓
取蟾蜍一只，左手握住，以食指抬头部前端使其头部尽量后仰，右手持探针自枕骨大孔处垂直刺入，将探针向上刺入颅腔，向各侧搅动，彻底捣毁脑组织；再将探针反向刺入椎管，捻动探针捣毁脊髓，直到蟾蜍四肢松软。

1.2.1.2剪除躯干上部及内脏
用粗剪刀在颅骨后方剪断脊柱。

左手握住脊柱，右手将粗剪刀沿腹壁两侧（避开坐骨神经）剪除全部躯干上部及内脏组织。

1.2.1.3剥皮
避开神经，用右手食指和拇指夹住脊柱，左手捏住皮肤边缘，逐步向下牵拉剥离皮肤。

将全部皮肤剥除。

洗净双手和用过的器械。

1.2.1.4分离两腿
避开坐骨神经，用粗剪刀从背侧剪去骶骨，然后沿中线将脊柱剪成
左右两半，再从耻骨联合中央剪开。

将标本放置于任氏液的培养皿中。

1.2.1.5分离坐骨神经
取一条腿，先用玻璃分针沿脊柱侧游离坐骨神经腹腔部，然后用蛙针将标本卑微固定于干净的蛙板上。

用玻璃分针纵向探查坐骨神经的走向，用剪刀剪开周围肌肉等组织，暴露坐骨神经。

再剪下连有坐骨神经的两三节椎骨，剪去坐骨神经的分支，充分分离坐骨神经。

1.2.1.6分离腓肠肌
将已分离的坐骨神经搭在腓肠肌上。

用粗剪刀自膝关节周围向上剪除并刮干净所有大腿肌肉，在距膝关节1cm处剪断股骨。

弃去上端股骨及组织。

用玻璃分针分离腓肠肌跟腱并穿线打结。

提起结扎线，在结扎处下方剪断跟腱，并逐步游离腓肠肌至膝关节处。

剪去其余小腿部分组织。

将标本放置于任氏液中。

1.2.1.8检测标本活性
轻轻提起连有坐骨神经的椎骨端，将锌铜弓的两个极靠在坐骨神经上。

若腓肠肌收缩，则表明该标本有活性。

1.2.2连接实验装置和仪器参数设置
张力换能器的输出端与RM6240的输入第1通道相连，刺激输出接标本盒刺激电极。

启动RM6240系统软件，在系统软件窗口设置仪器参数。

RM6240系统：点击“实验”菜单，选择“刺激强度（或频率）对肌肉收缩的影响”项。

仪器参数：通道模式为张力，时间常数为直流，滤波频率100Hz，扫描速度2.0s/div，灵敏度15g。

在“选择”下拉
菜单中选择“强度/频率”项，显示刺激参数。

1.2.3实验观察
1.2.3.1刺激强度对肌肉收缩的影响
设置参数：正电压刺激，电刺激模式为强度递增，刺激强度从0.02V 逐渐增大，强度增量为0.005V。

测量并记录每一刺激强度所对应的肌肉收缩张力，确定阈强度和最大刺激强度。

1.2.3.1刺激频率对肌肉收缩的影响
设置参数：电刺激模式为频率递增，增量为2Hz、强度为1v、组间延时2s、延时20ms、波宽5ms。

测量并连续记录不同频率时的肌肉收缩曲线，观察不同频率时的肌肉收缩形态和张力变化[1]。

2实验结果
实验名称：不同强度和频率的刺激对肌肉收缩的影响
实验日期：2016-05-31
实验人员：张伊娜、谢来娣、陈扬扬、龚丽芬、龚青青
图1:不同刺激强度下骨骼肌的收缩情况
图2：单收缩
图3：不完全强直收缩
图3：完全强直收缩
注：图2-4：不同刺激频率下骨骼肌的收缩情况
3实验讨论[2]
3.1 不同刺激强度对肌肉收缩的影响
一条坐骨神经干是由许多兴奋性不同的神经纤维所组成的。

当神经纤维粗细不一样的时候，兴奋性不同，其阈值也有较大差异，传导速度就不同。

单个恒定时间的电压刺激坐骨神经干，电压低于阈值的强度刺激，坐骨神经干支配腓肠肌的神经纤维不发生兴奋，其所支配的肌细胞也不会发生兴奋和收缩。

刺激电压达到阈强度时，坐骨神经干中阈值最低的神经开始兴奋，其所支配的运动单位的肌纤维兴奋并发生收缩，刺激强度逐渐增大，坐骨神经干中兴奋的神经纤维增加，兴奋和收缩的运动单位增加，其所募集的收缩张力也增加。

强度超过阈值的刺激叫阈上刺激。

当阈上刺激强度增大到某一值时，神经中所有纤维均产生兴奋，此时肌肉做最大收缩，再继续增强刺激强度，肌肉收缩反应不再继续增大。

所以实验中出现了，在一定范围内骨骼肌收缩张力随着电压的增加而增大，最后趋于恒定。

3.2 不同刺激频率对肌肉收缩的影响
电刺激频率较小时，刺激的间隔大于一次肌肉收缩舒张的持续时间，则肌肉收缩表现为单次收缩；当增大刺激频率，使刺激的间隔大于一次肌肉收缩的收缩时间、小于一次肌肉收缩的舒张时间，则肌肉收缩产生不完全强直收缩；随着频率的继续增加，使刺激的间隔小于一次肌肉收缩的收缩时间，则肌肉产生完全强直收缩。

肌肉单收缩时，胞浆内Ca2+浓度升高的持续时间太短，被激活的收缩蛋白尚未产生最大张力时，胞浆Ca2+浓度即已开始下降，单收缩产
生的张力不能达到胞浆内Ca2+浓度相应的最大张力。

强直收缩时，肌细胞连续兴奋，引起终池中的Ca2+连续释放，胞浆内的Ca2+浓度持续升高，使肌肉未完全舒张或未舒张时进一步收缩，使收缩张力逐渐增大，完全强直收缩时收缩张力达到了一个稳定的最大值。

3.3影响实验结果的因素
本实验中观察到的阈刺激是神经刺激而非肌肉刺激，因为电极直接接触的是分离出的坐骨神经，电刺激使神经细胞产生兴奋，沿神经纤维传导，通过神经肌肉接头的化学传递，使肌肉终板膜上产生终板电位，引起肌肉兴奋，通过兴奋-耦联机制使腓肠肌肌肉收缩。

如此测得的阈刺激理论上比较可靠，但在实际操作中肯定会出现误差，主要影响因素有：
(1)分离坐骨神经时，应避免强力牵拉和手提神经或夹伤神经肌肉，否则易使神经受损而出现传导障碍或肌肉收缩障碍。

(3)如果肌肉在未给刺激时即出现收缩，可能是由于漏电等原因引起，需检查电器接地是否良好。

(4)神经骨胳肌接头处容易由于连续刺激使接头处神经递质耗竭而发生疲劳，所以每次在肌肉收缩后，应让肌肉休息一定时间再作下一次的刺激，特别是在观察刺激频率的影响时，让肌肉有充分时间恢复到原始状态，回复静息电位水平，也让神经递质再形成。

(5)尽量保持实验装置周围理化环境的稳定，包括自然因素和人为因素对张力换能器拉线的干扰，保持换能器与标本连线的张力不变。

4实验结论
4.1电刺激强度达到阈强度时，肌肉才开始收缩，且随着刺激强度的增大，肌肉收缩增强；达到最大刺激强度后，肌肉收缩不再增强。

4.2电刺激频率较小时，刺激的间隔大于一次肌肉收缩舒张的持续时间，则肌肉收缩表现为单次收缩；当增大刺激频率，使刺激的间隔大于一次肌肉收缩的收缩时间、小于一次肌肉收缩的舒张时间，则肌肉收缩产生不完全强直收缩；随着频率的继续增加，使刺激的间隔小于一次肌肉收缩的收缩时间，则肌肉产生完全强直收缩。

5参考文献
[1] 陆源, 孙霞, 饶芳. 机能学实验教程[M]. 第3版. 北京: 科学出版社, 2016:125-131.
[2] 朱大年. 生理学[M]. 第八版. 北京: 人民卫生出版社, 2009:10-52.。