实验四-五 影响肌肉收缩的因素

实验四-五骨骼肌收缩的探究

介绍

一、探究目标

1.探究骨骼肌电活动与肌肉收缩的时相关系。

2.探究影响肌肉收缩的因素，例如刺激强度、刺激频率等。

二、相关资料

蛙类的一些基本生命活动和生理功能与恒温动物相似，而其离体组织所需的生活条件比较简单，易于控制和掌握。因此在实验中常用蟾蜍或青蛙的坐骨神经-腓肠肌标本来观察兴奋与兴奋性、刺激与肌肉收缩等基本生理现象和过程。

骨骼肌收缩时，骨骼肌兴奋在前，收缩在后。即在神经冲动的作用下，骨骼肌首先产生动作电位，然后发生收缩。在一次单收缩中，动作电位时程仅数毫秒，而收缩过程可达几十甚至几百毫秒。收缩的时程比兴奋的时程大很多。

骨骼肌由许多肌纤维组成。实验可证明刺激增加，参与收缩的运动单位增加，收缩的强度亦增加。刺激支配腓肠肌的坐骨神经或直接刺激腓肠肌时，不同的刺激强度会引起肌肉的不同反应。当刺激强度过小时，不引起肌肉发生收缩反应，此时的刺激为阈下刺激。当全部肌纤维同时收缩时，则出现最大的收缩反应。这时，即使再增大刺激强度，肌肉收缩的力量也不再随之加大。可以引起肌肉发生最大收缩反应的最小刺激强度为最适刺激强度。

两个同等强度的阈上刺激，相继作用于神经—肌肉标本，如果刺激间隔大于单收缩的时程，肌肉则出现两个分离的单收缩；如果刺激间隔小于单收缩的时程而大于不应期，则出现两个收缩反应的重叠，称为收缩的总和。当同等强度的连续阈上刺激作用于标本时，则出现多个收缩反应的叠加，此为强直收缩。当后一收缩发生在前一收缩的舒张期时，称为不完全强直收缩；后一收缩发生在前一收缩的收缩期时，各自的收缩则完全融合，肌肉出现持续的收缩状态，此为完全强直收缩。

因此，运动神经元发放冲动的频率同样会影响骨骼肌的收缩形式和收缩强度。在一次单收缩中，动作电位时程（相当于绝对不应期）仅1～2ms，而收缩过程可达几十甚至几百毫秒，因而骨骼肌有可能在机械收缩过程中接受新的刺激并发生新的兴奋和收缩。新的收缩过程可以与上次尚未结束的收缩过程发生总和。当骨骼肌受到频率较高的边疆刺激时，可出现以这程总和过程为基础的强直收缩。如果刺激频率相对较低，总和过程发生在前一次收缩过程的舒张期，会出现不完全强直收缩；如提高刺激频率，使总和过程发生在前一次收缩过程的收缩期，就会出现完全性强直收缩。通常所说的强直收缩是指完全性强直收缩。

三、实验假说

1.肌肉收缩时，先有神经电位变化，再传导至肌肉，引起肌电变化，最终产生肌肉收缩。

2.对于肌肉的刺激强度低于阈值时，肌肉不发生收缩；高于阈值时，首先随着刺激强度的

增加而肌肉收缩强度增加，到最适刺激强度后，肌肉收缩程度不再增加，达到最大值。

3.随着刺激频率增加，肌肉收缩从单收缩变为不完全强直收缩，最后变为完全强直收缩。 实验材料和方法步骤

一、实验材料和设备

青蛙或蟾蜍、常用手术器械（包括粗剪刀、手术剪、手术镊、眼科剪、眼科镊、金属探针、玻璃分针）、固定针、锌铜弓、蜡盘、培养皿、污物缸、棉线、纱布、滴管、任氏液

RM6240计算机采集系统、JZ100型张力换能器(50 g)、支架、一维位移微调器、肌槽、双针型露丝电极

二、实验步骤

1.制备蛙的坐骨神经—腓肠肌标本

1)毁脑和脊髓

取青蛙一只，用纱布包裹青蛙的四肢和躯干，露出头部。用左手握住青蛙，并用食指压其头部前端使其尽量前俯，拇指按压背部，使头部前俯；右手持金属探针由头前端沿中线向尾方划触，触及凹陷处即枕骨大孔处转向头方，向前探入颅腔内，然后向各个方向搅动探针，以捣毁脑组织。如探针确实在颅腔内，可感觉出针在四面皆壁的腔内。

脑组织捣毁后，将探针退出，再由枕骨大孔刺入,并转向尾方,与脊髓平行刺入椎管,以确坏脊髓，要确定脑和脊髓是否完全破坏，可检查动物四肢肌肉的紧张性是否完全消失。

2)剥制后肢标本

自青蛙的两侧腋部以下完全剥离皮肤（注意：可事先剪去尾椎末端及汇殖腔附近的皮肤，使剥离更容易）。而后倒提蛙腿，使其头部向下，用手术剪横向剪开腹部肌肉，看清脊神经后,用粗剪刀剪断脊柱(注意铁损伤坐骨神经)。把标本浸泡于盛有任氏液的培养皿中，将手及用过的剪刀、镊子等全部手术器械洗净，再继续下面的步骤。

3)制备坐骨神经腓肠肌标本

游离坐骨神经。取其中的一支蛙腿，将标本仰卧位置于蜡盘上，使其充分伸展呈人字形，用三根大头针将标本钉在蜡盘上。然后再用玻璃分针循股二头肌和半膜肌之间的坐骨神经沟，纵向分离暴露坐骨神经大腿部分，直至分离至腘窝胫腓神经分叉处，然后剪断二头肌，半腱肌和半膜肌肌腱，并绕至前方剪断股四头肌腱。自上而下剪断所有坐骨神经分支，将连着3～4节椎骨的坐骨神经分离出来。

4)分离腓肠肌

用玻璃分针或镊子分离腓肠肌和跟腱，并穿针结扎。在结扎远端用粗剪刀剪断跟腱，左手执线提起腓肠肌，用手术剪减去其周围联系的组织，但保留腓肠肌起始点与骨的联系，注意切勿损伤支配该肌的神经分支。

5)完成坐骨神经腓肠肌标本

将已经游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，在距膝关节约1 cm处剪断股骨。弃去上段股骨，保留部分即坐骨神经—腓肠肌标本。将标本放在盛有新鲜任氏液的培养皿中待用。

6)标本活性检验

用手术镊轻轻提起标本的脊柱骨片，再用经任氏液润湿的锌铜弓刺激神经。若腓肠肌迅速发生收缩反应，说明标本机能良好，制备成功。应及时移至盛有任氏液的培养皿中，供实验所用。

1.固定标本并连接装置

1)将坐骨神经腓肠肌标本所带的股骨断端固定于肌槽的骨头固定孔内。

2)腓肠肌肌腱上的扎线和张力换能器金属弹性梁臂上相连。

3)然后将标本的坐骨神经干搭在肌槽的电极上，电极接头与一根与刺激输出线相接，传

导刺激信号，另一根与输入线相接，通入输入信号采集装置，记录神经电位。

4)利用一维位移微调器调节扎线的张力，不可过松或过紧，使肌肉自然拉平为宜。（保

证肌肉一旦收缩，即可牵动张力换能器的金属弹性梁）。

5)将双针形露丝电极置于腓肠肌表面，通过信号输入线接通入肌电信号通道。

6)完成装置，整体效果如图1所示。在记录肌肉收缩与神经电位、肌电的时相性关系时，

肌电电极和神经电极都需输入信号采集器，记录刺激强度和频率对肌肉收缩的影响

时，上述两电极不必接入信号采集器。

图1 标本的固定及装置安装图

2.实验观察记录与探究

1)骨骼肌电兴奋与收缩的时相关系探究

a)如图1固定蛙的腓肠肌标本后，连接好仪器，打开计算机信号采集系统，开始实

验。

b)选择单刺激，调节刺激强度为阈上强度，扫描速度一致启动刺激图标，用比较显

示方式扫描，开始刺激并保存文件。观察神经电兴奋、肌电信号与肌肉收缩曲线

的关系。

c)分别测量刺激标记至神经电信号、肌电信号和肌肉收缩终点的时间。

2)刺激强度对骨骼肌收缩影响的探究

a)如图1固定蛙的腓肠肌标本后，连接好仪器，打开计算机信号采集系统，开始实

验。

b)选择项目“刺激强度与反应的关系”。调节刺激延时至最小，波宽1 ms，选择强

度递增刺激方式刺激，尝试调节刺激参数至最佳，放大倍数设为10～20倍或灵

敏度30 g/div，滤波频率为100 HZ，扫描速度1.0 s/div(放大倍数，滤波频率及扫

描速度可根据实验标本不同具体设置，延时设为最小)，开始刺激并记录。

c)当刺激强度达到某一数值后，肌肉收缩幅度不再随刺激强度的增加而升高，记录

3～4次同等的收缩强度后停止刺激，保存并分析实验记录。

3)刺激频率对骨骼肌收缩影响的探究

a)如图1固定蛙的腓肠肌标本后，连接好仪器，打开计算机信号采集系统，开始实

验。

b)选择实验项目“刺激频率与反应的关系”。调节刺激的延时，波宽至最小，放大

倍数一般为10～20倍，滤波频率为100 HZ。

c)用“频率递增”刺激模式，调节至合适的刺激参数，选择合适的扫描速度（500

ms/div）和信号增益，使单收缩的幅度减少至3～5 mm。

d)开始刺激并记录文件，直至出现完全强直收缩，停止刺激，保存文件并分析。

结果

一、实验参数记录

1.记录参数

表4-1 信号采集系统记录参数表

2.刺激器参数

表4-2 刺激器参数

二、实验图形记录

实验图形记录见附录

三、实验结果描述

1.神经电位、肌电与骨骼肌时相性

在给予刺激后，神经干动作电位产生在前，肌肉收缩在后，在神经冲动的作用下，骨骼

肌首先产生动作电位，然后发生收缩。在一次单收缩中，刺激标记至神经电信号的时间

为3 ms，刺激标记至肌电信号终点的时间为12.3 ms，而刺激标记至肌肉收缩终点的时间

程为388 ms，由此可见收缩持续的时程要远远大于兴奋的时程。

2.刺激强度对骨骼肌收缩的影响

阈刺激为0.085 V，最大刺激为0.130 V，最大刺激强度刺激时的肌肉收缩力为23.52 g。

当刺激强度小于0.085 V时，肌肉不产生收缩反应；当刺激强度大于0.130 V时，即使刺

激强度继续增大，肌肉的收缩幅度也不再增强。

3.刺激频率对骨骼肌收缩的影响

不同频率刺激刺激坐骨神经对腓肠肌收缩张力的影响：刺激波宽0.1 ms，最大刺激强度

时，单收缩的最大收缩力为12.1 g、不完全强直最大收缩力73.9 g和完全强直最大收缩力

109.4 g。

讨论和结论

一、讨论与结论

1.骨骼肌收缩的时相性实验中，测得骨骼肌单收缩的时程为75 ms，半舒张时程为150 ms，

由理论计算可知，在阈上刺激的频率对骨骼肌收缩影响时，7～15 Hz的刺激可引起不完

全强制收缩，15 Hz以上的刺激可以引起完全强直收缩。计算结果与实验结果相一致。

2.整理刺激强度与肌肉收缩力的关系，得到一下关系：

可知，在低强度刺激时，收缩力与刺激强度呈线性关系，随着刺激强度增加，收缩力与刺激强度呈二次关系。并且，有理论计算可知，阈刺激强度为0.81 mV，计算结果比实验精细，具有指导意义。

3.时相性实验中，随着实验进行，肌肉疲劳，时相性数值稍有改变。

4.在刺激频率对收缩的影响的实验中，换能器的量程过小，不利于准确获得完全强直收缩，

建议实验室配置更大量程的换能器。

5.在实验中，应不断地向标本滴加任氏液，使之保持较好的活性。

6.由于实验中该标本放置较久，因此活性有所下降，其阈刺激值较大。在实验中，应尽快

使用标本，若不使用时应浸泡在任氏液中，保持标本的活性。

7.实验中多次刺激标本后，阈刺激有上升，且刺激后肌肉收缩幅度会逐渐减弱，这是由于

多次刺激后造成肌肉疲劳，兴奋性下降。因此应减少不必要的刺激。

8.恒定时间的方波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。刺激电压达到使支配腓肠肌的A 纤维全部兴奋，腓肠肌全部的运动单位增加都兴奋并收缩，收缩张力达单收缩最大值。

9.在实验过程中，当刺激强度超过出现强直收缩的数值时，肌肉收缩张力反而小于其最大

值且逐渐变小，分析原因可能是发生了肌肉疲劳：连续的阈上刺激引起肌肉持续强直收缩一段时间后，肌肉收缩的幅度会逐渐减弱以至消失，也就是肌肉疲劳。

10.刺激频率大小对肌肉收缩的影响是：随着刺激波间隔的减小，腓肠肌收缩张力也逐渐增

大，强直收缩产生的张力显著大于单收缩。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，引起终池中的钙连续释放胞浆内的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。

二、思考题

1.制备坐骨神经-腓肠肌标本时应注意什么？

答：1）破坏脑和脊髓要完全。先用刺蛙针毁脑，再毁脊髓，待四肢松软和呼吸停止，表示脑脊髓已被完全破坏；

2）穿刺脑脊髓前可先用布夹捏头部两侧大的耳后腺以排出分泌物；

3）剥皮后须清洗手及用过的器械并擦干，将标本置于任氏液中，切不可用自来水冲洗标本；

4)分离标本只能用玻璃分针，不可用金属器械或手触摸；

5）分离神经时，切勿伤及神经干及其分支，避免过度牵拉和其他不良刺激；

6）用剪刀正中平分脊柱时，注意不要伤及神经干；

7）跟腱的扎线应扎紧，以防滑脱；

8）为便于固定标本，股骨的保留长度以1 cm为宜，需用粗剪刀将骨表面的肌肉刮净，如骨过粗时，可斜向修剪；

9）制备标本过程中，要经常滴加任氏液，保持湿润，以防干燥；

10）标本制成后，用锌铜弓或中等强度的电流单个刺激标本，当证明标本的兴奋性良好后置于任氏液中10～15 min，待其兴奋性稳定后再进行实验；

11）提取标本时，手提跟腱结扎或用镊子夹住股骨断端，不要直接夹持牵拉标本。

2.锌铜弓为什么可以检测神经肌肉的兴奋性？

答：将一锌片一铜片的一端相连接，而另一部分分离所制成的弓状或镊子状试验用具锌铜弓。将锌铜弓的有力端浸在电解质溶液中时，锌片表面形成内负外正的双电层，再铜片表面形成内正外负的双电层。他们与溶液之间均能产生电位差（电极电位）。在锌与铜接触处，电流按铜→锌方向流动，在溶液中电流方向为锌→铜。当锌铜弓的游离端接触表面湿润的神经或肌肉组织时，电流便向锌→组织→铜的方向流动而在阴极引起一次组织兴奋，当移开的瞬间，电流方向相反在阳极又引起一场组织兴奋，由于神经兴奋的点刺激阈值甚小（约10～8 A），而在锌铜弓接触组织时产生的电流强度较大，足以构成对神经组织肌肉的有效点刺激，因此锌铜弓常被用作检验神经肌肉兴奋性的简便刺激装置。使用时，用少许任氏液润湿，期间不可夹有很多溶液，以免短路。手与金属片间应绝缘。

3.剥皮后的神经肌肉标本出现的血液能用自来水冲洗吗？为什么？

答：任氏液是两栖类动物实验常用的生理盐溶液，含有组织正常生命活动必需的营养物质和电解质，其渗透压和酸碱度也与动物体液相似。因此，用任氏液冲洗标本不会影响组织的兴奋性，而自来水是低渗液，其理化性质与任氏液截然不同，用它冲洗标本会改变组织细胞的理化环境，使标本的兴奋性减小。因此，不能用自来水冲洗标本上的血液。

4.同一标本的阈值刺激和最适刺激强度是否会发生变化？为什么？

答：随着外界环境的改变以及对标本之前的处理的不同，都会导致同一标本阈值刺激以及最适合刺激强度发生改变。导致这个现象的原因是多种的。

如刺激时间不变，刚能引起神经干中兴奋性较高的神经纤维产生兴奋，表现为受这些神经纤维支配的肌纤维收缩，此时的刺激强度即为引起这些神经纤维兴奋的阈强度，具有此强度的刺激叫阈刺激。当刺激强度增大到某一值时，神经中所有纤维均兴奋，此时肌肉作最大的收缩。再继续增强刺激强度，肌肉收缩反应不再继续增大。具有引起肌肉最大收缩的最小刺激强度的刺激称为最适刺激。

决定阈值刺激和最适刺激强度是肌肉的兴奋性，在实际实验中，例如，在做完肌肉的强直收缩这个实验后，肌肉容易疲劳，而这个时候再来做刺激强度与肌肉收缩这个实验，肌肉的兴奋性已经大大下降，效果是远远比不上没做做完肌肉的强直收缩这个实验的肌肉。而在实际的操作中，这种由于外界环境或之前的实验操作而导致的肌肉兴奋性改变几乎是无法避免的，自然，同一标本阈值刺激以及最适合刺激强度发生的改变也是无法改变的。

5.连续电刺激神经，为什么容易产生肌肉疲劳？

答：在离体肌肉神经实验中，给神经连续的最大电刺激引起肌肉持续强直收缩一段时间

后，肌肉收缩幅度会逐渐减弱以至消失，即发生了肌肉疲劳。

引起这种现象主要有三方面原因：

1）可能刺激频率过大，第二次刺激落在第一次刺激的神经相对不应期或者绝对不应期中，于是，则相当于少刺激一次或者说削弱了一次刺激，于是相对于最适宜刺激刺激强度来说，其刺激引起的肌肉收缩反而更小。

2）频繁的电刺激，将会引起神经——骨骼肌接头处对神经递质的抑制，换言之，神经递质更加难以分泌，或者需要更加大的量的神经递质才能产生与最适宜刺激强度的产生的同等反应。故肌肉兴奋性下降，产生肌肉疲劳。

3）过于频繁的电刺激，将会令肌肉的收缩所需的营养物质的缺乏，或者导致代谢物质的积累，这个也会促成肌肉的疲劳。

6.分析讨论不完全强直收缩和完全强直收缩的条件与机制。

条件：当同等强度的连续阈上刺激作用于标本时，则出现多个收缩。若刺激频率足够高，肌肉在收缩过程中又接受新的刺激并发生新的兴奋和收缩时，则产生收缩的叠加。当后一收缩发生在前一收缩的舒张期时，称为不完全强直收缩；后一收缩发生在前一收缩的收缩期时，各自的收缩则完全叠加，肌肉出现无放松的持续的收缩状态，为完全强直收缩。

机制：该现象的产生实质是单收缩时，细胞质内钙离子浓度升高的持续时间太短，以致被活化的收缩蛋白还未产生最大张力时，细胞质内的钙离子浓度就已经开始下降。提高刺激频率，能使肌质网不断释放钙离子，保持其在胞浆内的高浓度，从而使活化的收缩蛋白增加，发生收缩的时间延长，因而增强了收缩的强度，出现收缩的总和。不完全强直收缩时，由于刺激频率不够，钙离子的浓度不能稳定地保持在高位，收缩蛋白还是不能完全充分收缩。而完全强直收缩时，钙离子的浓度高而稳定，使收缩蛋白充分收缩。

7.从刺激开始至肌电出现，标本内部发生了哪些变化？

答：1）兴奋再坐骨神经干上的产生和传导：坐骨神经干受到阈上电脉冲刺激，受刺激部位产生动作电位，沿神经干不衰减地传到支配腓肠肌纤维的运动神经末梢

2）神经肌肉接头兴奋传递：当神经冲动传导到突触前膜中末时，再极短时间内，数百个突出小跑同时破裂，释放出Ach，经过突出间隙扩散至终膜，与其上胆碱结合，引起手提蛋白质构型改变，继而终膜对Na等离子的通透性改变，导致终膜去极化，即产生终板电位

3）肌细胞兴奋的产生：终板电位作为一种局部电位以紧张的方式扩布到终板膜周围的细胞膜，使这些肌细胞去极化，并且达到阈电位水平，发生去极化，肌细胞产生动作电位。

神经末梢兴奋（接头前膜）发生去极化→膜会Ca通透性增加→Ca内流→神经末梢释放地址Ach→Ach通过接头间隙扩散到接头后膜（终板膜）并与N型受体合→终板膜对Na、K （以Na为主）通透性增加→Na内流→终板电位→总和达到阈电位→肌细胞产生动作电位.再神经-肌肉标本中经历了兴奋再神经纤维上的产生、传导，在神经-肌肉接头处的传递，肌细胞兴奋的产生、兴奋的传导、兴奋-收缩的藕联及滑行等一系列生理过程。

8.从肌电至肌肉收缩之间，肌肉内部又有什么生理活动？

答：1）兴奋-收缩耦联：a.兴奋通过横管传导到肌细胞深部；b.横管的电变化导致终末池释放Ca正离子；c.肌肉收缩后被回摄入总管系统。

2）肌丝相对滑行：a. 横管的电变化促使终末池释放Ca正离子；b.肌钙蛋白的构象变化使得原肌球蛋白也发生相应变化；c.肌动蛋白的作用位点一经暴露，横桥端部的作用位点便有可能立即和它结合，同时横桥催化ATP水解；d.横桥一经和肌动蛋白结合，立即向M 线方向摆动，细肌丝在粗肌丝之间滑行，被拉向A带中央。

9.分析神经兴奋、肌肉兴奋与肌肉收缩有何不同？

答：神经兴奋：指的是神经冲动的产生，出现动作电位。即当刺激强度达到阈值时，Na

正离子再生式内流，之前膜的极化不仅完全消失，而且还倒转，产生动作电位。

肌肉兴奋：指的是终板电位扩布到终板膜周围肌细胞膜，使得这些细胞膜也发生去极化，

达到阈电位水平，肌细胞产生动作电位。

肌肉收缩：指的是细肌丝在粗肌丝之间的滑行，反复将由Z线发出的细肌丝推向A带的

中央，使得Z线相互靠拢，肌小节长度变短，于是出现整个肌细胞乃至整块肌肉缩短。 参考文献

1.生理学实验指南，项辉、龙天澄、周文良主编，北京：科学出版社，2008.

2.骨骼肌收缩与电兴奋的时相关系，龙天澄，珠海，2011.

3.姚泰，生理学，北京：人民卫生出版社，2002.

4.

附录

图4-1 神经电位、肌电与骨骼肌收缩的同步性记录

图4-2 刺激强度与骨骼肌收缩情况记录

图4-3 刺激频率对骨骼肌收缩的影响情况记录

单收缩不完全强直收缩完全强直收缩