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INSTITUT FÜR PHYSIOLOGIE
Anleitung
zum
Physiologie - Praktikum
P - 5. Nerv und Muskel
SS 2010 (4. Semester)
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INHALT
EINLEITUNG ..................................................................................................................... 4
A. Vorbemerkungen und Vorbereitungsrichtlinien ............................................................. 4
B. Praktikumsablauf ............................................................................................................ 4
C. Computersimulation: SimNerv und SimMuskel (Thieme ® ) ....................................... 5
D. Die Computersimulation als Ersatz für den klassischen Tierversuch? .......................... 6
ARBEITSPLATZ I: NERV ................................................................................................ 7
A. Präparat ........................................................................................................................... 7
B. Methodische Vorbemerkungen ....................................................................................... 7
C. Versuchsaufbau .............................................................................................................. 9
D. Aufgaben ...................................................................................................................... 10
1. Reizzeit-Spannungskurve .................................................................................. 10
2. Rekrutierung ...................................................................................................... 12
3. Nervenleitgeschwindigkeit ................................................................................ 13
4. Relative und absolute Refraktärzeit ................................................................... 14
ARBEITSPLATZ II: NERV-MUSKEL UND MUSKELMECHANIK ........................... 15
A. Präparat ......................................................................................................................... 15
B. Methodische Vorbemerkungen ..................................................................................... 15
C. Versuchsaufbau und Eichung ....................................................................................... 19
D. Aufgaben ...................................................................................................................... 19
1. Passive Dehnung und isometrische Maxima ..................................................... 20
2. Zeitbeziehungen von Aktionspotential und Muskelzuckung ............................ 20
3. Superposition von Muskelzuckungen ............................................................... 21
4. Tetanische Muskelkontraktion .......................................................................... 21
Tabellen 1-6 ....................................................................................................................... 23
Sammeltabelle ................................................................................................................... 29
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Es wird von jedem/er Student/in auf Millimeterpapier angefertigt:
Diagramm 1: Reizzeit-Spannungskurve (vgl. Abb. 1).
Diagramm 2: Rekrutierung am Nerven (vgl. Abb. 3)
Diagramm 3: Refraktärzeit am Nerven (vgl. Abb. 5).
Diagramm 4: Ruhe-Dehnungskurve, Kurve der isometrischen Kontraktions-
Maxima (vgl. Abb. 6).
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EINLEITUNG
A: Vorbemerkungen und Vorbereitungsrichtlinien
Der vorliegende Praktikumsteil Nerv und Muskel befasst sich mit den elektrischen
Vorgängen am Nerven sowie mit den elektrischen und mechanischen Eigenschaften des
Skelettmuskels. Die Kenntnis der Physiologie dieser Strukturen ist wichtig zum Verständnis
der Probleme der Arbeits- und Sportmedizin und besonders zur Diagnose und Therapie vieler
neurologischen Erkrankungen.
Zur Vorbereitung des Praktikums sollten aus den einschlägigen Physiologie
Lehrbüchern folgende Themenbereiche gelernt werden:
Membranpotential, Membranruhepotential, Erregung, Aktionspotential,
Summenaktionspotential; elektrische Reizung, Schwelle, absolute und relative Refraktärzeit;
Erregungsfortleitung, Nervenleitungsgeschwindigkeit; chemische Synapsen,
Erregungsübertragung durch Transmitter, motorische Endplatte; Erregungs-
Kontraktionskoppelung, Kontraktionsmechanismus; Feinbau der Muskelfaser,
Muskelmechanik, Ruhe-Dehnungskurve; Muskelspindel, Muskelspindelafferenzen,
Motoneurone; Reflexe, Reflexbogen.
In dieser Anleitung werden zu jedem Arbeitsplatz Beschreibungen der praktischen
Durchführung der Aufgaben gegeben. Messreihen werden in Tabellen eingetragen und
graphisch auf Millimeterpapier (Bleistift; nicht Tinte oder Kugelschreiber!) aufgetragen.
Wichtige Ergebnisse werden in der Sammeltabelle (am Schluss der Anleitung)
zusammengefasst.
Mitzubringen sind: Millimeterpapier (DIN A4), Zeichenutensilien (Geodreieck,
Lineal, Bleistift, Radiergummi), Taschenrechner.
B. Praktikumsablauf
Zu Beginn des Praktikums teilen sich die Studenten in zwei gleich große Teilgruppen
auf. Für jede der zwei Praktikumsaufgaben (I = Nerv, II = Nerv-Muskel) sind je vier
Arbeitsplätze aufgebaut. Die eine Teilgruppe beginnt das Praktikum mit Versuchsteil I, die
andere mit Versuchsteil II. Nach der Mittagspause werden die Arbeitsplätze gewechselt. Die
beiden Halbgruppen verteilen sich möglichst gleichmäßig auf die jeweils vier Arbeitsplätze.
Am Ende des Praktikumstags erfolgt die Abzeichnung der Protokolle und mündliche
Überprüfung des Praktikumserfolgs in einem Prüfungsgespräch.
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C. Computersimulation: SimNerv und SimMuskel (Thieme ® )
SimNerv und SimMuskel sind Computer animierte, multimediale Simulationen des
sogenannten Frosch-Nerv-Muskel Versuchs. Als „virtuelle“ Präparate dienen dabei der
Nervus ischiadicus sowie der von ihm innervierte Musculus gastrocnemius des Frosches. Die
Software ist aus jeweils 3 Modulen aufgebaut („Wetlands“, „Präparation“ und „Praktikum“).
1. „Wetlands“: Zum Kennenlernen des Versuchstieres werden hier Photos von
verschiedenen Froscharten angeboten. Zusätzlich können die spezifischen
Artgeräusche (Quaken) der Frösche akustisch wiedergegeben werden.
2. „Präparation“: In diesem Modul wird eine Präparation des Gewebes in Form von
mehreren digitalen Videos gezeigt. Die Präparation dauert etwa sechs Minuten und
endet mit der Entnahme der beiden Nervi ischiadici und ggf. des quergestreiften
Musculus gastrocnemius des Frosches. Beide Nerven und der Muskel werden in eine
Schale mit Nährlösung (Ringerlösung) gelegt.
3. „Praktikum“: Der experimentelle Teil, also der Hauptteil des Versuches, findet im
sogenannten „virtuellen Labor“ statt. Dieses umfaßt die Schale mit den zwei Nerven
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bzw. dem Nerv-Muskel Präparat, eine Experimentierkammer, bzw.
Aufhängungsvorrichtung für den Muskel mit Nervenreizung sowie Längen- und
Kraftmessung, ein elektrisches Reizgerät (Stimulator) und ein Oszillograph (die
genaue Versuchsdurchführung ist weiter unten beschrieben)
Neben jedem Computermeßplatz findet sich eine Kurzanleitung zur Benutzung der Software.
D. Die Computersimulation als Ersatz für den klassischen Tierversuch?
SimNerv und SimMuskel stellen eine Alternative zum klassischen Frosch-Nerven-Versuch
dar und übertreffen unter didaktischen Gesichtspunkten diesen Tierversuch - allerdings nur
dann, wenn der Schwerpunkt des Versuchs auf die Erzeugung und Bedeutung der elektrischen
Signale und Muskelkontraktionen gelegt werden. Sobald das Geschick bei der Präparation,
der Umgang mit natürlichem Gewebe und der Zusammenhang zwischen sauberer Präparation
und Funktionstüchtigkeit des Gewebes im Vordergrund stehen, kann SimNerv und
SimMuskel lediglich als optimale Versuchsvorbereitung verwendet werden.
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ARBEITSPLATZ I: NERV
Messungen am peripheren Nerv (N. ischiadicus, Frosch)
Es handelt sich um einen gemischten Nerven mit afferenten und efferenten Fasern, die
jedoch in den vorliegenden Versuchen mit elektrischer Reizung nicht unterscheidbar sind.
(warum?)
Der Nerv enthält eine Vielzahl von Nervenfasern, die teils myelinisiert, teil nicht-
myelinisiert sind und sich in ihrem Durchmesser unterscheiden. (Aα, Aβ, Aγ, B, C oder in
Gruppe I, II, III, IV; wie unterscheiden sich diese Fasertypen morphologisch, physikalisch
und funktionell?). Der frei präparierte und entnommene Nerv bleibt über Stunden elektrisch
erregbar und behält die Fähigkeit, diese Erregung (nach beiden Seiten hin) fortzuleiten.
Voraussetzung ist allerdings, dass er sorgfältig gegen Austrocknung geschützt wird.
A. Grundlagen
Wird eine Nervenfaser auf zwei voneinander getrennte Drähte (Reizelektroden) gelegt,
an die ein Spannung gelegt wird, so fließt ein Strom positiver Ladungsträger vom Draht, der
mit dem positiven Spannungspol verbunden ist (Anode), zum Draht, der dem negativen
Spannungspol verbunden ist (Kathode). Dieser Strom, der teilweise durch die
Plasmamembran der Nervenfaser fließt, hyperpolarisiert die Membran unter der Anode und
depolarisiert sie unter der Kathode. Bei kurz dauerndem Spannungspuls (= Reizimpuls) an der
Reizelektroden kann daher unter der Kathode die Schwellendepolarisation erreicht und ein
Aktionspotential ausgelöst werden, das sich zu beiden Seiten entlang der Nervenfasern
ausbreitet.
Ob bei einem Reizimpuls die Schwellendepolarisation erreicht und somit ein
Aktionspotential erzeugt wird, hängt nicht nur von der Höhe des Reizimpulses, sondern auch
von seiner Dauer ab. Der Grund ist die endliche Kapazität der Zellmembran, die bestimmt,
wieviel Ladung pro Membranfläche zur Erzeugung einer bestimmten Depolarisation nötig ist.
Ist der Reizimpuls zu kurz, so fließt zu wenig Strom, um die Membrankapazität umzuladen.
Je höher die Amplitude des Reizimpulses, desto kürzer kann er sein, um die
Schwellendepolarisation zu erzeugen. Dies ist die Grundlage für die Form der Reizzeit-
Spannungskurve, die die Abhängigkeit der Schwellenreizspannung (Us) von der Reizdauer
Ts) darstellt (s. Abb. 1). Im Verlauf dieser Kurve liegen zwei charakteristische Größen: 1. Die
Rheobase (UR = Schwellenreizspannung, Us bei sehr großer Reizdauer); 2. Chronaxie (TC =
Reizdauer bei doppelter Rheobase). Merke: Einheit der Rheobase ist Spannung (des Reizes),
Einheit der Chronaxie ist Zeit.
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Die Reizzeit-Spannungskurve hat angenähert die Form einer Hyperbel, deren
Asymptote die Rheobase darstellt. Dies lässt sich damit begründen, dass die zur
Reizauslösung notwendige effektive Ladungsmenge unabhängig von der Reizdauer
angenähert konstant ist. Reizung mit Reizspannung unterhalb der Rheobase, UR, bleibt bei
allen Reizdauern ohne Wirkung; wirkungsvoll ist nur die über die Rheobase, UR,
hinausgehende Reizspannung Us* = Us – UR.
Dieser Reizspannung ist die Reizstromstärke, Is* proportional:
Is* ~ Us – UR (1)
Die mit dieser Reizstromstärke, Is*, während der Reizzeit fließende effektive
Ladungsmenge, Qs*, ergibt sich als Produkt von Strom und Zeit:
Qs* = Is* × Ts (2)
Mit Gl. (1) wird Gl. (2)
Qs* ~ (Us – UR) × Ts (3)
Ist die zum Überschreiten der Schwelle benötigte Ladungsmenge Qs* für alle
Reizdauer-Werte Ts konstant, so gilt
(Us – UR) × Ts = const (4)
Dies ist die Darstellung einer Hyperbel, in welcher Us die Ordinate (y-Achse), Ts die
Abszisse (x-Achse) und UR die Asymptote darstellen.
Abb. 1: Reizzeit-Spannungskurve des peripheren Nerven. Rheobase = UR bei Ts→∞. Chronaxie = Ts bei Us = 2 × Rheobase.
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In dem aus vielen Fasern bestehenden Nerven ist die zum Erreichen der Schwelle
notwendige Schwellenreizspannung nicht für alle Fasern gleich. Dies hat zwei Gründe:
1. Die Schwellendepolarisation wird für dickere Fasern schon bei geringerer
Reizspannung erreicht.
2. Die den Reizelektroden näher liegenden Fasern werden stärker als die ferner liegenden
vom Reizstrom durchflossen und daher stärker depolarisiert.
Damit gilt für das vom gesamten Nerven abgeleitete Summenaktionspotential im
Gegensatz zum Einzelfaser-Aktionspotential nicht die Alles-oder-Nichts-Regel. Da sich die
Aktionspotentiale der einzelnen Nervenfasern im Summenpotential addieren, nimmt die
Amplitude des Summenaktionspotentials mit der Anzahl der aktiven Fasern zu.
In dem vorliegenden Versuchsaufbau wird im wesentlichen das
Summenaktionspotential der dicken, schnellleitenden myelinisierten Fasern (Typ Aα oder
Gruppe I) beobachtet. Sie verursachen die erste Potentialschwankung, die nach dem Reiz an
der Ableitelektrode eintrifft. Die Messungen werden an diesem Potential durchgeführt.
B. Das virtuelle Labor
Die Messungen erfolgen mit dem Programm SimNerv im virtuellen Labor.
Abbildung 2 zeigt den Versuchsaufbau:
- Reizgenerator (links oben): dient als Spannungsquelle, mit der Einzelreize (MODE: Single)
oder Doppelreize (MODE: Twin) erzeugt werden können. Außerdem können Reizstärke in
mV (AMPLITUDE) und Reizdauer in ms (DURATION) sowie für Doppelreize der
Reizabstand in ms (DELAY) eingestellt werden.
- Oszillograph (rechts): stellt den Reiz (CHANNEL 1) und die elektrischen Aktivitäten der
Nervenfasern (CHANNEL 2) dar. Mit der Zeitachse (TIMEBASE) kann die Zeitdarstellung
auf der x-Achse reguliert werden. Beispiel: Einstellung 1 = 1 ms/Div (Division = Kästchen).
Die Größe von Reiz (CH1) und Summenaktionspotential (CH2) können in mV/Div jeweils so
eingestellt werden, dass sie gut sichtbar sind und in nicht über den dargestellten Bereich
hinausgehen.
- Messkammer (unten links): unter der Abdeckung (mit Cursor öffnen) befinden sich 2
Reizelektronen (Gelb und Blau) und 2 Ableitelektroden (Grün und Rot), in der Mitte
dazwischen liegt die Erdungselektrode.
- Nervenpräparate in Petrischale (unten mitte): eins davon wird jeweils mit dem Cursor in die
Messkammer gelegt.
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Abb. 2: Schema des Versuchsaufbaus für Arbeitsplatz I: „Nerv“.
C. Aufgaben
1. Reizzeit-Spannungskurve
Es soll bei verschiedenen Werten der Reizzeit (= Impulsdauer, T) diejenige
Reizspannung (= Impulsamplitude, U) ermittelt werden, die gerade ein
Summenaktionspotential am Nerven auslöst. Diese Impulsamplitude nennen wir
Schwellenreizspannung (US) und die dazugehörige Reizzeit nennen wir Schwellenreizzeit
(TS).
Versuchsdurchführung: Zunächst legen Sie ein Nervenpräparat in die Messkammer
ein (mit Cursor und gedrückter linker Maustaste). Danach wird eine Impulsdauer von T =
10 ms eingestellt. Ausgehend von einer Amplitude von ca. 10 mV wird U so lange erhöht, bis
auf dem Oszillographenbild (hohe Empfindlichkeit am Kanal II des Oszillographen einstellen,
Timebase = 1 ms/Div.) gerade ein Summenaktionspotential sichtbar wird, damit ist die
Schwellenreizstärke US für diese Reizdauer TS erreicht. Dieser Wert von U wird als
Reizschwelle Us in Tabelle 1 bei Schwellenreizzeit, Ts = 10 ms eingetragen. Sodann wird die
Bestimmung von Us bei den in Tabelle 1 aufgeführten Werten von Ts wiederholt. Achtung:
Durch geeignete Verwendung des Multipliers können Sie die Reizdauern und
Reizamplituden präziser eingeben.
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Die so ermittelten Werte der Tabelle 1 werden als Reizzeit-Spannungskurve in einem
Diagramm (Millimeterpapier) eingetragen, wobei Ts die Abszisse und Us die Ordinate bilden
(Diagramm 1; s. Abb. 1). Die Ordinatenteilung wird so gewählt, dass die Gesamthöhe der
Ordinate etwa dem höchsten gemessenen Schwellenpotential entspricht. Aus Diagramm 1
werden ermittelt:
Rheobase: UR = Grenzwert von Us bei großem Ts.
Chronaxie: TC = Wert von Ts bei Us = 2 × Rheobase.
Der aus dem Diagramm 1 abgelesene Wert der Chronaxie wird experimentell
kontrolliert, indem U auf den doppelten Rheobasenwert eingestellt und die dazugehörige
Schwellenreizzeit Ts gesucht wird.
Rheobase und Chronaxie werden in Tabelle 1 und in die Sammeltabelle (Ende der
Anleitung) eingetragen. Die ermittelte Rheobase UR wird von den jeweiligen US-Werten
abgezogen und in die dafür vorgesehene Spalte der Tabelle 1 eingetragen. Das Produkt aus
(Us – UR) und Ts wird für jeden Ts berechnet und in die letzte Spalte der Tabelle 1
eingetragen. Dieses Produkt ist der Ladungsmenge (I x t) proportional, die zum Überschreiten
der Schwelle benötigt wird, und sollte nach Gl. (4) konstant sein.
2. Rekrutierung
In diesem Versuch wird die Zunahme aktiver Fasern bei zunehmender Reizstärke gemessen.
Versuchsdurchführung: Stellen Sie die Reizdauer auf 1.0 ms (0,1 x 10). Bestimmen
Sie für diese Reizdauer US und das Maximum der Reizamplitude Umax. Beginnen Sie bei der
Schwellenreizspannung Us von Ts = 1 ms aus Tabelle 1. Überprüfen Sie den Wert. Dann
steigern Sie die Reizspannung so lange, bis die Amplitude A auf CH2 nicht weiter wächst.
Die dazu benötigte Reizstärke ist Umax. Nun bestimmen Sie die Differenz Umax-US. 1/10
dieses Intervalls bestimmt die Schrittweite (∆U), mit der US für die folgenden Messungen
erhöht wird. Die Impulsdauer T =1 ms wird in der gesamten Teilaufgabe belassen.
ΔU ≈ 1/10 × (Umax – Us) (5)
(ΔU ist nur ein Richtwert und soll auf Vielfache von 10 mV gerundet werden.) Um
das Intervall zwischen Us und Umax sicher zu erfassen, wird die Messung schon bei Us – ΔU
begonnen und bis Umax + 2 × ΔU fortgesetzt. Zum Schluss Messung bei 2 × Umax.
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Abb. 3: Rekrutierung am Nerven
Ausgehend von Us – ΔU wird U (AMPLITUDE) nacheinander um Vielfache von ΔU erhöht
und A (in Div) gemessen und in Tabelle 2 eingetragen. Dabei sollte zur genaueren Ablesung
bei kleiner Amplitude die Empfindlichkeit am Oszillographen (Channel 2, in mV/Div)
vergrössert werden. Die mV/Div-Werte von Channel 2 werden in Tabelle 2 notiert, um die
Amplituden in mV berechnen zu können. Diese werden nachfolgend als % der
Maximalamplitude Amax ausgerechnet.
Die Werte der Tabelle 2 sind in ein Diagramm (Millimeterpapier) einzutragen, wobei
U (in mV) die Abszisse und A (in % von Amax) die Ordinate darstellen (Diagramm 2).
3. Nervenleitgeschwindigkeit
Es soll die Leitungsgeschwindigkeit (v) der schnellstleitenden Fasern des Frosch-
Ischiadicus gemessen werden.
Versuchsdurchführung: Hierzu wird T (DURATION) auf 1,0 ms und U
(AMPLITUDE) auf Umax (aus Tabelle 2) eingestellt und die Funktion „Single“ ausgewählt.
Öffnen Sie die Messkammer und positionieren Sie die Elektroden Blau und Grün mit
der Distanz, die Sie messen wollen. Vermeiden Sie dabei Kontakt mit der Erdung. Schließen
Sie die Kammer und geben Sie einen Einzelreiz. Auf dem Oszillograph kann v berechnet
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werden aus der Latenzzeit (τ) vom Reizbeginn bis zum Beginn des Summenaktionspotential,
und der Distanz (L) zwischen Reizkathode und Ableitelektrode (siehe Abb. 4).
Abb. 4: Bestimmung der Nervenleitgeschwindigkeit
v = L/τ (6)
Die Distanz L wird in der Messkammer abgemessen. Um die Latenzzeit τ zu erhalten,
wird die Distanz zwischen Beginn des Reizimpulses (entspricht dem Beginn der
Strahlablenkung) und Beginn des Summenaktionspotentials, τ’, am Oszillographen in Div
abgemessen und mit Hilfe der TIMBASE-Einstellung X (ms/Div) auf die Zeit in ms
umgerechnet.
L = .......... mm; τ’ = .......... Div; X = .......... ms/Div
τ = τ’ × X = .......... ms
v = L/τ = .......... mm/ms = .......... m/sec
Wert von v in Sammeltabelle eintragen. Spielt die Temperatur (≈ Raumtemperatur)
eine wichtige Rolle? Tragen Sie die Raumtemperatur bitte in die Tabelle ein. Wäre „v“ bei
37 °C anstatt bei 20 °C höher oder niedriger?
Um welchen Fasertyp handelt es sich bei den Fasern, deren Geschwindigkeit so
gemessen wurde? Sind sie markhaltig oder marklos? Ist die Nervenleitung kontinuierlich oder
saltatorisch? Einerseits ist die Zeit vom Beginn des Reizes zum Erreichen der
Depolarisationsschwelle (= Zeit zur Aufladung der Membrankapazität) in dem so gemessenen
Wert von τ enthalten, wodurch sich ein zu geringer Wert für v ergibt, andererseits erfolgt bei
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hoch überschwelliger Reizung auch eine direkte Reizung benachbarter Schnürringe, was einer
Verkürzung von L entspricht und zu einer Überschätzung von v führt. Der in unserer
Versuchsanordnung entstehende Fehler ist insgesamt gering. (Wie könnte v exakter gemessen
werden?)
4. Relative und absolute Refraktärzeit
Es sollen die relative (Tr) und absolute Refraktärzeit (Ta) des Nerven gemessen
werden (Abb. 5).
Versuchsdurchführung: Der Versuch wird mit Doppelreizung durchgeführt, wobei
zwei Einzelreize mit variablem Abstand T’ (DELAY) aufeinander folgen. Wir arbeiten mit
hoch supramaximaler Reizung (U = 1000 mV) und einer Reizimpulsdauer von T = 1,0 ms
und beginnen mit einem Reizabstand T’ = 10 ms (Timebase = 2 ms/Div), welcher zunächst in
Schritten von 1 ms bis auf 4 ms verringert wird, danach in Schritten von 0.4 ms bis keine
zweite Reizantwort mehr auftritt.
Bei Verminderung des Reizabstands sind die Amplituden erst gleich, dann wird die
Amplitude der zweiten Antwort kleiner bis schließlich kein zweites Summenaktionspotential
mehr auslöst werden kann. In Tabelle 3 werden eingetragen: Reizimpulsabstand (T’),
Amplituden der Summenaktionspotentiale (A1, A2 in Div) und das Verhältnis der
Amplituden (A2/A1). Ins Diagramm 3 werden sodann die Verhältnisse A2/A1 gegen den
Impulsabstand T’ aufgetragen. Ermitteln Sie aus dieser Darstellung die absolute und relative
Refraktärzeit. Tragen Sie diese Werte in die Sammeltabelle ein.
.
Abb. 5: Refraktärität des Nerven: Doppelreizung mit unterschiedlichem Reizabstand
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ARBEITSPLATZ II: NERV – MUSKEL
Messungen am Nerv-Muskelpräparat des M. gastrocnemius mit N. ischiadicus
Gemessen wird zunächst die Dehnung des Muskels (= Längenänderung) bei passiver
Kraftwirkung (Ruhedehnungsverhalten). Der Muskel wird anschließend indirekt durch
Reizung der (motorischen) Fasern des Nerven erregt. Gemessen wird hier die isometrische
Kontraktionskraft des Muskels, d.h. seine Spannungsentwicklung ohne Verkürzung.
B. Methodische Vorbemerkungen
Der ruhende (nicht kontrahierende) Muskel hat elastische Eigenschaften, d.h. er
reagiert auf eine von außen einwirkende Kraft (Gewicht) mit einer entsprechenden Spannung
(F) und einer Dehnung (Längenänderung, Δl). Je größer die Dehnung wird, desto geringer
wird die Elastizität des Muskels, d.h. desto weniger vermag eine Zunahme der Kraft
(Gewicht) den Muskel zu dehnen. Die Beziehung zwischen dehnender Kraft und Dehnung
ergibt die Ruhe-Dehnungskurve des Muskels (s. Abb. 6).
Wird der Muskel zunächst passiv schrittweise gedehnt, z.B. durch Belastung mit einer
zunehmenden Anzahl von Gewichten, und dann schrittweise entdehnt, durch Fortnahme der
Gewichte, so erhält man zusätzlich zur Ruhe-Dehnungskurve eine Ruhe-Entdehnungskurve,
welche rechts von der ersteren liegt (Abb 6). Der unterschiedliche Verlauf beider Kurven
(Hysterese) zeigt, dass der Muskel kein ideal-elastischer Körper ist, sondern plastisch-visköse
Eigenschaften besitzt.
Zur Dehnung des Muskels muss eine bestimmte Energie aufgebracht werden, die sich
als (Kraft) × (Änderung der Muskellänge), also als Fläche unter der Ruhe-Dehnungskurve
(WR + WE) berechnen lässt (Abb. 6). Ein Teil dieser Energie ist als potentielle Energie in den
elastischen Elementen des Muskels gespeichert und wird bei Entdehnung wieder freigesetzt
(WE). Dieser Teil ist als die Fläche unter der Entdehnungskurve gegeben. Damit ist auch die
nicht wieder frei werdende Energie gegeben als die Fläche zwischen Ruhe-Dehnungs- und
Ruhe-Entdehnungskurve (WR). Diese Energie wurde zur Überwindung der durch die
Viskosität verursachten inneren Reibung der Muskelelemente benötigt und ist in Wärme
umgewandelt worden. Diese visköse „Überdehnung“ kann durch supramaximale Reizung mit
isotonischer Kontraktion weitgehend rückgängig gemacht werden, so dass eine erneute
Dehnung wieder (fast) entlang der ursprünglichen Ruhe-Dehnungskurve erfolgt.
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Muskellänge, l (in mm der Ruhelänge ohne Belastung)
Abb. 6: Muskelspannung und Muskeldehnung
In Abb. 6 sind, von einem willkürlichen Punkt (R) auf der Ruhe-Dehnungskurve
ausgehend, die maximale Spannungsentwicklung (ΔFim) bei isometrischer Kontraktion,
sowie die maximale Verkürzung (Δlit) bei isotonischer Kontraktion aufgezeichnet. Die
gesamte Muskelspannung bei isometrischer Kontraktion (F + ΔFim), setzt sich dabei
zusammen aus der passiven Muskelspannung (F), verursacht durch die Ruhedehnung in R,
und der von R aus durch Kontraktion verursachten zusätzlichen Spannung (ΔFim). Verbindet
man für alle übrigen Muskellängen die zugehörigen Punkte (l, F + ΔFim) so erhält man die
Kurve der isometrischen Maxima. Verbindet man für alle Muskellängen die Punkte von
(l + Δlit, F), so erhält man die Kurve der isotonischen Maxima.
Die Kontraktion der Skelettmuskelfaser wird ausgelöst durch ein Aktionspotential des
zugehörigen motorischen Axon.
Bei indirekter Reizung durch elektrische Einzelreizung des Nerven entsteht eine kurze
Kontraktion des Muskels, die Muskelzuckung; sie ist bei fixierter Muskellänge (isometrische
Bedingung) als einmalige kurzzeitige, mechanische Spannungsentwicklung messbar.
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Abb. 7: Indirekte Einzelreizung des Muskels mit langsamer (A) und schneller (B) Registrierung auf dem Oszillographenschirm. Von oben nach unten: Rechteckreiz, Nervenaktionspotential (NAP), Muskelaktionspotential (MAP), Isometrische Kraftentwicklung des Muskels bei Einzelzuckung (MK). Latenz zwischen Reizbeginn und NAP (τ), Dauer von NAP (τNAP), MAP (τMAP) und MK (τMK), sowie Latenzen zwischen NAP und MAP (τN→M), zwischen MAP und MK (τM→K) und zwischen NAP und MK (τN→K).
Aus Abb. 7 ergeben sich die zeitlichen Verhältnisse bei indirekter Muskelreizung:
Dem Reizimpuls folgt nach kurzer Latenz (τ; endlicher Nervenleitgeschwindigkeit!) das
Nervenaktionspotential. Etwas später (Latenz τN→M) folgt das Muskelaktionspotential und
wiederum etwas später (Latenz τM→K) die Muskelkontraktion, gemessen hier als
isometrische Spannungsentwicklung. τN→K ist die Summe dieser Latenzen und gibt die
Verzögerung der Muskelkontraktion gegenüber dem Nervenaktionspotential an.
Die Dauer der Muskelkontraktion (τMK) ist um ein Vielfaches länger als die Dauer
des Muskelaktionspotentials (τMAP), und insbesondere länger als die Dauer des
Nervenaktionspotentials (τNAP). Das Ausmaß der in einer Zuckung entwickelten Spannung,
die wir als Amplitude AK der isometrischen Kontraktion messen, hängt ab von der Zahl der
aktiven Muskelfasern, also von der Zahl der aktiven motorischen Einheiten und somit von der
Zahl der durch den Reiz aktivierten (motorischen) Nervenfasern (Rekrutierung). Die Zahl der
aktivierten Nervenfasern drückt sich in der Höhe der ersten steilen Welle des
Summenaktionspotentials des Nerven aus (AN, s. Abb. 7). (Da die motorischen Nervenfasern
vom schnellstleitenden Typ A sind, sind ihre Aktionspotentiale in der ersten
Potentialschwankung der Ableitelektroden enthalten.)
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Abb. 8: Muskelkontraktion bei (indirekter) Doppelreizung mit unterschiedlichem Reizabstand
Folgt ein zweiter Reiz dem ersten in einem Zeitabstand, der länger ist als die Dauer
der Einzelkontraktion, so antwortet der Muskel mit einer zweiten Kontraktion von ähnlicher
Amplitude wie die erste. Ist jedoch der Reizabstand kleiner als die Dauer der Einzelzuckung,
so addiert sich die zweite Zuckung zum Kontraktionsrückstand der ersten, und das Maximum
der nach dem zweiten Reiz entwickelten Spannung übersteigt das durch den ersten Reiz
hervorgerufene Spannungsmaximum (Abb. 8). Bei periodischer Reizung führt diese
Summation der Einzelzuckungen zu einer Verstärkung der Spannungsentwicklung, dem
Tetanus. Ist die Reizfrequenz niedrig, so können bei periodischer Reizung die einzelnen
Zuckungen im Tetanus getrennt wahrgenommen werden (unvollständiger Tetanus). Bei
höherer Reizfrequenz (Reizabstand kleiner als etwa 1/3 der Dauer der Einzelzuckung)
verschmelzen die individuellen Zuckungen zu einer glatten Kontraktion (vollständiger
Tetanus). Unterschreitet der Reizabstand die Refraktärzeit von Nerv- oder
Muskelaktionspotential, so sinkt die Spannungsentfaltung wieder ab, weil nicht jeder
elektrische Reiz durch ein Nervenaktionspotential beantwortet wird.
C. Versuchsaufbau
Abbildung 9 zeigt den Versuchsaufbau:
- Reizgenerator für die Nervenreizung (links oben): hier können Sie Amplitude und
Reizabstand (Delay) bei Doppelreizen (Twin) und Reizserien (Train) einstellen. Die
Reizdauer ist auf 1 ms fixiert.
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- Apparatur zur Aufhängung des Muskels (unten links) mit Transducer zur Längen- und
Spannungs- (Kraft-) Messung. Hier können Sie den Muskel frei hängen lassen (free) oder in
einer gegebenen Länge fixieren (lock) sowie zwischen Längenmessung (LENGTH) und
Kraftmessung (FORCE) wählen. Der Muskel ist mit seinem innervierenden Nerven (gelb)
verbunden, d.h. er kann durch elektrische Reizung des Nerven mit Hilfe des Reizgenerators
erregt werden (indirekte Reizung).
- Oszillograph (rechts): Der genaue Zeitpunkt der elektrischen Reizung des Nerven kann als
Ereignis auf dem Bildschirm des Oszillographen dargestellt werden (Kanal I). Der
Oszillograph an diesem Versuchsplatz ist ein digital speicherndes Gerät, das es ermöglicht,
zwei verschiedene einmalige Vorgänge auf zwei getrennten Spuren zu speichern und auf dem
Bildschirm als stehendes Bild darzustellen („Store“).
- Gewichte (unten mitte): Am unteren Ende des Muskels können unterschiedlich schwere
Gewichte an der Öse angebracht werden, um den Muskel nach unten zu ziehen (dehnen). Dies
kann mit Hilfe einer Messskala rechts in mm abgelesen werden, und von dem Messgerät
rechts daneben (Transducer) registriert werden. Das Signal wird auf dem Oszillograph
ausgegeben (Kanal II). Eine Verkürzung oder eine Kraftentwickliung des Muskels, z.B. durch
eine aktive Muskelkontraktion, wird vom Transducer registriert und auf dem Oszillograph
ausgegeben.
- Muskelpräparate in Petrischale (unten rechts): sie können in die Meßapparatur links
gebracht werden.
Abb. 9: Versuchsaufbau des Arbeitsplatzes II: „Nerv-Muskel“
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D. Aufgaben
Hinweis: Die nachfolgenden Versuche müssen unbedingt in der aufgeführten
Reihenfolge durchgeführt werden!!
1. Passive Dehnung und isometrische Maxima
Es sollen (1.) die Ruhedehnung sowie (2.) die isometrischen Maxima bei
verschiedenen Muskellängen (Vordehnungen) gemessen werden.
Versuchsdurchführung: (1.) Ruhedehnung. Die Messung beginnt bei locker
aufgehängtem Muskel (Länge L0) ohne angehängtes Gewicht. Stellen Sie den Transducer auf
die Position „free“ und wählen Sie die Messart „LENGTH“. Vergessen Sie nicht, NUR VOR
der ersten Messung einen Null-Abgleich („Zero Adjust“) des Signals am Transducer
vorzunehmen. Aktivieren Sie die Speicher-Option am Oszillograph („Store“) und geben Sie
vom Stimulator einen Reiz mit der Amplitude = 0 mV. Messen Sie die Muskellänge
(Einstellung von CH2 auf 100 mV/Div, das sind bei Kalibrierung: „Length 50 mV/mm“ =
2mm/Div). Nun wiederholen Sie die Messung bei zunehmender Anzahl von Gewichten, um
so die passive Längenänderung in Abhängigkeit von der Kraft der Gewichte zu bestimmen
(siehe Abbildung 10). Das Ergebnis (passive Dehnung in mm)“ tragen Sie in die Tabelle 4
ein.
Abb. 10: Passive Dehnung
21
2.) Isometrische Maxima. In dieser Versuchsreihe wird der Muskel durch einen
supramaximalen Nervenreiz erregt und die Amplitude der Muskelkontraktion aus dem
gespeicherten Kontraktionsverlauf als FK bestimmt. Hierbei muss am Transducer die Position
„lock“ sowie eine Messung der „FORCE“ eingestellt werden (mit Cursor das Kabel von
LENGTH nach FORCE umstecken)! Meßbeispiele sehen Sie in Abb. 11. Tragen Sie den
gemessen Wert in die Tabelle 4 unter „Kraft bei isometrischer Kontraktion FK (N)“ ein. Nun
wird die Muskellänge durch wiederholtes Anbringen eines 50g Gewichtes erhöht, und bei
jeder neuen Muskellänge wird die Bestimmung der isometrischen Kontraktionsamplitude
erneut vorgenommen und in Tabelle 4 eingetragen. Wichtig: vor jeder Messung zur
isometrischen Kontraktion muss am Transducer ein „Zero Adjust“ durchgeführt werden.
Auswertung: Die Ruhe-Dehnungskurve für passive Dehnung sowie die Kurve der
isometrischen Maxima werden als Zeichnung auf Millimeterpapier angefertigt. Die
Darstellung ist analog zur schematischen Abb. 6, aus Tabelle 4 werden auf der Abszisse die
Dehnung in mm und auf der Ordinate die Gewichte in g aufgetragen. Die isometrischen
Maxima werden im selben Diagramm eingetragen (300 g entsprechen annähernd 3 N). Trägt
man, von der Ruhedehnungskurve ausgehend, die Endwerte für die jeweils entwickelte Kraft
(senkrecht nach oben = isometrische Kontraktion) auf, so ergibt die Verbindung dieser
Endpunkte die Kurve der isometrischen Maxima. Ermitteln Sie aus diesem Diagramm auch
die maximale Einzelzuckungskraft ΔFmax (maximale Differenz zwischen Ruhedehnungswert
und isometrischem Maximum) und tragen Sie diese in die Sammeltabelle ein.
Abb. 11 Isometrische Maxima
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2. Zeitbeziehungen von Reiz und Muskelzuckung
Es sollen durch (supramaximale) indirekte Reizung ausgelösten Einzelzuckungen die
folgenden Größen gemessen werden (siehe Abb. 9):
– Latenz zwischen Reiz und Muskelzuckung τN→K,
– Dauer der Muskelzuckung, τMK.
Hierzu sind folgende Parameter zu verwenden: Gewicht 100 g, Reizamplitude: 400 mV,
Timebase: 20 ms/Div, Channel 1: 1000 mV, Channel 2: 50 mV/Div, Mode „single“, „free“,
Length – Messung.
Die Meßsignale werden auf dem Oszillographen gespeichert und direkt ausgemessen.
Die Werte der Latenz und Dauer der Muskelzuckung werden in die Sammeltabelle
übertragen.
3. Superposition von Muskelzuckungen
Ähnlich wie in Aufgabe 4 des Nervenversuchs wird der Muskel mit Doppelreizen
unterschiedlichen Reizabstandes indirekt gereizt. Wir lassen Gewicht und Reizamplitude wie
unter 2. Bei langsamer Ablenkgeschwindigkeit am Oszillographen (Timebase 50 ms/DIV)
wird zunächst der gesamte Zeitverlauf der Muskelzuckung registriert. Nun wird bei Stellung
„Twin“ für den zweiten Reiz ein Reizabstand, T’ („Delay“) von 200 ms eingestellt, der größer
ist als die Dauer der Zuckung (siehe Abb. 12 a) . T’ wird dann in Stufen vermindert (200, 150,
100, 75, 50, 25, 20, 10, 5 ms) und die Amplitude der ersten und der zweiten
Muskelkontraktion (AK1 und AK2) in Div ausgemessen und in Tabelle 5 eingetragen (Abb.
12 b). Sobald beide Kontraktionsgipfel zu einem maximalen Gipfel verschmolzen sind, wird
zuerst nach einer Einzelreizung AK1 gemessen und darauf mit einer Doppelreizung der
gemeinsame Gipfel als AK2. Für alle Reizabstände wird das Verhältnis AK2/AK1 berechnet
und der maximale Wert von AK2/AK1 (maximale Superposition) in die Sammeltabelle
übertragen.
23
Abb. 12a,b: Superposition von Muskelzuckungen
4. Tetanische Muskelkontraktion
Ausgangseinstellungen: Amplitude 500 mV, Gewicht 100 g, mode „free“, Messung
LENGTH. Channel 1: 1000 mV/Div, Channel 2: 50 mV/Div. Am Reizgenerator Serienreiz
„Train“ einstellen. Timebase 200ms/Div.
Der Muskel soll über seinen Nerven (indirekte Reizung) periodisch gereizt werden mit
den folgenden Frequenzen: 2, 5, 10, 15, 20, 30, 50, 100 Hz. Die hierfür einzustellenden
Delays (ms) und Counts sind in Tabelle 6 vorgeschlagen. Beispiel: f (Hz) 20, D=50 ms,
Counts=20. Bei jeder dieser Frequenzen soll die Muskelkontraktion während 2 sec nach
Beginn des Reizes gespeichert und beobachtet werden. Abbildung 13 ist ein Beispiel einer
Registrierung mit drei verschiedenen Frequenzen.
24
Vom Oszillographenschirm werden für jede Reizfrequenz (f) abgemessen und in
Tabelle 6 eingetragen:
– Amplitude der ersten isolierten Einzelzuckung, A0 (in Div); wenn diese beim Übergang
zum Tetanus nicht mehr einzeln messbar ist, eine Einzelzuckung auslösen und daran A0
bestimmen.
– Bei tetanischer Reizung Kontraktionsgipfel 500 ms nach Reizbeginn, A500 (in Div)
bestimmen. Sollte bei 500 ms eben kein Kontraktionsgipfel auftreten, wird der Mittelwert
der beiden nächstliegenden Gipfel gemessen.
– Verhältnis von A500/A0.
Beobachtet und in die Sammeltabelle eingetragen werden ferner:
– Verschmelzungsfrequenz, fV (= Reizfrequenz, bei der ein weitgehend glatter Tetanus
beobachtet wird),
Der Maximalwert von A500/A0 wird aus Tabelle 6 abgelesen und in die Sammeltabelle
eingetragen. Er zeigt, um wieviel die Kraft der Kontraktion einer Muskelfaser und eines
Muskels durch Erhöhung der Reizfrequenz gesteigert werden kann.
Abb. 13: Muskelkontraktion bei periodischer Reizung mit unterschiedlicherReizfrequenz
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Tabelle 1: Reizzeit-Spannungskurve
TS (ms)
US (mV)
US – UR (mV)
(US – UR) × TS (mV × ms)
10
8
6
4
3
2
1
0,9
0,8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0,2
0.1
Rheobase: UR= mV
Chronaxie: TC= ms
26
Tabelle 2: Rekrutierung am Nerven
Reizschwelle bei T = 1.0 ms: US = mV
Maximum von A erreicht bei: Umax = mV
Umax – US = mV
1/10 × (Umax – US) = mV
auf 10er gerundet: ΔU = mV
n U =
US + n × ΔU (mV)
Empfindlichkeit Channel 2 (mV/Div)
A
(Div) (Div) (% von Amax)
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
2 × Umax
27
Tabelle 3: Refraktärität am Nerven
T’(ms) A1 (Div) A2 (Div) A2/A1
10
8
6
4
3,6
3,2
2,8
2,4
2
1,6
1,2
0,8
0,4
28
Tabelle 4: Ruhe-Dehnungswerte und isometrische Kontraktions-Maxima
Gewicht G0 + (g)
passive Dehnung (mm)
isometrischer Kontraktion FK (N)
0
50
100
150
200
250
300
29
Tabelle 5: Superposition der Muskelzuckungen
T’ (ms) AK1 (Div) AK2 (Div) AK2/AK1
200
150
100
75
50
25
20
10
5
30
Tabelle 6: Amplituden der Einzelzuckung (A0) und der tetanischen Kontraktion nach
500 ms (A500) bei indirekter Muskelreizung mit steigender Reizfrequenz (f)
f (Hz) count T’ (ms) A0 (Div) A500 (Div) A500/A0
2 2 500
5 5 200
10 10 100
15 15 65
20 20 50
30 30 30
50 50 20
100 100 10
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SAMMELTABELLE
Name: Gruppe: Datum:
Messgröße Symbol Einheit MesswertPLATZ I: NERV
Rheobase UR mV
Chronaxie TC ms
maximale Nervenleitgeschwindigkeit v m/s
bei Temperatur t °C
absolute Refraktärzeit Ta ms
relative Refraktärzeit Tr ms
PLATZ II: NERV-MUSKEL
maximale Einzelzuckungskraft ΔFmax N
Latenz Reiz→MK τN→K ms
Dauer der Muskelkontraktion τMK ms
maximale Superposition AK2/AK1 –
maximale tetanische Kraftentwicklung A500/A0 –
Verschmelzungsfrequenz fV Hz
