Физиологические свойства мышц. Утомление

 

Учебно-исследовательская цель занятия:

1.    На основе общебиологических представлений изучить физиологический механизм мышечного сокращения и электромеханического сопряжения.

2.    Сформировать представления о необходимости мышечной активности как одного из важных элементов здорового образа жизни.

 

Вопросы для самоподготовки

1. Строение мышечной ткани и источники развития.

2. Ультрамикроскопическое строение скелетных мышц.

3. Физиологические и физические свойства мышечной ткани.

4. Виды и режимы сокращения мышц.

5. Суммация мышечных сокращений. Тетанус.

6. Механизм электромеханического сопряжения.

7. Строение сократительных и регуляторных белков.

8. Двигательные единицы.

9. Энергетика скелетно-мышечной ткани.

 

 

ДЕМОНСТРАЦИИ

Учебные видеофильмы: «Мышцы человека», «Физиологические свойства мышечной и нервной ткани», «Строение мышцы», «Мышечное сокращение», «Почему мышцы утомляются».

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА

РАБОТА № 1

Виртуальный физиологический эксперимент. Физиология мышечного сокращения

Необходимо: персональный компьютер, программа «M us c 3».

Учебно-исследовательская цель работы: изучить основные понятия и сущность механизмов мышечного сокращения. Визуализировать электромеханическое сопряжение.

Ход работы

Загрузитьпрограмму «M us c 3» (для продолжения нажмите «Enter»).

РАБОТА № 2

Виртуальный физиологический эксперимент. Физиология мышечного сокращения

Необходимо: персональный компьютер, программа LuPraFi-Sim (раздел «Физиология мышечной системы»).

Учебно-исследовательская цель работы: визуализировать и измерить фазы простого мышечного сокращения, проследить связи между силой стимула и силой мышечного сокращения. Изучить виды сложного сокращения поперечно-полосатой мускулатуры и проанализировать получившиеся миограммы.

Ход работы

1. Простое сокращение скелетных мышц.

2. Сокращение скелетных мышц в результате действия нескольких стимулов.

 

РАБОТА № 3

Виртуальный физиологический эксперимент. Физиология скелетных мышц

Необходимо: персональный компьютер, программа PhysioEx 6.0 for Human Physiology (тема «Skeletal muscle physiology»), методические указания по теме: «Физиология скелетных мышц».

Учебно-исследовательская цель работы:

1. Дать определения: моторной единице, растяжению, латентному периоду, фазе сокращения, фазе расслабления, порогу раздражения, суммации, тетанусу, утомлению, изометрическому и изотоническому сокращению.

2. Понять, как нервные импульсы запускают сокращение мышц.

3. Описать фазы одиночного мышечного сокращения.

4. Идентифицировать порог и максимальный стимул.

5. Понять зависимость увеличения интенсивности стимула и силы сокращения мышцы.

6. Понять эффект увеличения частоты стимуляции на силу сокращения мышц.

7. Объяснить механизмы мышечного утомления.

8. Объяснить различия между изометрическим и изотоническим мышечным сокращением.

Ход работы

1. Определение латентного периода.

2. Определение пороговой силы раздражения.

3. Эффект увеличения интенсивности стимула.

4. Феномен лестницы.

5. Суммация мышечных сокращений.

6. Тетанус.

7. Утомление.

8. Изометрическое сокращение.

9. Изотоническое сокращение.

 

Работа № 4

Динамометрия

Сила мышц является важным показателем функционального состояния скелетной мускулатуры. Динамометрия применяется в ортопедических и неврологических клиниках, в кабинетах лечебной физкультуры, в спортивных учреждениях, научно-исследовательских, медицинских и спортивных лабораториях.

Необходимо: испытуемый, кистевой динамометр, становой динамометр, секундомер.

Учебно-исследовательская цель работы: научиться измерять силу мышечного сокращения у человека.

 

Задание № 1. Ручная динамометрия

Необходимо: испытуемый, кистевой динамометр, секундомер.

Учебно-исследовательская цель задания: определить функциональное состояние и физические возможности мышц-сгибателей кисти руки с помощью измерения силы сокращения этих мышц.

Ход работы

Определяют силу правой, а затем левой руки на сжатие с помощью ручного динамометра Матье-Коллена, состоящего из эллипсоидной стальной пружины, которая подвергается сжатию или растяжению. Шкала с двумя рядами делений и стрелка показывают мышечную силу в килограммах.

1. Испытуемый в положении стоя отводит вытянутую руку с динамометром в сторону под прямым углом к туловищу и сжимает его с максимальной силой. После измерения стрелку возвращают на нулевое положение, и прибор снова готов к работе.

2. Повторите измерение 3 раза и на основании трех значений вычислите среднюю величину мышечной силы руки (в килограммах).

3. Рассчитайте показатель отношения мышечной силы руки к массе тела по формуле:

Удовлетворительный показатель силы руки составляет: у женщин 50 ед., у мужчин 55 ед.

Показатель сильнейшей руки в среднем составляет: у мужчин 65–80 ед., у женщин 48–50 ед.

4. Полученные результаты занесите в отчет:

средняя сила мышц левой руки – ……. кг;

показатель силы левой руки – ………… ед.;

средняя сила мышц правой руки – …… кг;

показатель силы правой руки – ………. ед.

5. Сравните мышечную силу правой и левой рук и сделайте вывод о степени выраженности право- или леворукости у испытуемого. Сравните результаты исследования со средними результатами в группе у мужчин и женщин и сделайте выводы.

Задание № 2. Становая динамометрия

Необходимо: испытуемый, становой динамометр, секундомер.

Учебно-исследовательская цель задания: определить функциональное состояние и физические возможности мышц-разгибателей туловища человека с помощью измерения максимальной силы и статической выносливости этих мышц.

Ход работы

Становая динамометрия позволяет оценить силу мышц-разгибателей спины с помощью станового динамометра.

1. Определение становой силы проводят 3 раза и вычисляют среднюю величину (в килограммах).

2. Рассчитайте показатель силы мышц-разгибателей спины к весу испытуемого подобно заданию № 1.

Удовлетворительным показателем силы мышц-разгибателей спины принято считать для мужчин величину становой силы, превышающую собственный вес в 2 раза, для женщин – 1,5 раза.

3. Полученные результаты занесите в отчет:

средняя сила мышц-разгибателей спины …….… кг;

становая сила больше веса испытуемого в …….. раза.

4. Проведите сравнительный анализ средних показателей полученных результатов у мужчин и женщин в группе и сделайте выводы.

Задание № 3. Расчет сило-росто-весового коэффициента

1. Рассчитайте этот коэффициент (в относительных единицах) по формуле:

2. Проведите сравнительный анализ средних показателей полученных результатов у мужчин и женщин в группе и сделайте выводы.

 

Задание № 4. Оценка силовой выносливости по данным динамометрии

Учебно-исследовательская цель задания: определить силу и работоспособность мышц предплечья пациента.

Ход работы

Оценка силовой выносливости проводится по двум показателям: уровню работоспособности и снижению работоспособности мышц.

1. Испытуемый на вытянутой руке сжимает кистевой динамометр с наибольшей возможной силой и отмечает максимальную силу мышц предплечья (А_мах).

2. Затем испытуемый выполняет 10 сжатий динамометра с частотой 1 раз в 5 сек с регистрацией получаемых результатов: А₁ = …. кг, А₂ = …. кг и т. д. до А₁₀ = …. кг.

3. Определите уровень работоспособности мышц по формуле:

,

где Р – уровень работоспособности; А₁, А₂, …, А₁₀ – показатели динамометра при отдельных мышечных сокращениях; n – количество измерений (в данном случае n = 10).

4. Нарисуйте график снижения работоспособности: на оси абсцисс расположите порядковые номера усилий, на оси ординат – показатели динамометра при каждом усилии (рис. 4).

 

Рис. 4. График снижения работоспособности

5. Результаты, полученные выше, используйте для определения показателя снижения работоспособности мышц по формуле:

,

где S – показатель снижения работоспособности мышц, А₁ – величина начального мышечного усилия, А_мин – минимальная величина мышечного усилия, А_мах – максимальная величина усилия.

6. Сравните результаты у нескольких испытуемых в группе, в том числе между женщинами и мужчинами, и сделайте соответствующие выводы.

 

Работа № 5

Утомление

Необходимо: испытуемый, велотренажер или велоэргометр.

Учебно-исследовательская цель работы: исследование процесса утомления при физической работе.

Ход работы

Утомление – функциональное состояние организма, наступающее вследствие выполнения какой-либо работы и выражающееся во временном снижении работоспособности. При чрезмерном утомлении без должного восстановления может наступить переутомление. Утомление различают умственное и физическое. При умственном утомлении снижаются внимание, память, замедляется мышление. При физическом утомлении снижаются сила, выносливость мышц, быстрота и точность движений. Несмотря на различия в эффектах физиологические механизмы утомления во всех случаях имеют много общего. Основоположником теории утомления является И.М. Сеченов. «Источник ощущения усталости, – говорил он, – помещают обыкновенно в работающие мышцы, а я же помещаю его <...> исключительно в центральную нервную систему». А.А. Ухтомский, развивая взгляды И.М. Сеченова, считал «центральным местом» нарушений центральную нервную систему, где по мере утомления торможение становится преобладающим. Таких же взглядов на природу утомления придерживался и И.П. Павлов. Он говорил, что торможение, наступающее в результате деятельности, «не будучи само утомлением, является охранителем клетки, предупреждая дальнейшее чрезмерное, опасное разрушение <...> этой клетки». Такой вид торможения И.П. Павлов назвал запредельным, имеющим охранительное, защитное значение для нервных клеток. Причинами развития этого торможения являются биохимические изменения во всем организме, снижающие лабильность нервных клеток.

В данной работе для получения кривой утомления используется велотренажер или велоэргометр, регистрируется изменение работоспособности при постоянной нагрузке во времени. Мерой работоспособности является частота вращения педалей велотренажера или велоэргометра.

1. Удобно разместить обследуемого на велоэргометре или велотренажере.

2. Установить следующую нагрузку:

на велотренажере: мужчины – 25–40 ватт, женщины – 20–30 ватт;

на велоэргометре: мужчины – 140–260 ватт, женщины – 100–200 ватт.

3. Регистрировать частоту вращения педалей, начиная с нулевой отметки времени, каждые 10 сек.

4. Построить график в системе координат «частота вращения/время» (рис. 5):

 

Рис. 5. График зависимости частоты вращения

велоэргометра от времени нагрузки

5. Построить кривые по данным, полученным при разных нагрузках и для нескольких студентов. Сравнить кривые и сделать выводы.

Работа № 6

Запись кривой утомления нервно-мышечного препарата (просмотр видеофильма)

Необходимо: лягушка, препаровальный набор, препаровальная дощечка, физиологический раствор Рингера, миограф с серфином и одноканальным самописцем, электростимулятор, штатив.

Учебно-исследовательская цель работы: выявить место локализации утомления в нервно-мышечном препарате.

Ход работы

1. Готовят нервно-мышечный препарат. Закрепляют его в штативе. Мышцу соединяют с миографом.

2. Собирают схему для раздражения индукционным током. Находят сверхпороговую величину тока.

3. Накладывают электроды на нерв и производят непрерывное раздражение до полного утомления (о чем свидетельствует отсутствие сокращений).

4. Производят прямое раздражение мышцы (рис. 6).

 

 

Рис. 6. Проведение эксперимента при прямом и опосредованном раздражении мышцы: а – при непрямом раздражении; б – при прямом раздражении мышцы

 

5. Исходя из результатов прямого и непрямого раздражения мышцы, делают вывод о локализации утомления в нервно-мышечном препарате. В отчетах зарисовывают миограмму опыта.

Вопросы для самоконтроля

1. Приведите классификацию мышечной ткани в организме. Опишите морфологические особенности скелетной и гладкой мускулатуры.

2. Перечислите физические характеристики скелетной мышечной ткани.

3. Назовите функции скелетной мышечной ткани в организме.

4. Перечислите и дайте определение физиологическим свойствам скелетной мышечной ткани.

5. Какие виды сокращения скелетных мышц в зависимости от их режимов, нагрузки и раздражения вы знаете?

6. Какие из этих видов сокращения свойственны мышцам при их естественной деятельности в организме?

7. Дайте определение двигательной единицы.

8. Что такое одиночное мышечное сокращение? Его фазы?

9. Как соотносятся фазы возбудимости мышечного волокна с фазами потенциала действия?

10. Назовите и графически представьте виды суммации мышечных сокращений. Каковы условия их возникновения?

11. Дайте определение тетануса. Виды тетануса, условия их возникновения.

12. Перечислите факторы, определяющие силу и работоспособность скелетных мышц.

13. Дайте морфо-функциональную характеристику компонентов саркомера, миозиновых и актиновых нитей, тропомиозина и тропонина.

14. Перечислите механизмы сопряжения возбуждения с сокращением в скелетных мышцах и динамику их активного состояния.

15. Объясните механизм мышечного сокращения и расслабления, факторы, определяющие степень укорочения, напряжения и расслабления скелетных мышц.

16. Дайте определение «оптимума» и «пессимума». Что такое оптимальная и пессимальная частота?

17. Каковы метаболизм и энергетика мышечного сокращения?

18. Что понимается под работоспособностью и утомлением скелетных мышц?

19. Перечислите физиологические свойства гладкой мускулатуры.

20. В чем проявляется пластичность гладкой мускулатуры? Физиологический смысл этого свойства?

21. Что вы понимаете под функциональным синцитием гладкой мускулатуры?

22. Какие характерные функциональные особенности отличают гладкую мышцу от скелетной?

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ

Выберите один или несколько правильных ответов.

1. Структурно-функциональной единицей мышечного волокна является

1) актин

2) миозин

3) саркомер

4) тропонин

5) тропомиозин

2. медиатором в синапсах скелетных мышц является

1) адреналин

2) норадреналин

3) глицин

4) γ-аминомасляная кислота

5) ацетилхолин

3. при одиночном мышечном сокращении гладкий тетанус можно получить при нанесении раздражения

1) в латентный период

2) в период укорочения

3) в период расслабления

4. при одиночном мышечном сокращении зубчатый тетанус можно получить при нанесении раздражения

1) в латентный период

2) в период укорочения

3) в период расслабления

5. свойство гладких мышц, отсутствующее у скелетных мышц, называется

1) проводимостью

2) сократимостью

3) лабильностью

4) пластичностью

5) возбудимостью

СИТУАЦИОННЫЕ ЗАДАЧИ

Задача № 1. Известно, что одиночное мышечное сокращение состоит из трех основных фаз: латентного периода, фазы укорочения и фазы расслабления.

Указать, какие процессы протекают в мышце во время латентного периода при непрямом раздражении?

 

Задача № 2. У пациента при повреждении седалищного нерва, наблюдается атрофия мышц нижней конечности.

Объяснить проявление атрофии в данном случае.

 

Задача № 3. Мышцу нервно-мышечного препарата подвергают непрямому раздражению. Она сокращается тетанически.

Определить, как изменится ритм сокращения, если в перфузируемый раствор вести d-тубокурарин.

 

Задача № 4. В эксперименте к покоящейся мышце подвесили груз.

Определить, как при этом изменится ширина Н - зоны саркомера.

 

Задача № 5. В эксперименте обнаружено, что быстрые мышцы при сокращении потребляют в единицу времени больше энергии АТФ, чем медленные.

Объяснить, почему наблюдается такая разница.

ЗАНЯТИЕ № 6