2016 Αποστολία Χατζηευθυμίου, Αν. Καθηγήτρια Ιατρικής Φυσιολογίας Ευφροσύνη Παρασκευά, Αν. Καθηγήτρια Κυτταρικής Φυσιολογίας ΝΕΥΡΟΜΥΪΚΟ ΠΑΡΑΣΚΕΥΑΣΜΑ
Εισαγωγή Η σύσπαση των σκελετικών μυών ελέγχεται από κινητικούς νευρώνες, που ξεκινούν από το νωτιαίο μυελό και κατανέμονται στις μυϊκές ίνες, όπου σχηματίζουν τη νευρομυϊκή σύναψη (σχήμα 1). Κάθε κινητικός νευρώνας νευρώνει μία ομάδα ινών, του ιδίου μυός, οι οποίες συσπώνται όταν διεγείρεται ο νευρώνας. Ο κινητικός νευρώνας μαζί με το σύνολο των μυϊκών ινών που νευρώνει, αποτελούν μία κινητική μονάδα. Οι κινητικοί νευρώνες σχηματίζουν συνάψεις με πολλές μυϊκές ίνες, αλλά κάθε μυϊκή ίνα νευρώνεται από ένα μόνο κινητικό νευρώνα. Η διέγερση των σκελετικών μυϊκών ινών εξαρτάται από τη δραστηριότητα των κινητικών νευρώνων. Όταν ένα δυναμικό ενεργείας παράγεται σε ένα κινητικό νευρώνα όλες οι μυϊκές ίνες της κινητικής του μονάδας συστέλλονται. Τα δυναμικά ενεργείας δεν μεταδίδονται από το ένα σκελετικό μυϊκό κύτταρο στο άλλο. Η ένταση συστολής εξαρτάται από τον αριθμό των κινητικών μονάδων που επιστρατεύονται. Σχήμα 1. Νευρομυϊκή σύναψη. Οι νευράξονες των κινητικών νευρώνων πριν φθάσουν στη μυϊκή ίνα, αποβάλουν το έλυτρο μυελίνης και με αρκετές μικροδιακλαδώσεις προσαρμόζονται στις πτυχώσεις της μυϊκής μεμβράνης (συναπτική σχισμή). Η περιοχή της κυτταροπλασματικής μεμβράνης που βρίσκεται στη συναπτική σχισμή, έχει ειδικές ιδιότητες και ονομάζεται τελική κινητική πλάκα. Στις προσυναπτικές απολήξεις του κινητικού νευρώνα, βρίσκεται αποθηκευμένη σε συναπτικά κυστίδια ακετυλοχολίνη. Όταν το 1
δυναμικό ενεργείας φτάνει στη νευρική απόληξη, προκαλεί εκπόλωση της μεμβράνης και απελευθέρωση ακετυλοχολίνης στη συναπτική σχισμή. Η ακετυλοχολίνη δεσμεύεται από ειδικούς (χολινεργικούς νικοτινικούς) υποδοχείς στην τελική κινητική πλάκα, προκαλώντας το άνοιγμα μη εκλεκτικών διαύλων (Na + K + και Ca 2+ ) και την τοπική εκπόλωση της μεμβράνης, που ονομάζεται δυναμικό τελικής πλάκας (end plate potential, EPP). Όταν επιτευχθεί ο ουδός, δημιουργείται δυναμικό ενεργείας, το οποίο εξαπλώνεται στην μεμβράνη του μυϊκού κυττάρου και ενεργοποιεί το μηχανισμό της μυϊκής συστολής. Τελικά, η ακετυλοχολίνη διασπάται από το ένζυμο χολινεστεράση. Στη λειτουργία της νευρομυϊκής σύναψης επιδρούν φάρμακα όπως το κουράριο (προσδένεται στους υποδοχείς ακετυλοχολίνης, αλλά δεν ανοίγει τους διαύλους ιόντων και δεν διασπάται από τη χολινεστεράση), η εξωτοξίνη του κλωστηριδίου του τετάνου (αναστέλλει τη δράση ανασταλτικών νευρώνων των κινητικών νευρώνων, με αποτέλεσμα τη νευρομυϊκή υπερδραστηριότητα), η αλλαντική τοξίνη (εμποδίζει την απελευθέρωση ακετυλοχολίνης από τα συναπτικά κυστίδια) και η νεοστιγμίνη (εμποδίζει τη δράση της χολινεστεράσης και αυξάνει τη συγκέντρωση ακετυλοχολίνης στην περιοχή της τελικής κινητικής πλάκας). Μυϊκή συστολή Μυϊκή τάση ονομάζεται η δύναμη/ cm 2 η που ασκείται πάνω στα άκρα ενός συστελλόμενου μυός, ενώ η δύναμη που εξασκεί το βάρος ενός αντικειμένου στο μυ ονομάζεται φορτίο. Στην ισομετρική συστολή (σχήμα 2α) το μήκος της μυϊκής ίνας δε μεταβάλλεται (σταθερό μήκος), όπως στην περίπτωση που ο μυς υποστηρίζει Σχήμα 2. α) Ισομετρική σύσπαση, β) Ισοτονική σύσπαση. 2
φορτίο σε σταθερή θέση ή προσπαθεί να κινήσει ένα φορτίο μεγαλύτερου μεγέθους από τη μυϊκή τάση. Η συστολή κατά την οποία το φορτίο πάνω στο μυ παραμένει σταθερό και ο μυς βραχύνεται λέγεται ισοτονική (σταθερή τάση) (σχήμα 2β). Εκτός από τη διέγερση των σκελετικών μυϊκών ινών από τη δραστηριότητα των κινητικών νευρώνων, είναι δυνατόν να προκληθεί συστολή με μηχανική ή με ηλεκτρική διέγερση του μυ. Η μηχανική διέγερση (σύνθλιψη, τσίμπημα, τρύπημα) μπορεί να οδηγήσει στην απότομη εισροή μεγάλων ποσοτήτων νατρίου και την ανάπτυξη δυναμικού ενεργείας. Η τεχνική επαγωγή ηλεκτρικού φορτίου στη μεμβράνη προκαλεί μεγάλη ροή ιόντων μέσα απ αυτή και έτσι μπορεί να αναπτυχθεί δυναμικό ενεργείας. Άσκηση 1. Καταγραφή μυογραφήματος ισοτονικής συστολής Η καταγραφή της μυϊκής συστολής του γαστροκνήμιου μυός βατράχου θα γίνει με την μορφή καμπύλης, που παριστάνει την βράχυνση του μυ σε συνάρτηση με το χρόνο. Θα χρησιμοποιηθεί ειδική διάταξη για την καταγραφή ισοτονικών συστολών. Για την παραγωγή ηλεκτρικών ερεθισμάτων για τη διέγερση του μυ χρησιμοποιείται ηλεκτρικός διεγέρτης. Πειραματική διαδικασία Α. Νευρομυϊκό παρακεύασμα (Σχήμα 3) Θυσιάζουμε τον βάτραχο Κάνουμε τομή στο δέρμα στην μεσότητα του μηρού και στη συνέχεια βγάζουμε το δέρμα από όλο το κάτω άκρο. Ισχυακό νεύρο Μηριαίο οστό Γαστροκνήμιος μυς Αχίλλειος τένοντας Σχήμα 3. Νευρομυϊκό παρασκεύασμα Αποχωρίζουμε τους μυς που περιβάλλουν το μηριαίο οστό. Εντοπίζουμε το ισχυακό νεύρο (μοιάζει με αργυρόλευκη κλωστή) και το κόβουμε κοντά στον κορμό. 3
Κόβουμε με το ψαλίδι τον αχίλλειο τένοντα στην κατάφυση του στην πτέρνα. Συλλαμβάνουμε με λαβίδα τον τένοντα, και έλκουμε τον γαστροκνήμιο μυ προς τα πάνω, ενώ ταυτόχρονα με το ψαλίδι τον αποχωρίζουμε από τους υπόλοιπους μυς της κνήμης, μέχρι εγγύς της κατά γόνυ άρθρωσης. Με το ψαλίδι κόβουμε την κνήμη (οστό και μυς εκτός από τον γαστροκνήμιο) αμέσως κάτω από την κατά γόνυ άρθρωση. Με ψαλίδι κόβουμε το μηριαίο οστό και τους μυς που το περιβάλλουν πάνω από την άρθρωση, προσέχοντας να μην κόψουμε το ισχιακό νεύρο. Στηρίζουμε το παρασκεύασμα με ειδικό στήριγμα, συνδέουμε το παρασκεύασμα με τον ισοτονικό μετατροπέα και αρχίζουμε την καταγραφή (σχήμα 4). Προενισχυτής Μυς Σχήμα 4. Ανάρτηση γαστροκνημίου μυ. Β. Καταγραφή μυϊκής συστολής α. Καταγραφή συστολών με ερέθισμα διαφορετικής έντασης (μέγιστη συστολή, μέγιστο ερέθισμα) Με το ηλεκτρόδιο ηλεκτρικού διεγέρτη δίνουμε στο νεύρο ή στο μυ ερεθίσματα με προοδευτικά αυξανόμενη τάση. Αρχικά χρησιμοποιούμε ερέθισμα μικρής τάσεως, ώστε να μην προκαλείται συστολή. Αυξάνουμε βαθμιαία την τάση του ερεθίσματος μέχρις ότου να βρούμε την ουδό (το ελάχιστο ερέθισμα που θα προκαλέσει την μυϊκή συστολή). Συνεχίζουμε να αυξάνουμε την τάση του ερεθίσματος. Όταν η τάση των ερεθισμάτων φτάσει την βαλβίδα μερικών μυϊκών ινών, η σύσπαση τους θα προκαλέσει βράχυνση του μυός. Με την αύξηση της τάσεως του ερεθίσματος θα φτάσει μία στιγμή που το ερέθισμα θα γίνει βαλβιδικό για όλες τις μυϊκές ίνες του 4
μυός και τότε ο μυς θα συσπαστεί με την μεγαλύτερη ένταση που μπορεί να επιτύχει. Η συστολή αυτή θα είναι η μέγιστη συστολή και το ερέθισμα που την προκάλεσε θα είναι μέγιστο για τον μυ αυτό. β. Επίδραση της διάτασης στην ένταση της συστολής Καταγράφουμε συστολές που προκαλούνται από το ίδιο ερέθισμα Εφαρμόζουμε στο μυ φορτίο Καταγράφουμε μία σειρά από συστολές με διαφορετικό κάθε φορά φορτίο. Το επίπεδο απ' όπου αρχίζει η συστολή, μεταβάλλεται, εφ' όσον η φόρτιση του μυ γίνεται μεγαλύτερη (αυτό οφείλεται στην ελαστική διάταση του μυ από το βάρος που αναρτούμε). Το ύψος της συστολής παραμένει το ίδιο ή αυξάνει, γιατί η δύναμη της συστολής γίνεται μεγαλύτερη εφ' όσον αυξάνει η διάταση του μυός. Το έργο που επιτελεί ο μυς αυξάνεται. Άσκηση 2. Καταγραφή μυογραφήματος με άθροιση συστολών -Τετανική συστολή Ο όρος άθροιση σημαίνει συσσώρευση ξεχωριστών μυϊκών συστολών. Η άθροιση πραγματοποιείται, όταν η συχνότητα των μυϊκών συστολών αυξηθεί τόσο, ώστε η προηγούμενη μυϊκή συστολή δεν έχει ολοκληρωθεί όταν αρχίζει η επόμενη. Όταν αυξάνει η συχνότητα των συστολών αυξάνει και ο βαθμός της άθροισης και τελικά οι διαδοχικές συστολές συγχωνεύονται, έτσι ώστε δεν είναι δυνατή η μεταξύ τους διάκριση. Η κατάσταση αυτή λέγεται τέτανος (σχήμα 5). Σχήμα 5. Άθροιση συστολών και τετανική σύσπαση. 5
Πειραματική διαδικασία Διεγείρουμε τον μυ με επαναληπτικά ερεθίσματα. Παρατηρούμε ότι στις μικρές συχνότητες κάθε ερέθισμα προκαλεί μία ξεχωριστή σύσπαση που ακολουθείται από μια περίοδο χάλασης του μυός. Αυξάνουμε βαθμιαία τη συχνότητα των ερεθισμάτων. Φτάνουμε σε ένα σημείο που ο μυς δεν προλαβαίνει να χαλαρώσει τελείως στο μεσοδιάστημα των συστολών και επομένως προκαλείται μερική άθροιση των συστολών Αυξάνουμε περισσότερο τη συχνότητα των ερεθισμάτων. Ο μυς βρίσκεται τελικά σε συνεχή συστολή (τέτανος). Σε χαμηλή συχνότητα ερεθισμού η ένταση συστολής μπορεί να χαμηλώνει μεταξύ ερεθισμάτων παράγοντας ατελή τέτανο. Σε υψηλή συχνότητα ερεθισμάτων παράγεται πλήρης τέτανος, δηλαδή συνεχής σύσπαση χωρίς ταλαντώσεις. Η τάση του μυ αυξάνεται μέχρι να φτάσει στη μέγιστη τετανική τάση, πέρα από την οποία δεν αυξάνεται πλέον. Άσκηση 3. Μυϊκός κάματος Μυϊκός κάματος είναι η αδυναμία διατηρήσεως της ισχύος σύσπασης (σχήμα 6) και οφείλεται: 1) στην άθροιση ιόντων Κ+, που οδηγεί σε μερική εκπόλωση της μεμβράνης, αδυναμία μετάδοσης του δυναμικού ενεργείας και κατά συνέπεια αδυναμία απελευθερώσης ασβεστίου 2) στην αύξηση της πυκνότητας του γαλακτικού οξέος, που προκαλεί ενδοκυττάρια οξέωση 3) στην εξάντληση του ATP, εξαιτίας της ελάττωσης των αποθεμάτων γλυκογόνου 4) στη μείωση των κυστιδίων ακετυλοχολίνης που ελευθερώνονται στη νευρομυϊκή σύναψη. Σχήμα 6. Μυϊκός κάματος. 6
Πειραματική διαδικασία Αναρτούμε το μυ και τον φορτίζουμε μέτρια. Καθορίζουμε την τάση του ερεθίσματος, έτσι ώστε να παράγει μέτριας έντασης συστολή. Ρυθμίζουμε τη συχνότητα του διεγέρτη στο ένα ερέθισμα το δευτερόλεπτο. Καταγράφουμε σειρά συστολών μέχρι να επέλθει σχεδόν πλήρης κάματος του μυ. Αφήνουμε το μυ να ξεκουραστεί. Εφαρμόζουμε και πάλι ερέθισμα. 7