Цель : ознакомиться с биоэлектрическими явлениями с помощью биологических проб.

Первый опыт Гальвани

Оборудование : биметаллический пинцет, набор препаровальных ин­струментов, лоток, универсальный штатив, марлевые сал­фетки, раствор Рингера.

Объект исследования : лягушка.

Ход работы . Готовят нервно-мышечный препарат двух задних лапок лягушки. Берут биметал­лический пинцет, одна бранша которого сделана из меди, а другая - из цинка. Медную браншу подводят к седалищному нерву, а другую прикладывают к мышце лапки.

Опишите и объясните наблюдаемые явления.

Суть первого опыта Гальвани состоит в том, что при соприкосновении нервно-мышечного аппарата с биметаллическим пинцетом наблюдается сокращение мышц. Первый опыт Гальвани с металлом косвенно доказывает наличие живого электричества при раздражении биметаллическим пинцетом нервно-мышечного препарата.

Второй опыт Гальвани

Вторым опытом Гальвани впервые было доказано суще­ствование в тканях «животного электричества», которое возникает между поврежденной и неповрежденной поверх­ностями мышцы. Если эти два участка соединить нервом нервно-мышечного препарата, то возникает ток покоя, который раздражает нерв и вызывает сокращение мышцы.

Оборудование : набор препароваль­ных инструментов, лоток, пипетка, стеклянный крючок, марлевые салфетки, раствор Рингера.

Объект исследования : лягушка.

Ход работы . Готовят нервно-мышечный препарат задней лапки ля­гушки. Тщательно препарируют седалищный нерв и отсекают его у позвонков. Мышцу пересекают в нижней трети и стеклянным крючком быстро набрасыва­ют седалищный нерв таким образом, чтобы он одновре­менно коснулся поврежденной и неповрежденной поверх­ности мышцы.

Опишите и объясните наблюдаемые явления

ВЫВОД: Второй опыт Гальвани, для этого следует положить нервно-мышечный аппарат на доску. После чего, нужно отрезать кусочек мышцы и с помощью стеклянного крючка быстро набросить нерв препарата на поврежденный участок мышцы так, чтобы он коснулся одновременно неповрежденной и поврежденной поверхности мышцы. Мышца при этом начинает сокращаться. В этом случае источником электродвижущей силы являлась разность потенциалов между неповрежденным и поврежденным участком нерва. Таким образом, второй опыт Гальвани доказал существование животного электричества. Появление электрических токов, что возникают при возбуждении, заключается в том, что участок ткани (нерв, мышца т.п.) в момент возбуждения заряжается по отношению к другим участкам электроотрицательно. Участки, что находятся в покое, заряжены электроположительно. Итак, возникает разность потенциалов, что является необходимым условием появления электрического тока.

ЗАНЯТИЕ №4:Физиология синаптической передачи. Нейрон и его интегративная функция.

Вопросы для подготовки

1. Морфофункциональная характеристика нервной клетки.

2. Классификация нервных проводников. Физиологические свойства нерва.

3. Законы проведения возбуждения по нервным волокнам.

4. Механизм проведения возбуждения по миелинизированным и безмиелиновым волокнам. Понятие о токах действия.

5. Синапс. Классификация. Морфофункциональная организация химического синапса. Структура пре- и постсинаптической мембран. Понятие о медиаторах, фармакорецепторах.

6. Основные этапы и особенности передачи возбуждения в химическом синапсе. Понятие о возбуждающем и тормозном постсинаптическом потенциале (ВПСП и ТПСП), потенциале концевой пластики (ПКП). Свойства ВПСП и ТПСП.

7. Электрическая синаптическая передача. Строение и функции электрических синапсов.

8. Нейрон как морфо-функциональная единица ЦНС, функциональная классификация нейронов. Интегративная функция нейрона, механизмы ее осуществления.

9. Глия, виды, свойства, функции.

10. Торможение, виды торможения.

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ:

1. Перечислите законы проведения возбуждения по нервным проводникам.

Закон анатомической и физиологической непрерывности – возбуждение может распространяться по нервному волокну только в случае его морфологической и функциональной целостности.

Закон двустороннего проведения возбуждения – возбуждение, возникающее в одном участке нерва, распространяется в обе стороны от места своего возникновения. В организме возбуждение всегда распространяется по аксону от тела клетки (ортодромно).

Закон изолированного проведения – возбуждение, распространяющееся по волокну, входящему в состав нерва, не передается на соседние нервные волокна.

2. Дайте определение понятию синапс.

(synapse) - функциональный контакт мембран двух нервных клеток, через который нервные импульсы передаются от одного нейрона к другому. (состоит из пресинаптической и постсинаптической частей, разделенных синаптической щелью - ред.) Достигнув синапса, импульс вызывает освобождениенейромедиатора, который диффундирует в синаптическую щель и связывается с рецептором постсинаптической мембраны, что приводит к возникновению электрического импульса в следующем нейроне. Некоторые клетки головного мозга образуют более 15 000 синапсов (в синапсах происходит преобразование электрических сигналов в химические и обратно). См. также Соединение нервно-мышечное.

3. Укажите на схеме основные элементы химического синапса и этапы синаптической передачи.

Нервное окончание

4. Схематически изобразите нейрон, укажите его основные структурные элементы, перечислите физиологические свойства нейрона.

Основные свойства нейронов: раздражимость, возбудимость, проводимость, лабильность, инертность, утомляемость, торможение, регенерация.

5. Перечислите основные механизмы инактивации медиаторов, значение инактивации медиаторов.

Инактивация медиатора – полная потеря активности – необходима для деполяризации постсинаптической мембраны и восстановления исходного уровня мембранного потенциала.

Наиболее важным путем инактивации является гидролитическое расщепление медиатора с помощью ингибиторов. Для АХ ингибитором является холинэстераза, для НА и адреналина – моноаминооксидаза (МАО) и катехоламинэстераза (КОМТ). Продукты расщепления медиатора снова поступают в кровь и циркулируют, как его предшественники.

Другой путь удаления медиатора из синаптической щели – обратный захват его пресинаптическими окончаниями (пиноцитоз) и обратный аксонный транспорт, особенно выраженный для катехоламинов.

Для НА и адреналина характерно то, что несмотря на наличие ингибиторов, разрушению подвергается их незначительное количество, и они снова депонируются синаптическими пузырьками в цитоплазме синаптических окончаний. Это создает возможность их быстрого поступления в синаптическую щель под влиянием нового нервного импульса.

6. Дайте определение процессу торможения

это активный процесс нервной деятельности, противоположный возбуждению и вызывающий задержку рефлексов. Условные рефлексы, которые вырабатываются у собаки на основе использования тормозного процесса, называются тормозными, или отрицательными. Ярким примером такого рефлекса является запрещение нежелательных действий собаки по команде.

Практическая работа

Просмотр учебного фильма «Нервная клетка»

Васильчиков П.И., гр. 133-5

Занятие №1. Электрические явления в возбудимых тканях

Практическая работа № 1

Приготовление нервно-мышечного препарата

Цель работы: овладеть методикой приготовления нервно-мышечного препарата.

Материалы и оборудование: лягушка, марлевые салфетки, инструменты для препарирования, дощечка для препарирования, чашка Петри, 0,6% раствор хлорида натрия.

Ход работы:

1) Приготовление препарата задних лапок;

2) Приготовление реоскопической лапки;

3) Приготовление нервно-мышечного препарата;

Схема приготовления нервно-мышечного препарата.

Практическая работа № 2

Первый опыт Гальвани

Цель работы: ознакомится с опытом Л. Гальвани, на основании которого впервые был поставлен вопрос о существовании «животного электричества».

Материалы и оборудование:

Ход работы: Для работы использовать препарат задних лапок лягушки. Препарат поместить на стеклянную пластинку. Прикоснувшись к нервным сплетениям браншами гальванического пинцета, наблюдать возникающие при этом сокращения мышц.

Результаты и обсуждения: при прикосновении к нервным стволам цинковой и медной пластинками наблюдаем сокращения лапок.

Вывод: Ознакомились с первым опытом Гальвани, на основании которого был поставлен вопрос о существовании «животного элкричества».

Практическая работа № 3

Второй опыт Гальвани

Цель работы: ознакомление с опытом, показывающим раздражающее действие тока, возникающего непосредственно в тканях.

Материалы и оборудование: лягушка, марлевые салфетки, инструменты для препарирования, дощечка для препарирования, чашка Петри, гальванический пинцет, 0,6% раствор хлорида натрия.

Ход работы: Для работы использовать реоскопическую лапку лягушки. Препарировать седалищный нерв до коленного сустава. Сохраняя нерв отсечь бедро в нижней его трети. Быстро набрасывать нерв (держа его за остатки позвоночника) на оставшиеся мышцы бедра таким образом, чтобы он одновременно коснулся поврежденной (поперечной) и неповрежденной (продольной) поверхности мышцы (рис. 1). Мышцы голени при этом сокращаются (рис. 2). Раствором Рингера препарат не смачивать!

Вывод: Ознакомились с опытом, показывающим раздражающее действие тока, возникающего в тканях.

Практическая работа № 4

Вторичный тетанус (опыт К. Маттеуччи)

Цель работы: убедиться в возникновении биотоков (потенциалов действия) при возбуждении мышечной ткани.

Материалы и оборудование:

Ход работы: Для работы используются две реоскопические лапки.

Результат: При прикладывании нерва одной лапки к поврежденной мышце второй и подачи на 1-ю напряжения, наблюдалось сокращение второй лапки. Сокращение происходит при напряжении равном 15 мВ, порог возбудимости = 15 мВ.

Вывод: мы убедились в возникновении биотоков (потенциалов действия) при возбуждении мышечной ткани.

Практическая работа № 6

Определение порога возбудимости нервно-мышечного препарата при прямом и непрямом раздражении

Цель работы: познакомиться с понятием «порог силы раздражения», сравнить пороги силы раздражителя при прямом раздражении мышцы и при раздражении ее двигательного нерва.

Материалы и методы: лягушка, марлевые салфетки, инструменты для препарирования, дощечка для препарирования, чашка Петри, гальванический пинцет, электростимулятор, вилочковые электроды, электрические провода, 0,6% раствор хлорида натрия.

Ход работы: Для работы использовать нервно-мышечный препарат.

Приготовленный нервно-мышечный препарат укрепить за бедренную косточку в зажиме. Проколов крючком ахиллово сухожилие присоединить ее к пишущему рычажку. Нерв уложить на подложку. Аккуратно не нарушив целостности препарата подвести к нерву вилочковые электроды, подключенные к клеммам электростимулятора.

Нервно-мышечный препарат Схема установки

с бедренной косточкой.

Настраиваем оборудование. Определяем порог возбудимости нерва и мышцы, используя в качестве раздражителя электрический ток.

Результат:

Вывод: Из полученных данных следует, что мышцы имеют более высокий порог раздражения, чем нерв, но более низкая возбудимость. А у нервной ткани высокая возбудимость и низкий порог раздражения. возбудимость нерва происходит при амплитуде 35 мВ. возбудимость мышцы происходит при амплитуде 0,5 В.

Луиджи Гальвани - исследователь биоэлектричества

Родился 9 сентября 1737 года в Болоньи (папская область), жил и умер там же в 4 декабря 1798, прожив полных 61 год. По роду деятельности он был врачом, физиком и философом, что в то время было вполне обыденным. Его латинское имя читается как Aloysius Galvani (Алоизий Гальвани).

Луиджи Гальвани был первым, кто начал исследовать биоэлектричество . В 1780 году Луиджи проводил эксперименты над телами мёртвых лягушек. Он пропустил через их мышцы электрической ток, и лапки дёрнулись, мышцы начали сокращаться. Это был первый шаг на пути изучения сигналов нервной системы.

Краткая биография

Луиджи Гальвани (1737-1798)

Родился от Доминико и его четвёртой жены Барбары Фоски. Родители Луиджи не были аристократами, но они имели достаточно средств, чтобы дать образование одному из детей. Луиджи Гальвани хотел получить церковное религиозное образование, в ту эпоху это было во многом престижно, и он 15 лет обучался в религиозном институте, а именно в молельне Padri Filippini (Oratorio dei Padri Filippini). В дальнейшем он собирался принять религиозные обеты, но его родители убедили его не делать этого и продолжить своё образование дальше. Примерно в 1755 году Луиджи поступил на факультет искусств университета Болоньи. Там же Луиджи прошёл медицинский курс в котором он изучил труды Гиппократа , Галена и Авиценны (Ибн Сина ). Кроме изучения трудов, Луиджи занимался медицинской практикой, в том числе хирургической. Это позволило ему в дальнейшем заняться изучением исследованием биоэлектричества .

В 1759 году, Луиджи Гальвани получил степень в медицине и философии, что давало ему право читать лекции в университете после защиты диссертации, которую он защитил в 21 июня 1761 года. Уже в 1762 году он стал почётным лектором по анатомии и хирургии. В этом же году он женился на Люсии Галеззи (Lucia Galeazzi) - дочери одного из профессоров университета. Луиджи переехал жить в дом профессора Галеззи (Galeazzi) и помогал ему в его исследованиях. После смерти своего тестя в 1775 году, Луиджи Гальвани был назначен преподавателем вместо умершего Галеззи.

В обязанность Гальвани как члена Академии наук с 1776 года входило регулярное проведение исследований в области практической анатомии человека. Он должен был публиковать как минимум одно исследование в год.

Эксперименты с лягушками

По прошествии нескольких лет, Луиджи Гальвани стал проявлять интерес к медицинскому использованию электричества. Эта сфера исследований появилась с середины 18-го века, после того, как было обнаружено действие электричества на организм человека.

Схема эксперимента Луиджи Гальвани с телом лягушки, примерно конец 1780-х

Существует легенда, согласно которой начало экспериментов с биоэлектричеством было положено со случая, произошедшего следующим образом.

Луиджи положил мёртвую лягушку на стол, чтобы экспериментировать с её кожей для выработки статического электричества . До этого на столе уже проводились опыты со статическим электричеством, и получилось так, что его ассистент (помощник) прикоснулся металлическим скальпелем на котором был электрический заряд к открытому седалищному нерву лягушки. Должно быть он собирался её препарировать. Но тут случилась неожиданное. Помощник увидел искры и нога мёртвой лягушки сократилась как при жизни.

Это наблюдение было первым шагом к тому, чтобы начать исследование биоэлектричества . Была обнаружена связь, между нервной деятельностью и электричеством, между биологической жизнью и электрическими сигналами. Стало очевидным, что мышечная деятельность осуществляется с помощью электричества, с помощью тока в электролитах. До этого в науке было принято считать, что мышечная активность происходит посредством некой субстанции называемой именем стихий воздуха и воды.

Гальвани ввёл термин - животное электричество (animal electricity) для описания той силы, которая активирует мышцы. Это явление в дальнейшем назвали гальванизм (galvanism ), но уже после Гальвани по предложению его современников.

На сегодняшний момент изучением гальванических эффектов биологии занимается такой раздел как электрофизиология. Название гальванизм больше используется в историческом контексте, чем в научном.

Гальвани против Вольта

Профессор экспериментальной физики Алессандро Вольта в университете Павии (Pavia) был первым учёным, который засомневался в правильности экспериментов Гальвани и продолжил исследования.

Его целью было выявить, действительно ли причиной сокращения мышц является биоэлектричество , или же оно происходит в следствие металлического контакта. Подразумевалось, что живые клетки не могут вырабатывать электричество, а значит тогда и нет никакого животного электричества.

Алессандро Вольта проверил свою гипотезу и выяснил, что действительно, живые клетки способны вырабатывать электричество, а значит биоэлектричество существует, живые клетки являются источниками тока. Гипотеза Вольта, что мышцы сокращаются только в следствие внешнего электричества, когда касаются металлическим предметом имеющим статический заряд, была им же и опровергнута. Дальнейшие исследования Алессандро Вольта привели его к созданию гальванической батареи, в которых используются электрохимические явления подобные тем, что происходят в живых клетках.

В результате исследований Вольта обнаружил, что каждая клетка имеет свой клеточный потенциал, что биоэлектричество имеет те же самые химические основы, что и электрохимические ячейки, дающие разность потенциалов . Алессандро Вольта проявил уважение к своему коллеги и ввёл термин гальванизм , чтобы подчеркнуть заслугу Луиджи Гальвани в открытии биоэлектричества . Однако, Вольта возражал, против некоего особого электричества в виде животной электрической жидкости , и был прав. Наградой стало создание химических источников тока - гальванических элементов. Алессандро Вольта первый построил химические батареи состоящие из многих гальванических элементов. Такие батареи носили название вольтов столб , из многих элементов собирался источник со значением ЭДС более 100 Вольт, что позволило проводить дальнейшее изучение явлений электричества.

Сочинения Луиджи Гальвани

Основная работа Луиджи Гальвани по биоэлектричеству называется De Viribus Electricitatis in Motu Musculari Commentarius (формат PDF) , в переводе на русский язык Трактат о силах электричества при мышечном движении (формат djvu) . Эти работы вы можете скачать для углублённого изучения и расширения своего кругозора.

В конце XVIIIв. (1786) профессор анатомии Болонского университета Луиджи Гальвани провел ряд опытов, положивших начало целенаправленным ис­следованиям биоэлектрических явлений. В первом опыте, под­вешивая с помощью медного крючка на железной решетке пре­парат задних лапок лягушек со снятой кожей, ученый обнару­жил, что всякий раз, когда мышцы касались решетки, они отчет­ливо сокращались. Л. Гальвани высказал предположение о том, что сокращение мышц является следствием воздействия на них электричества, источником которого выступают «животные тка­ни» - мышцы и нервы.

Однако другой итальянский исследователь - физик и физио­лог Вольта - оспорил это заключение. По его мнению, причиной сокращения мышц был электрический ток, возникающий в обла­сти контакта двух разнородных металлов: меди и железа (гальва­ническая пара) - с тканями лягушки. С целью проверки своей гипотезы Л. Гальвани поставил второй опыт, в котором нерв не­рвно-мышечного препарата набрасывался на мышцу стеклянным крючком так, чтобы он касался поврежденного и неповрежден­ного ее участков. В этом случае мышца также сокращалась. Во вто­ром опыте были получены абсолютные доказательства существо­вания «животного электричества».

Окончательное доказательство су­ществования электрических явлений в живых тканях было получено в опы­те Матеуччи, в котором один нервно-мышечный препарат возбуждался током, а биотоки сокращающейся мышцы раздража­ли нерв второго нервно-мышечного препарата.

1.3 Мембранный потенциал покоя. Метод регистрации, механизмы происхождения и поддержания

Для исследования биоэлектрических явлений (рис. 2) в клетках применяют микроэлектроды (стеклянные пипетки, наполненные электролитом, с очень тонким – 0,5 мкм – кончиком). В таком микроэлектроде электролит играет роль проводника тока, а стекло – изолятора. Когда кончик микроэлектрода находится в межклеточной жидкости, между ним и индифферентным электродом (находящимся там же) разность зарядов равна нулю (рис. А). Если микроэлектрод ввести внутрь клетки, то регистрирующая установка мгновенно покажет некоторый постоянный электроотрицательный потенциал по отношению к электроду, расположенному в окружающей клетку жидкости (рис. Б).

При выведении кончика микроэлектрода из клетки возвратным движением или прокалывание ее насквозь разность потенциалов между электродами скачкообразно исчезает. Разность зарядов между внутренней и наружной сторонами мембраны клетки называют мембранным потенциалом (МП). В покое эта величинаварьирует от -9 до -100 мВв зависимости от вида ткани и называется мембранным потенциалом покоя (МПП) . Следовательно, в состоянии покоя клеточная мембранаполяризована . Уменьшение величины МПП называютдеполяризацией , увеличение –гиперполяризацией, восстановление исходного значения –реполяризацией мембраны (рис.3).

МПП играет исключительно важную роль в жизнедеятельности самой клетки и организма в целом. В частности, он составляет основу возбуждения и переработки информации нервной клеткой, обеспечивает регуляцию деятельности внутренних органов и опорно-двигательного аппарата посредством запуска процессов возбуждения и сокращения в мышце. Нарушение процессов возбуждения в кардиомиоцитах ведет к остановке сердца.

Согласно мембранно-ионной теории (Бернштейн, Ходжкин, Хаксли, Катц) непосредственной причиной формирования МПП является неодинаковая концентрация анионов и катионов внутри и вне клетки (рис. 4).

Если мы оказались в «доэлектрические» времена и хотим продвинуть использование электроэнергии, одним из направлений деятельности будет продвигание знаний среди научной интеллигенции того времени. Ну, или среди тех, кто считался за научную интеллигенцию в отсутствии науки.

Самым простым опытом для демонстрации будет один из тех, что проводил Луиджи Гальвани.
Однако, простой опрос говорит, что современный человек плохо понимает, что делал Гальвани, и ему почему-то кажется, что итальянец подключал лягушек к электрической батарее…

Во первых, Гальвани не изобретал гальванический элемент. И гальванометр тоже. И гальваническое покрытие в том числе. Первый гальванический элемент () придумал, соответственно, Вольта.

Во-вторых, в интерпретации своих опытов Гальвани ошибался — и это в полушаге он верного решения!
Он придумал интересные эксперименты, но при этом умудрился ошибиться во многом, за что был нещадно критикован Вольтой.
Тут дело в том, что Гальвани был очень верующим человеком и искал в своих опытах подтверждение именно религиозных взглядов. Но природа очень хорошо умеет показать, что реальность не имеет ничего общего с придуманными богами. В общем — все как всегда.

Собственно, у Гальвани есть два основных опыта. Первый опыт больше связан с электричеством, а второй — с физиологией. Нас больше интересует первый.

Итак, в те времена уже знали, что электрический разряд с лейденской банки, поданный на препарированную лягушку, дает сокращение мышц лапки. Вообще, для попаданца вещь нужная, конденсатор придется строить в любом случае. Недостаток один — штука для древности дорогая, а нам еще нужно ее чем-то зарядить.
Поэтому нам нужен эксперимент, который «проймет» инвестора на расставание с крупной суммой.
Главный недостаток этого опыта — очень похоже на колдовство (а что в технологиях на колдовство не похоже?).

Итак, разбираем лягушку на части. Берем в руку биметаллический пинцет, состоящий из двух концов — медного и железного. Одним концом касаемся нерва в позвоночном столбе лягушки, а вторым концом касаемся лапки. Все. Лапка дергается.
Как это делается хорошо показано в советском учебном фильме:

В оригинале Гальвани подвешивал лягушку на медном крючке на балконную решетку, надеясь поймать «разлитое в воздухе животное электричество». Когда лапка касалась железной решетки, она дергалась.

Итак, что происходит?
Опыт распадается на две независимые части.
Во-первых — два конца биметаллического пинцета образуют гальваническую пару, для нее жидкость внутри лягушки — электролит. Они начинают вырабатывать свои треть вольта, а так как цепь замкнута, то через лягушку начинает течь ток.
Во-вторых — ток течет не просто через лягушку, а через ее нервы и дальше срабатывает стандартная физиологическая схема сокращения мышц.

Во втором опыте Гальвани забрасывает нерв на поврежденную часть мышцы и та сокращается. Это чистая физиология, для технаря-попаданца малоприменима.

Итак, для опыта Гальвани номер один нужна лягушка (бесплатно), железный гвоздь и медная монета.
Ничего технически сложного строить не надо — это прекрасный первый шаг.
И есть большой шанс, что деньги на полноценный выделят, а то и на целую электрическую лабораторию, в которой можно много чего делать — например, брать серебро и покрывать его золотом с помощью гальваники… 😀