骨骼肌收缩的力学分析

一、电刺激的强度和频率与骨骼肌收缩反应的关系

【实验目的】

1. 观察刺激强度与肌肉收缩张力之间的关系。

2. 观察刺激频率与肌肉收缩形式之间的关系。

【实验原理】

肌肉、神经和腺体组织称为可兴奋组织，其兴奋性较大，且不同组织、细胞的兴奋表现亦不相同，肌肉组织的兴奋主要表现为收缩活动。刺激（stimulation）要使可兴奋组织发生兴奋，就必须达到一定的刺激量，即刺激强度、刺激时间和强度-时间变化率必须达到一定的值。

通过固定后两个条件，改变刺激强度，记录和测量肌肉的收缩张力，即可测定肌肉组织刚发生兴奋的刺激称为阈刺激（threshold stimulus），阈刺激的强度称为阈强度（threshold strength）。

随着刺激强度的增加，肌肉的收缩张力也相应增大，刺激强度大于阈值的刺激称为阈上刺激（suprathreshold stimulus），能引起组织产生最大兴奋的最小刺激称为最大刺激（maximal stimulus）。

整块骨骼肌或单个肌细胞在受到一次阈或阈上的刺激时，先发生一次动作电位，紧接着出现一次收缩，后者称为单收缩（single twitch）。收缩全过程可分为收缩和舒张两个时期，前者持续时间较后者短。如果给肌肉以连续的脉冲刺激，则肌肉的收缩形式将随刺激的频率高低而不同。

在刺激频率较低时，因每一个新的刺激到来时，由前一次刺激引起的单收缩过程（包括舒张期）已经结束，于是每次刺激都引起一次独立的单收缩。

当刺激频率增加到某一限度时，后来的刺激有可能在前一次收缩的舒张期结束前就出现，于是肌肉在未完全舒张（自身尚处于一定程度的缩短或张力存在）的基础上便进行新的收缩，这就发生了收缩过程的复合，这样连续进行下去，肌肉就表现为不完全强直收缩（incomplete tetanus）。

其特点是每次新的收缩都出现在前次收缩的舒张期过程中，在描记曲线上形成锯齿形；如果刺激频率继续增加，肌肉就有可能在前一次收缩的收缩期结束前或在收缩期的顶点开始新的收缩，于是各次收缩的张力或长度变化就可以融合而叠加起来，使描记曲线上的锯齿形消失，这就是完全强直收缩（complete tetanus）。

【实验对象】

蟾蜍或蛙。

【试剂与器材】

任氏液，BL-420生物信号采集处理系统，蛙类手术器械，肌槽，张力换能器，铁柱架，双凹夹。

【实验方法与步骤】

1. 制备蛙坐骨神经腓肠肌标本　（见第九章，第十节）。

2. 连接实验仪器　将坐骨神经腓肠肌标本固定于肌槽，股骨残端固定于肌槽的小孔中，腓肠肌的跟腱通过结扎线缚在张力换能器悬梁的着力点上，换能器固定于铁柱架的双凹夹上，并与生物信号采集处理系统的输入通道插孔相连。坐骨神经放置于肌槽的刺激电极上，刺激电极连接刺激输出插孔。

3. 实验观察项目

（1）刺激强度对骨骼肌收缩张力的影响。

① 移动双凹夹，拉紧结扎线。

② 刺激参数设置。单次方式，波宽0.1～0.3ms。

③ 观察记录。点击“刺激”按钮，选择最小刺激强度（0.1V），然后逐渐增大刺激强度，记录阈刺激和最大刺激值。

④ 测量每一刺激强度对应的肌肉收缩张力；测量最大刺激时肌肉的收缩期和舒张期的时间，比较两者之间的差异（图22-3）。

（2）刺激频率对骨骼肌收缩形式的影响。

① 选择连续单刺激，波宽0.3～0.5ms，最大刺激强度，刺激间隔时间大于肌肉收缩时程，记录肌肉的单收缩张力曲线。

② 选择双刺激（其余刺激参数不变），改变刺激波间隔，使刺激间隔时间小于肌肉单收缩时程，长于收缩期时间，记录两个收缩的复合曲线。

③ 选择连续刺激，其余刺激参数不变，由低到高调整刺激频率，记录肌肉不完全强直收缩和完全强直收缩的张力曲线（图22-4）。

【注意事项】

1. 每次刺激引起肌肉收缩后须间隔一定的时间（0.5～1min），并常用任氏液湿润标本，以确保肌肉的兴奋性。

2. 刺激频率应从低开始逐渐增加，每种频率的刺激持续时间不宜过长。

3. 如果肌肉在未给刺激时即出现挛缩，应检查仪器接地是否良好，必要时可在肌槽或铁柱架上接一地线。

二、负荷与骨骼肌收缩的关系

【实验目的】

1. 比较前负荷与后负荷对肌肉收缩机械功产生的影响。

2. 找出最适前负荷（或最适初长度）。

【实验原理】

肌肉收缩效能（performance of contraction）表现为收缩时产生的张力（force）和／或缩短程度（shortening），以及产生张力或缩短的速度（velocity）。如果收缩时肌肉的长度保持不变而只有张力的增加，则这种收缩的形式称为等长收缩（isometric contraction）；收缩时只发生肌肉缩短而张力保持不变，称为等张收缩（isotonic contraction）。

肌肉收缩前所承受的负荷叫前负荷（preload），它使肌肉具有一定的初长度。肌肉收缩时所遇到的阻力称后负荷（afterload），它使肌肉收缩时产生相应的张力。在一定范围内，肌肉收缩可随前负荷的增加而加强。

前负荷过大，则导致肌肉收缩力的减弱；后负荷越大，肌肉收缩时产生的张力越大，开始缩短的时间越迟，缩短的速度越慢，缩短的幅度越小。当负荷达一定值时，可导致肌肉收缩只产生张力，而长度保持不变（等长收缩）。

【实验对象】

蟾蜍或蛙。

【试剂与器材】

任氏液、BL-420生物信号采集处理系统、蛙类手术器械、肌槽、张力换能器、铁柱架、双凹夹、可悬挂的小砝码、圆规、直尺。

【实验方法与步骤】

1. 制备蛙坐骨神经腓肠肌标本。

2. 固定标本于肌槽。

3. 实验观察项目

（1）后负荷不变，改变前负荷对骨骼肌收缩的影响。

① 启动生物信号采集处理系统，进入实验状态。

② 先将肌槽水平杠杆下边的螺丝旋上，由于杠杆受螺丝的顶托，故肌肉在收缩前的长度保持不变，然后在水平杠杆上适当位置（距支点1cm）处悬挂100g砝码，采用单个最大刺激强度刺激坐骨神经，记录腓肠肌收缩曲线，此时肌肉收缩的前负荷为0g，后负荷为100g。

③ 将肌槽水平杠杆下边的螺丝下旋，使其离开杠杆，在水平杠杆上相同适当位置处悬挂10g砝码（即前负荷）。然后，将螺丝上旋至刚好顶着杠杆为止，再在10g砝码上加90g砝码，用单个最大刺激强度刺激坐骨神经，记录腓肠肌收缩曲线，此时肌肉收缩的后负荷仍为100g。

④ 按上述方法改变肌肉的前负荷（初长度）为20g、30g、40g、50g、60g、70g、80g、90g、100g，后负荷均为100g，记录肌肉的收缩曲线。

⑤ 计算骨骼肌在不同前负荷下的机械功，并填入下表，绘制肌肉前负荷与肌肉做功关系曲线。在杠杆的砝码连接处测量使杠杆上移1cm，记录的曲线高度H'，以此作为一个校正值。肌肉做功=所加负荷重量（W）×负荷移动（即提高）的距离（h）。h可用收缩曲线高度H除以H'（负荷移动1cm时曲线的高度）算出。即肌肉做功（g·cm）=所加负荷重量（W）×（H／H'）。

（2）前负荷不变，改变后负荷对骨骼肌收缩的影响。

① 用单个最大刺激强度刺激坐骨神经，记录腓肠肌的收缩曲线。此时肌肉收缩的前、后负荷均为0。

② 在肌槽水平杠杆适当位置处悬挂10g砝码，并将其下边的螺丝下旋，使其离开杠杆，使肌肉被拉长，以后始终保持这一初长度。用单个最大刺激强度刺激坐骨神经，记录腓肠肌收缩曲线，此时肌肉收缩的前负荷为10g，后负荷也为10g。

③ 将螺丝上旋，使其刚刚托住杠杆以保持肌肉的初长度不变，然后在原来10g负荷上再加10g，刺激坐骨神经，记录肌肉收缩曲线，这时收缩的前负荷仍为10g，后负荷则增加为20g。

④ 按上述方法不改变肌肉的前负荷（初长度）重量，而后负荷逐渐增加为30g、40g、50g、60g、70g、80g、90g、100g，记录肌肉的收缩曲线。

⑤ 计算骨骼肌在不同后负荷下的机械功，并填入下表，绘制肌肉后负荷与肌肉做功关系曲线。

【注意事项】

1. 腓肠肌肌腱上的线一定要扎紧扎牢，以防止因负荷过大而滑脱。

2. 采用单个最大刺激，在同一组实验中不得随意更动其他刺激参数。

3. 更改负荷进行刺激前，应使肌肉充分松弛并休息1～2min，同时用任氏液冲洗肌肉，以防标本干燥。

　思 考 题

1. 何谓刺激伪迹？有何意义？

2. 神经干动作电位的幅度在一定范围内随刺激强度的变化而变化，这与单根神经纤维动作电位的“全或无”性质是否矛盾？为什么？

3. 双相动作电位的上、下两相幅度为何不等？为什么？

4. 两个记录电极之间损伤神经后，为什么只出现单相动作电位？

5. 本次实验测定得到的坐骨神经传导速度是何类纤维的传导速度？为什么？

6. 依据本次实验数据，判断绝对不应期和相对不应期。

7. 实验中观察到的阈刺激是神经纤维的阈刺激，还是肌肉的阈刺激？为什么？

8. 肌肉收缩过程可以复合而产生强直收缩，此时肌细胞膜上的动作电位是否融合？

9. 如果以心脏代替腓肠肌重复以上实验，你推测可得到什么样的结果？为什么？

10. 试用滑行学说解释最适初长度、后负荷。

11. 为什么在同一组实验中不能更改刺激参数？更改刺激强度或波宽会发生什么影响？为什么？