LABORATIONSKOMPENDIUM
Obligatorisk kurslitteratur.
Fysiologi, farmakologi och biokemi
40,5 hp
Läkarprogrammet termin 2-3,
Institutionen för neurovetenskap och fysiologi
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
1 4 7 21 30 34 42 5 0 5 4 6 4 69 74 79 94 106 114 119 Synpunkter på den experimentella medicinen
Inledning
Laboration Nervledningshastighet Laboration: Elektromyografi (EMG) Laboration Smärta
Laboration Muskel
Laboration: EEG och Evoked Potentials Ögonlaboration
Elektrokardiografi och hjärtljud Integrativ kardiovaskulär fysiologi Blodtrycksmätning
Lägesförändringars inverkan på cirkulationsapparaten Pletysmografisk mätning av blodflöde i underarm Vattenbalans
Pneumografi Spirometri Arbetsfysiologi
Laboration i klinisk näringslära Matdagbok
145
151
SYNPUNKTER PÅ DEN EXPERIMENTELLA MEDICINEN
Medicinens uppgift är att bevara hälsa och att bota sjukdom. Forskaren eftersträvar en vetenskaplig syn på dessa problem och deras lösning. I nuläget är de, som forskar inom läkarvetenskapen väl medvetna om begränsningen i vetandet, varför en slutlig lösning av sjukdomars orsaker och behandling ligger långt fram i tiden. Under decennier av framsteg har medicinen utvecklats vetenskapligt, men har också fått åtskilliga användbara upplysningar från otaliga iakttagelser av rent empirisk natur. På grund av den enorma utvecklingen och genom värdefulla stöd av olika hjälpvetenskaper har studiet av normala och patologiska livsfenomen gjort framsteg, som kommer att fortsätta med överraskande hastighet.
För att lösa medicinska problem i sin helhet måste den experimentella medicinen inkludera tre basala delar: Fysiologi, patologi och terapi. Fysiologi, kunskapen om orsakerna till
livsfenomen, vill ge oss informationer om hur det normala livstillståndet skall upprätthållas och därigenom bevara hälsan. Kunskaper om sjukdomar och om de orsaker, som bestämmer dem, d.v.s. patologi, kommer å andra sidan att förhindra utvecklingen av sjukdomstillstånd och slutligen måste terapeutiska ingrepp av olika slag tillkomma för att eliminera sjukdomar.
I den empiriska perioden av medicinens historia kunde fysiologi och medicinsk terapi utvecklas oberoende av varandra, ty ingen av dem var då väl etablerad, och de behövdes inte för att ömsesidigt stödja varandra i medicinsk praxis. När emellertid medicinen blev
vetenskapligt inriktad, måste den baseras på fysiologiskt vetande. Eftersom vetenskap kan skaffa sig en väl hävdad ställning endast genom jämförande undersökningar, kan kunskap om patologiska eller abnorma tillstånd inte vinnas utan ingående kunskap om den normala
livsfunktionen. - På samma sätt kan den terapeutiska verkan av ofysiologiska farmaka eller mediciner på organismer inte vetenskapligt klarläggas utan ingående kunskap om vilken effekt, som åstadkommes på normala fysiologiska och biokemiska reaktioner.
Liksom när det gäller andra vetenskaper, kan medicinen endast belysas, om man angriper problemen experimentellt, d.v.s. genom direkt och kritisk användning av de fakta, som kan erhållas genom observation och experiment. I sig själv är den experimentella metoden ingenting annat än ett resonemang, genom vars hjälp vi metodiskt presenterar våra idéer och deras lösningar för sakkunskapen, d.v.s. till tidigare fakta och erfarenheter.
En logisk tankegång kommer alltid att bli korrekt om förutsättningarna, som den baseras på, är korrekta begrepp och precisa fakta, men den kan leda till felaktiga slutsatser när begrepp eller fakta är uppblandade med felaktiga observationer eller tolkningar. Det är därför som experimentet eller konsten att säkerställa rigorösa och väl definierade experiment är det praktiska fundamentet till den experimentella lösningen av vetenskapliga medicinska problem. Ju mer komplex vetenskapen är, desto viktigare är det att skapa en god
experimentell standard för att därigenom kunna presentera jämförbara fakta fria från även smärre misstag. Ingenting är så betydelsefullt för medicinens framsteg.
För att vara värd benämningen måste en forskare inom ett medicinskt ämnesområde vara både teoretiskt och praktiskt verksam. På samma gång som han måste behärska konsten att
producera experimentella fakta, vilket är det material hans vetenskap skall utnyttja, måste han
också klart förstå de vetenskapliga principer, som skall leda hans tankegångar genom de olika
utan värde. Den riktige vetenskapsmannen är den som skapar en teori och som leder sin tankegång till ett experimentellt sannolikt bevis. Forskaren gör först en iakttagelse, som skapar de idéer, som sedan systematiskt skall bearbetas. Han förbereder sitt experiment och föreställer sig resultatet. När slutligen idén omsatts i ett experiment, har den fått ett
verklighetsunderlag. En serie experiment skapar i sin tur nya problemställningar och under försökens gång observerar forskaren dessutom ofta oväntade fenomen, som påfordrar ytterligare experiment. Vetenskapligt tänkande är som om det vore placerat mellan två observationer, varav den första tjänar som utgångspunkt för tankegången och den andra ger konklusionen av funderingarna. Den som enbart samlar observationer är befogad endast därför att dessa observationer efteråt av andra kan inordnas i en logisk tankegång, men en ändlös ackumulation av observationer leder inte till något konstruktivt. Å andra sidan är de forskare, som enbart formulerar hypoteser, användbara endast emedan de stimulerar andra forskare att experimentellt söka verifiera eller motbevisa dessa hypoteser. I sig själv är de hypoteser, som inte experimentellt bevisats (eller kan bevisas) inget annat system av tankar, som skulle kunna föra oss bakåt i utvecklingen. Men även om experimenterandet sålunda är av grundläggande betydelse för all vetenskap, kan inte ens en skicklig experimentator lösa problem med mindre än att han är inspirerad av hypoteser, som i sin tur är baserade på
tidigare utförda experiment. Slutligen kan de vetenskapsmän, som presenterar generellt giltiga lösningar, skapa bestående teorier endast i den mån de behärskar alla de vetenskapliga
detaljer, som dessa teorier avser att representera, vilket de facto är omöjligt.
Det har ofta sagts, att för att göra upptäckter måste man vara ovetande. Denna åsikt, i sig själv missförstådd, innehåller trots allt en sanning, ty det är bättre att inte veta någonting än att vara intellektuellt fixerad till idéer, som enbart baserats på teorier (samtidigt som vi under tiden bortser från allt, som ej överensstämmer med dessa idéer). Ingenting kan vara mer ineffektivt än ett sådant tänkesätt; det är just motsatsen till uppfinningsrikedom. I själva verket kommer en upptäckt nästan alltid som ett resultat av en oförutsedd relation, som inte tidigare
inkluderats i en teori, ty annars skulle den ha förutsetts. Sett ur denna synpunkt kan verkligen en olärd individ, som alltså inte är bunden vid en förutfattad mening vara i en gynnsammare position än den som indoktrinerats av allmänt accepterad ”fakta”, ty redan uppställda teorier kommer då inte att verka hämmande på hans aktivitet och kommer inte att förhindra honom från att söka nya fakta, som är dolda för den, vars sinne på förhand är upptaget av en exklusiv teori. Det bör emellertid i detta sammanhang tilläggas, att man verkligen inte härmed menar att upphöja okunnighet till en princip. Ju större tillgången är till informationer och ju större insikter vi har, desto bättre skall vi finna oss vara förberedda för att göra stora och
betydelsefulla upptäckter. Men vi måste hålla vårt intellekt obundet och måste göra klart för oss, att vad som enligt våra teorier är absurt i naturen inte alltid är omöjligt.
I experimentell vetenskap måste man göra en klar distinktion mellan den objektiva tolkningen av resultat och viljan att subjektivt inordna resultaten i sin idé. Avsikten med de vetenskapliga experimenten är att dirigera den idé, vilken uppstår som en följd av tolkning av ett naturligt fenomen och att söka efter sanning. Idén måste, innan den objektivt konfirmeras
experimentellt, vara oberoende och får inte länkas in i någon vetenskaplig övertygelse.
En vetenskapsman måste vara djärv och fri i att uppställa sina idéer, måste följa sin
uppfattning och får under inga villkor dröja kvar för länge i fruktan för motsägande teorier.
Om han omsorgsfullt bearbetar idéer experimentellt, har han ingenting att frukta, ty så länge idén är korrekt kan den utvecklas och om den är fel kommer experimentet att leda den rätt.
Han måste också vara beredd att attackera frågeställningar även med risk att tolkningen kan
bli felaktig. Vetenskapen betjänas bättre av tydligt märkbara misstag än av illa gjorda
experiment och förvirrande resultat. Med andra ord är idén motivet för att logiskt tänkande. I vetenskapliga sammanhang utgöres kritiken av egna och andras experimenterande.
Den intellektuella människan inskränker sig inte till att observera; hon tänker och fordrar att få lära sig meningen med fenomen, vars existens har uppenbarats för henne genom
observation. Därför tar hon del av vad andra iakttagit, jämför fakta, adderar frågor till dem och genom de svar, som hon får fram, testas bärigheten i hennes tänkande, i hennes idé.
Denna typ av kontroll genom logiskt tänkande baserat på fakta är det som utgör experimentet och det är det enda förfaringssätt, som hon har för att få lära sig något om sin omgivning och om fenomenet liv.
...
De principer för vetenskaplig forskning, som här presenteras, utgör grundpelarna för all experimentell vetenskap. Utan kännedom om källan skulle man lätt kunna tro, att de tankar som här kommer till uttryck, vore tänkta av en klok och framsynt forskare av idag, som härmed velat ange grundprinciperna för modern forskning. - Det Du nu läst är i själva verket publicerat år 1865 - för nästan 150 år sedan (!). Artikeln är ett utdrag ur den franska
fysiologen Claude Bernards (1813 - 1878) bok ”Introduction à l’étude de la médecine expérimentale”. Claude Bernard, som levde i en tid, då vetenskaplig anda knappast var rådande, var både vad gäller vetenskapliga resultat och vetenskaplig grundsyn långt före sin tid. Han livsgärning är av oerhörd betydelse därför att den angav principerna för vetenskapligt tänkande. Hans tankar bör därför vara en källa till inspiration också för Dig.
Ref.: An introduction to the study of experimental medicine (engelsk översättning),
Claude Bernard 1865.
INLEDNING
Laborationskursens avsikt är att ge Dig erfarenhet av experimentell fysiologi och att genom praktiska försök belysa viktiga fysiologiska principer och undersökningsmetoder. Härigenom får Du kunskap om hur experimentella undersökningar planeras och erfarenhet av den
tekniska apparatur, som utnyttjas.
Du kommer under laborationskursen att finna vilka svårigheter som fysiologiska experiment är förenade med, både när det gäller det tekniska genomförandet och tolkningen av erhållna resultat (”forskarmöda”). Detta är en viktig insikt då det åskådliggör de problem som är förknippade med medicinsk forskning och därmed den grund på vilken ditt framtida yrke vilar. En stor del av laborationernas syfte är därför just detta, att du skall förstå hur svårt det kan vara att tekniskt bemästra den experimentella situationen, att tolka erhållna resultat och att sedan härur få fram hållbara fakta. Förhoppningsvis skapar Dina erfarenheter av
laborationskursen därmed ett kritiskt vetenskapligt tänkande.
Din behållning av laborationskursen blir ringa och laborationernas syfte förfelas om Du saknar kunskapsmässiga förutsättningar för att förstå de bakomliggande fysiologiska mekanismer, Du skall studera i experiment dvs laborationen. Vi lärare (tillsammans med institutionens personal) har därför lagt ner stor möda och mycket tid på att utarbeta ett laborationskompendium, som ger den kunskap och insikt i ämnet, som Du oundgängligen behöver för att förstå, vad du som laborant skall studera. I inledningen till varje individuellt laborationsavsnitt finner Du en ganska ambitiöst upplagd presentation av laborationens innehåll. Läs denna inledning omsorgsfullt före laborationsdagen. - Med goda förkunskaper bör Du finna experimenterandet på kurslab mycket stimulerande.
Varje laboration börjar med en introduktion av försöksledaren. Vid samtliga laborationer kommer handledarna att finnas tillgängliga under hela laborationens gång och Du beredes då tillfälle att diskutera iakttagelser och resultat, som ibland avviker från de förväntade. Kassera ej tillsynes felaktiga resultat. Analysera istället orsakerna till avvikelserna.
LABORATIONSPROTOKOLL OCH REDOGÖRELSER.
Redovisning av erhållna resultat skall efter de flesta laborationer genom redogörelser, som närmast tar formen av en vetenskaplig artikel (för disposition se nedan!)
Laborationsredogörelser: För att underlätta inlärandet av ämnet kräver vi i de flesta fall korta redogörelser av essensen i laborationen. Dessa redogörelser bör inlämnas inom några dagar efter respektive laboration.
Då redogörelse skrivs skall deltagarna inom grupperna samarbeta. Den redogörelse man gemensamt kommit fram till nedskrives och varje deltagare skall ha sin kopia. Den person i gruppen som ansvarar för redogörelsen lämnar in denna som inlämningsuppgift i GUL varefter den rättas av
laborationshandledaren. Redogörelser kommer senare för det mesta att diskuteras i särskilda genomgångar för de ansvariga från varje grupp. Dessa ansvarar sedan för återkopplingen till övriga gruppmedlemmar. För vissa laborationer kommer handledaren i stället att kommunicera med de rapportansvariga via mejl.
Rapportens omfång bör vara sådant, att textmassan fyller cirka en A4-sida. Om den kompletteras med figurer eller dylikt blir omfånget således motsvarande större.
FÖRSLAG TILL DISPOSITION AV LABORATIONSREDOGÖRELSE.
En del av rubrikerna kan varieras eller utelämnas om detta sker utan risk för missförstånd . Dock bör alltid resultaten, diskussionen och sammanfattningen föregås av en tydlig rubrik.
I. DIVERSE RUBRIKER a)
Titel: vilken laboration som redovisasb)
Författare: laborationsgruppens nummer samt namn på i gruppen ingående personerc)
Datering: år - månad - dag då laborationsredogörelsen inlämnadesII. INTRODUKTION
Inledande, översiktlig presentation av vad experimentet avser att belysa.
III. METODER
Beskrivning av använd apparatur och dess uppkomling samt allmänt om hur resultaten erhållits.
(Metodbeskrivningen kan oftast göra mycket kort eller ibland t.o.m. utelämnas om hänvisning lämnas till laborationskompendiet).
IV. RESULTAT
Det är av största betydelse att resultat och diskussion hålles isär. När olika försök redovisas samtidigt, är det mycket lämpligt att använda numrerade underrubriker.
Resultaten kan presenteras i 1) löpande text 2) figurer och 3) tabeller. Eftersom
originalfigurer och ev. tabeller är en mycket viktig del av resultatredovisningen, bör dessa delar ägnas en viss omsorg. Texten under figurerna bör vara så omfattande och så utformad, att en god och korrekt uppfattning om erhållna resultat kan fås efter enbart ett studium av figurerna med tillhörande text. (Helst bör figurtexten finnas i direkt anslutning till figuren och vara skild från övrig
text).
V. DISKUSSION
Diskussionen bör omfatta tolkningen av resultaten, underbyggda slutsatser och hypotesformulering.
VI. SAMMANFATTNING
En ytterst kort och koncis sammanfattning i punktform av resultat och slutsatser.
VII. REFERENSER
Skriftliga (och muntliga) källor till gjorda påståenden i introduktionen, metodbeskrivningen och diskussionen anges här på ett fullständigt sätt. Vid vetenskaplig redovisning är detta ett absolut krav, medan det i en laborationsredogörelse inte är nödvändigt (men lärorikt).
LABORATION NERVLEDNINGSHASTIGHET
BAKGRUND
Nervens sammansättning.En perifer, somatisk nerv innehåller både afferenta och efferenta axon, myeliniserade såväl som omyeliniserade. Om man studerar ett histologiskt tvärsnitt av en sådan nerv, finner man att denna är uppbyggd av fibrer av varierande diameter (Fig. 1).
A-fibrerna är myeliniserade trådar med en diameter mellan cirka 3 och 15 µm (på människa) och en ledningshastighet på cirka 7-70 m/s. I hudnerver inledas A-fibrerna på grundval av ledningshastigheten i två undergrupper, som betecknas med de grekiska bokstäverna beta och delta (Erlanger och Gasser).
I En muskelnerv betecknar man de två typerna av myeliniserade efferenter alfa och gamma. Se tabell 1.
Beteckningen B-fibrer är enbart av historiskt intresse.
C-fibrerna är omyeliniserade nervtrådar med en diameter på cirka 1µm och en ledningshastighet på cirka 1 m/s. De utgörs av postganglionära efferenter i det autonoma nervsystemet och afferenta somatiska nervfibrer (t.ex. smärtfibrer).
Fig. 2 visar en schematisk skiss av en sammansatt aktionspotential från en blandad nerv, d v s en nerv som innerverar både hud och muskel. En sammansatt aktionspotential är den summerade effekten av nervimpulser i alla nervens trådar. Bilden visar hur den kan se ut när den avledes monofasiskt (se nedan). Flera toppar kan iakttagas. Dessa motsvarar aktionspotentialer i grupper av axoner med olika diameter och således olika ledningshastighet. De första utslagen (α, β, γ och δ) återspeglar aktiviteten i A-gruppens fibrer. C-utslaget beror på aktivitet i de mycket långsamt ledande C-fibrerna.
Ju längre väg impulserna hinner propageras före registreringen, desto tydligare framträder den tidsmässiga separationen av dessa komponenter, eftersom de snabba fibrerna då hunnit få större försprång framför de långsammare.
Tabell 1
Klassificering av nervfibrer enligt Erlanger / Gasser
Fibertyp Funktion (exempel) Ung. fiber Ung.lednings- diameter (µm) hastighet (m/s) Aα motoriska efferenter till skelettmuskel 13 75 Aβ berörings- och tryckafferenter från hud 8 50
Aγ motoriska efferenter till muskelspole 5 20
Aδ temperatur och smärtafferenter från hud 3 7
B sympatiska preganglionära efferenter 3 7
C temperatur och smärtafferenter från hud, 0.5 1 sympatiska postganglionära efferenter (omyeliniserade)
Fig. 1
Fig. 2
Myeliniserat axon
Perifer somatisk nerv
Elektrisk retning av nerv
Om man lägger en spänning mellan två elektroder i kontakt med ett axon eller en sammansatt nerv, kommer det att flyta en elektrisk ström mellan elektroderna. Strömmen kommer huvudsakligen att färdas extracellulärt, då resistensen i extracellulärvätska är låg. Det kommer dock även att flyta en ström in genom cellmembranet vid anoden, intracellulärt i axonens längsriktning, och ut genom cellmembranet igen vid katoden (Fig. 3). Detta ger en minskning av membranpotentialen vid katoden, en depolarisering (och en hyperpolarisering vid anoden). Om depolariseringen når tröskelvärdet utlöses en regenerativ natriumpermeabilitetsökning, dvs. en aktionspotential.
Fig. 3
Den retningsintensitet som fordras för att nå detta tröskelvärde beror på axonens diameter. Tunnare axon kräver kraftigare stimulering. Detta beror inte på att det krävs en kraftigare depolarisering vid katoden i tunnare axon. Det beror istället på att ett tunnare axon har ett relativt sett högre motstånd mot elektrisk ström. Därför kommer en mindre proportion av den totala stimulerande strömmen att flyta intracellulärt i dessa axon. Således blir den depolariserande strömmen genom membranet vid katoden mindre i tunnare axon - om allt annat är lika.
Aktionspotentialens fortledning
Under fysiologiska betingelser uppstår aktionspotentialen i ett neuron som följd av aktivitet i synapser på dendriter eller soma - eller av generatorströmmen vid sinnesorgan. Aktionspotentialen propageras därför normalt längs axonen i riktning bort från somat i de flesta neuron, d v s ortodromt. När aktionspotentialen framkallas med elektrisk stimulering av ett axon, kommer den att fortledas åt båda hållen, således även mot somat, antidromt.
Varför händer det inte att aktionspotentialen alltid propageras i bägge riktningarna från det ställe där den för tillfället befinner sig? Den normala fortledningen beror på att den aktiva, inåtriktade natriumströmmen under aktionspotentialens stigande fas ger en passiv depolarisering av framförliggande segment så att tröskelvärdet för en regenerativ natriumpermeabilitetsökning överskrides även där.
Aktionspotentialen kommer på så sätt att “flyta” längs axonen. Den aktiva, inåtriktade strömmen tenderar i och för sig att ge en passiv depolarisering även av det bakomliggande segmentet som aktionspotentialen just passerat. Detta segment är emellertid refraktärt, p.g.a.
inaktivering av natriumkanalerna. Därför kan en ny aktionspotential inte uppsättas trots depolarisering. Denna refraktäritet är således en förutsättning för en enkelriktad fortledning av aktionspotentialen.
Det första sammanhänger direkt med axonens “längdkonstant” som ökar med högre membranresistens (t.ex. med myelinisering) och med lägre inre motstånd längs tråden (större inre diameter). Hur snabbt den passiva depolariseringen stiger beror på kapacitansen mellan insida och utsida: ju mindre kapacitans, desto snabbare kan membranet depolariseras. Kapacitansen beror i sin tur på myelinets tjocklek: ju tjockare myelin, desto mindre kapacitans. (Det bör betonas att den passiva depolariseringen längs axonen till följd av inåtgående natriumström inte sker genom att natriumjonerna rusar längs axonen på insidan. Den longitudinella strömmen intracellulärt bärs av samtliga joner).
Strömkretsar som genereras av en aktionspotential
I vila finns en potentialskillnad mellan insida och utsida, men ingen potentialskillnad mellan olika punkter utanför nervtråden och inte heller mellan olika punkter inne i axonen. När en impuls fortleds längs axonen, kommer det däremot att uppträda elektriska potentialvariationer både intra- och extracellulärt.
Den inåtgående natriumströmmen som uppträder under aktionspotentialens stigande fas leder till en ström som kommer att flyta intracellulärt både framåt och bakåt längs axonen (Fig. 4).
Först ska vi diskutera den ström som flyter framåt inne i axonen (medströms i den meningen att det är samma riktning som
aktionspotentialen rör sig). Denna ström ger en depolarisering som successivt avtar med avståndet. Den undertröskliga depolariseringen framför aktionspotentialen leder till en utåtgående kaliumström genom läckkanaler. På utsidan kommer en ström att flyta i motsatt riktning jämfört med insidan, dvs. från framförliggande membranavsnitt till avsnitt där aktionspotentialens stigande fas befinner sig.
Aktionspotentialen kommer således att driva ström genom en sluten krets framför sig.
På samma sätt kommer aktionspotentialen att ge upphov till en ström genom en sluten krets efter sig. Den inåtgående natriumströmmen kommer att driva en intracellulär ström bakåt. Denna tenderar i och för sig att motverka repolarisationen som dock fortgår tack vare utgående kaliumström genom läckkanaler. Således får vi samma mönster av jonströmmar genom membranet bakom aktionspotentialens och därför också en sluten strömkrets. Den extracellulära strömriktningen blir den motsatta jämfört med strömmen framför aktionspotentialen.
Aktionspotentialen kommer således att släpa efter sig en ström genom en sluten krets.
Fig. 4
Olika sätt att avleda den elektriska aktiviteten
Med yttre elektroder kan man avleda de extracellulära strömmarna eller de potentialfall som dessa ger upphov till. Här skall vi diskutera den trifasiska registreringen som man får när man placerar elektroder i kontakt med en nerv som befinner sig i en sk volymskonduktor. I laborationern kommer ni att använda er av denna typ av avledning, vilken är samma som används vid exempelvis EKG. Det finns även andra typer av elektrisk avledning så som monofasisk och difasisk avledning.
Trifasisk registrering
En trifasisk avledning erhålles när nerven befinner sig i en volymkonduktor, dvs. när den omges av en stor volym av ledande vätska som i sitt normala läge i kroppen. Man placerar en registrerande (explorerande) elektrod nära nerven och en annan “indifferent” elektrod på längre avstånd.
Elektroderna registrerar de potentialfall som de extracellulära strömmarna ger upphov till. I en volymkonduktor går de extracellulära strömmarna inte bara i nervens omedelbara närhet utan små strömfraktioner kommer också att gå i “bågar” i den omgivande vävnaden. Det är de potentialfall som
Aktionspotential
AP
Fig. 5
Fig. 5 visar strömflödena mellan de två elektroderna vid en trifasisk avledning. Vi utgår från de två slutna strömkretsar som diskuterades ovan, en framför och en bakom aktionspotentialens stigande fas, men vi måste också beakta att i en volymkonduktor flyter extracellulärströmmen inte bara intill nerven utan även i omgivningen, bl a genom det mostånd som finns mellan de två elektroderna. Det är lätt inse att man får en deflektion i en riktning när aktionspotentialens närmar sig (Fig. 5a), en kraftigare deflektion i motsatt riktning när aktionspotentialens stigande fas befinner sig under den explorerande elektroden som ligger i nära kontakt med nerven (Fig. 5b), samt en mindre deflektion in den omvända riktningen när aktionpotentialen är på väg bort från den explorerande elektroden. (En grundläggande syn på denna registrering är att den indifferenta elektroden har samma elektriska närhet till det som händer framför som bakom aktionpotentialen och således inte “ser” någon skillnad.)
Registrering av olika komponenter hos den sammansatta aktionspotentialen
En hel nervstam innehåller tusentals fibrer. När man stimulerar och registrerar en sammansatt aktionspotential från denna, kommer en gradvis ökning av stimuleringsintensiteten (från tröskelvärdet för de grövsta fibrerna) att medföra en gradvis ökning av den registrerade potentialens amplitud, beroende på att allt fler fibrer aktiveras. Det uppenbart att en sådan gradering av impulsens amplitud med graderad stimulering är möjlig endast vid registrering av sammansatt aktionspotential (compound action potential).
Stimuleringsintensiteten sägs vara subliminal med avseende på en viss nervfibergrupp om inga av dess fibrer aktiveras. Ökas retningsstyrkan gradvis sägs den vara liminal när de mest lågtröskliga trådarna aktiveras, submaximal när de flesta och maximal när alla axon i fibergruppen aktiveras. Ytterligare höjning av retningsstyrkan kallas supramaximal stimulering för den aktuella nervtrådsgruppen.
Laboration Nervledningshastighet:
GENOMFÖRANDE Allmän bakgrund:
Se s. 7-11.
Målsättning:
1. Att utföra elektrisk stimulering av en perifer nerv (n. ulnaris).
2. Att registrera en sammansatt aktionspotential från muskelfibrer som aktiverats genom nervstimulering.
3. Att bekanta er med en metod för mätning av nervledningshastighet i en perifer nerv.
Utrustning:
• Dator med BIOPAC Pro programvara, registreringsenhet (MP30)
• Elektrisk stimuleringsenhet (BSLSTMA)
• Stimuleringselektrod (HSTM) och elektrodgel
• Elektrodkabel (SS2L) och engångs registreringselektroder
• Tuschpenna för att markera stimuleringspunkter på huden¨
• Måttband
Uppkoppling (se bild):
1. Anslut kabeln ”Trigger” från stimuleringsenheten till ”Analog Out” på baksidan av registreringsenheten MP30
2. Anslut kabeln ”Reference Output” till CH1 på registreringsenheten.
3. Anslut elektrodkabeln till CH2 på registreringsenheten.
4. Anslut stimuleringselektroden till utgången (”Output”) på stimuleringsenheten.
Stimuleringen skall vara inställd på 0-100 V. Vrid ned ratten ”Level” till 0 V.
Uppkoppling av registreringselektroder
- Ni skall registrera muskelaktivitet med elektromyografi (EMG) från lillfingerabduktorn (m. abductor digiti minimi), vilken innerveras av n. ulnaris.
- Den svarta jordelektroden sätter ni på handryggen (se bilden, tejp behövs inte!).
- Den RÖDA elektroden sätter ni på lillfingret, och den VITA på handens ulnara sida, bilden visar tvärtom!
(det enda som påverkas är polariteten i registreringen, dvs. ”vad som är upp och ned”)
Styrning av stimulering och registrering:
- Start och stopp av stimulering och registrering: ’A’, knappen märkt ’Start’.
- Justering av kurvornas skalor: Klicka vid ’B’ och ändra ”Scale” och ev. ”Midpoint” i fönstret som dyker upp.
Moment 1: Registrering av EMG vid viljemässiga kontraktioner
Starta insamlingen utan att använda stimuleringselektroden.
Stimuleringselektrod:
Stimuleringsställen:
Position Katod (svart) Anod (vit) S1 ca. 8 cm proximalt proximalt om katoden
om den röda (=AR) registreringselektroden
S2 ca. 4 cm distalt proximalt om katoden om den mediala
epikondylen
S3 ca. 6 cm proximalt proximalt om katoden från den mediala
epikondylen, just framför (volart om) m. triceps
- Försökspersonen vilar med armen på bordet med handflatan uppåt.
- Sätt lite elektrodpasta på de två elektroderna på stimuleringselektroden.
- Placera stimuleringselektroden vid S3 enligt bild och tabell, ovan.
- Starta stimulering och registrering genom att klicka på ”Start”.
- Försökspersonen trycker själv in den röda knappen på stimuleringselektroden, och ökar sedan stimuleringsinstensiteten genom att vrida på knapp ”Level” på stimuleringsenheten. Öka intensiteten tills det känns någonting alls i huden, ca. 30-70 V beroende på hur bra kontakt det är.
- Flytta stimuleringselektroden försiktigt i små steg och pröva att öka stimuleringsintensiteten tills ni hittar en punkt där n. ulnaris stimuleras.
De ulnara fingrarna kan då ”hoppa till” vid stimuleringspulsen, och samtidigt känner man en ilning ut i innervationsområdet (parestesi).
- Det kan behövas mer elektrodpasta, men blir det för mycket får man torka av armen.
- Ni skall nu kunna registrera ett utslag i EMG-registreringen. Stimulering vid position S3 och motsvarande registrering framgår av bilden på nästa sida.
- ”Rätt” stimuleringspunkt är mycket liten, och där krävs det relativt sett mindre stimuleringsstyrka, ca.
30-50 V. Ni skall använda detta ”bästa ställe” under hela försöket. Försök markera det bästa läget med en tuschpenna.
- Stoppa registreringen.
Notera: Om det behövs mycket spänning och/eller försökspersonen tycker att det gör väldigt ont så kan ni behöva mer elektrodpasta eller justera elektrodläget ytterligare. Tryck inte alltför hårt.
Frågor:
- Vid vilken spänning uppträder ett svar i muskeln? = tröskelvärde, ______ V
- Vad händer när spänningen ökas från tröskelvärdet? Varför varierar svaret i storlek?
Om utslagen blir stora kan ni behöva justera skalan på kurvorna, se ovan.
Moment 3: Mätning av nervledningshastighet
- Stimulera nerven vid S3 och registrera några EMG-svar. Stoppa registreringen.
- Mät latensen för de utlösta svaren (se bild på förra sidan):
1. Ovanför ”Start”-knappen finns det ett verktyg för att mäta tider:
2. Klicka på det lodräta strecket. Klicka därefter vid början på stimuleringspulsen, och dra med musen till början på utslaget i registreringen (se bilden).
3. Tiden kan avläsas ovanför registreringarna, vid ’delta T’.
OBS! Artefakter: störningar som kommer från utrustningen.
• Nära stimuleringspulsen brukar det finnas en kortvarig ”tagg”, en s.k. stimulerings-artefakt i registreringen. Detta är en störning från stimuleringselektroden som syns i registreringen, och signalen kommer inte från muskeln. Artefakten är särskilt tydlig när det är kort avstånd mellan stimulering och registrering (S1).
• Vid stimulering vid S1 kan det (mycket sällan) även förekomma en mer långvarig, ”våg-lik” artefakt.
• Fråga amanuens om råd om ni är tveksamma om vad som är artefakt och vad det är ni skall mäta på.
- Mät avståndet från stimuleringskatoden (svart) till registreringselektroden över muskeln (röd elektrod) med ett måttband. Fyll i tabellen nedan.
- Upprepa nu hela proceduren vid position S1 och prova även vid S2. Fyll i tabellen.
Position Latens (sek) Avstånd stimulering – registrering (meter) S3
S1 S2
Uppgifter:
- Diskutera noga igenom följande:
Vad är det ni stimulerar och hur?
Vad är det ni registrerar? Varifrån kommer de elektriska signalerna?
Vad har hänt, i detalj, från stimuleringsögonblicket tills utslaget kommer i registreringen?
- Varför stimulerar ni på (minst) två punkter och mäter två latenser och sträckor? Hur skall ni beräkna ledningshastighet för aktionspotentialer i nerven?
- Varför räcker det inte med att stimulera på ett ställe och mäta latensen en gång? Vad blir hastigheten om ni gör på det viset? Varför?
- Korrekt uppmätt nervledningshastighet: _______ m/s
- Blev den uppmätta ledningshastigheten den ni förväntade er? Om inte, varför?
- Vilken typ av axon (histologi och fysiologisk roll) är det ni bestämmer ledningshastighet för på detta sätt?
Egna anteckningar
Egna anteckningar
Egna anteckningar
LABORATION: ELEKTROMYOGRAFI (EMG)
Baserad på instruktionerna till ”Lesson 1 and 2” (EMG I – II) ur Biopac Student Laboratory Manual.
Klas Blomgren Oktober 2002 1. Introduktion
Skelettmuskulaturens huvudsakliga funktion är att omvandla kemisk energi till mekaniskt arbete.
Skelettmuskulatur består av hundratals enskilda cylindriska celler, eller muskelfibrer, som hålls samman av bindväv. Nervimpulser från hjärnan (via kranialnerver) eller ryggmärgen (via spinala nerver) förmedlas i perifera nerver till avsedda muskler. När nervfibrerna når muskeln, förgrenar de sig och varje nervfiber innerverar ett flertal muskelfibrer. Ett enda motorneuron kan alltså innervera flera muskelfibrer, men varje muskelfiber innerveras endast av ett motorneuron. Ett motorneuron tillsammans med de muskelfibrer det innerverar kallas en motorisk enhet (motor unit). När ett motorneuron aktiveras, kommer alla de muskelfibrer som det innerverar att svara med att generera egna elektriska signaler som leder till kontraktion.
Figur 1. Från: Human Anatomy and Physiology, 5th ed., av E. Marieb. Benjamin and Cummings, 2001
Antalet muskelfibrer som innerveras av ett enda motorneuron, d v s storleken på den motoriska enheten, varierar mellan ca 10 och 3000. Antalet beror på muskelns funktion. Ju mindre motoriska enheter, desto fler motorneuron behöver engageras för att kontrollera muskeln, och därmed blir hjärnans kontroll över muskelns förkortning större. Muskler som styr fingrarnas eller ögonens rörelser har mycket små motoriska enheter eftersom dessa måste styras mycket exakt. Postural muskulatur, å andra sidan, som till exempel skall hålla ryggen rak, har mycket stora motoriska enheter, eftersom exakt kontroll av denna muskulatur inte är nödvändig.
Graden av muskelkontraktion styrs av:
1. Antalet aktiverade motoriska enheter.
2. Frekvensen av nervimpulser i varje motorisk enhet.
enheten. Vanligen skickas inte en aktionspotential i taget, utan hela skurar eller tåg av
aktionspotentialer skickas för att inducera en tetanisk kontraktion (en långvarig, sammanhängande fusion av enskilda sammandragningar) av muskelfibrerna i den motoriska enheten.
Vissa delar av skelettmuskulaturen kan uppvisa en konstant tonus, d v s en viss stadig kontraktion.
Detta är nödvändigt i postural muskulatur (rygg, nacke), men kan också finnas som en förberedelse för att snabbt kunna ta en muskel i bruk.
Gradering innebär att förkortningen av en muskel eller den kraften som den utvecklar ändras allteftersom belastningen ändras. Gradering möjliggör jämna kontrollerade rörelser, som t ex gång eller simning. Vid gång på plan mark eller i trappor utvecklar samma muskulatur olika mycket kraft beroende på belastningen de utsätts för.
Då en motorisk enhet aktiveras kommer muskelfibrerna att generera och propagera sina egna aktionspotentialer, vilka sedan leder till mekanisk kontraktion av fibrerna. De elektriska impuls som då kan avledas från utsidan av varje enskild fiber är svaga (mindre än 100 mikrovolt), men
tillsammans kan de ge upphov till spänningsskillnader som är så stora att de kan detekteras av
elektroder på hudytan. Detektion, förstärkning och registrering av spänningsförändringar i huden som orsakas av underliggande muskulatur, kallas elektromyografi (EMG). Registreringen kallas
elektromyogram.
När man arbetar kontinuerligt med en muskel kommer den så småningom att tröttas ut (fatigue). Detta kan ha flera orsaker. Dels kan muskelfibrerna konsumera den energi som finns largrad i cellerna, och så småningom kommer inte energinivåerna att kunna återställas utan muskelfibrernas förmåga att generera mekanisk kraft kommer att avta (s.k. perifer fatigue). Detta påverkar dock inte muskelns förmåga att generera aktionspotentialer, och påverkar alltså inte EMG.
Det finns också flera centrala mekanismer som kan bidra till fatigue, central fatigue, både på ryggmärgsnivå (t.ex. minskad effektivitet i synapserna på motorneuronen) eller på högre nivåer i de motoriska systemen (minskad central aktivering av de descenderande bansystemen). Genom att EMG registrerar muskelns elektriska aktivitet och en kraftregistrering avspeglar muskelns mekaniska kraftutveckling så finns det möjlighet att skilja på central och perifer fatigue i laborationen.
2. Syfte
2.1 Att observera och registrera muskeltonus, så som den avspeglas i den elektriska aktiviteten i vilande muskulatur.
2.2 Att bestämma den maximala kraften i höger och vänster hand.
2.3 Att observera, registrera och korrelera rekrytering av motoriska enheter med ökande kraft i kontraktionen.
2.4 Att registrera kraften i handgreppet, EMG och integrerat EMG under fatigue.
3. Material
Dator med mjukvaran Student Lab 3.0 BIOPAC datainsamlingsenhet (MP30) BIOPAC elektrodkablar (SS2L)
Självhäftande elektroder, 6 st per försöksperson BIOPAC hand-dynamometer (SS25)
BIOPAC hörlurar (OUT1)
Figur 2
4. Utförande
Det är lämpligt att gruppen utser en försöksledare, en försöksperson och en ”tekniker”.
Försöksledaren skall läsa instruktionerna och tala om för försökspersonen och teknikern vad de skall göra.
Försökspersonen är den vars EMG skall mätas.
Teknikern skall övervaka instruktionerna från programmet då försökspersonen ombeds göra något, och sköta den tekniska registreringen av data.
4.1Förberedelser
4.1.1 Sätt på tre självhäftande elektroder på försökspersonens dominanta (vanligtvis höger på en högerhänt person, och vice versa) och icke-dominanta underarm enligt figur 3a nedan (registreringar skall göras från båda armarna).
Figur 3a Figur 3b
4.1.2 Koppla in hand-dynamometern (SS25L) i kanal 1 (CH1), elektrod-kablarna (SS2L) i kanal 3 (CH3) samt hörlurarna (OUT1) baktill på MP30.
4.1.3 Sätt fast kablarna på elektroderna enligt figur 3b ovan. OBS! Förvissa er om att färgerna sitter som på bilden.
4.1.4 Starta programmet BIOPAC Student Lab, välj lektionen ”L02-EMG-2” och klicka OK.
4.1.5 Skriv in ett unikt filnamn (varje grupp eller försöksperson måste ha ett unikt filnamn för
4.2Kalibrering
4.2.1 Klicka på ”Calibrate”. Ett fönster kommer att dyka upp och tala om för er att inte applicera någon kraft på dynamometern.
4.2.2 Lägg ned dynamometern och klicka OK.
4.2.3 Fatta dynamometern så högt upp som möjligt utan att röra vid den tvärgående metallplattan. Det är viktigt att man håller dynamometern likadant hela tiden, och på samma sätt med både höger och vänster hand, annars blir resultaten missvisande. Se figur 4.
Figur 4
4.2.4 Följ instruktionerna i de två följande fönster som dyker upp, och klicka OK när ni är färdiga med respektive fönster. När ni klickat OK på det tredje fönstret kommer kalibreringen att börja.
4.2.5 Försökspersonen skall vänta ca två sekunder, sedan gripa så hårt som möjligt om dynamometern, och till sist släppa den. Denna registrering av försökspersonens maximala handstyrka används av programmet för kalibrering.
4.2.6 Vänta tills kalibreringen är färdig. Hela proceduren tar ca 8 sekunder och slutar automatiskt.
4.2.7 Om kalibreringen ser ut ungefär som på bilden nedan (figur 5), fortsätt till nästa sektion.
Om inte, gör om kalibreringen (klicka på ”Redo calibration”).
Figur 5 4.2 Registrering
Från varje underarm skall två serier av registreringar göras. Den första serien skall illustrera rekrytering av motoriska enheter, den andra serien skall illustrera uttröttning, eller fatigue.
4.3.1 Titta i textfönstret under kalibreringskurvan, där står vilken inkrementell (stegvis) ökning försökspersonen skall åstadkomma, 5, 10 eller 20 kg ökning per grepp. Detta är baserat på hur hårt greppet var under kalibreringen.
4.3.2 Klicka på ”Record”. Ett fönster kommer att dyka upp som enbart visar dynamometerns mätkanal, samt ett rutmönster som indikerar den tänkta inkrementella, stegvisa
ökningen. Grip dynamometern i 2 sekunder, slappna av i 2 sekunder, och fortsätt på detta vis tills alla registreringar är gjorda (3 till 5 ”pucklar”). Försök med hjälp
10 eller 20 kg varje gång, enligt ovan, tills maximal styrka har nåtts. Till exempel: 5- 10-15, 10-20-30 eller 20- 40-60 kg. OBS! Registreringarna skall se ut ungefär som i figur 6 nedan!
Figur 6
4.3.3 Klicka på ”Suspend”. Registreringen avbryts. Om det gick bra skall det se ut ungefär som på bilden ovan (figur 6). Registreringen kan vara bra även om kurvorna inte är lika jämna som på bilden. Om ni vill göra om registreringen, klicka på ”Redo” och repetera föregående steg.
4.3.4 Fortsätt att följa instruktionerna på skärmen. Klicka på ”Resume”. Grip dynamometern med maximal kraft. Notera kraften och håll kvar den så länge som möjligt. OBS!
Det är viktigt att detta görs med maximal kraft, det blir bättre resultat då.
4.3.5 När kraften minskat till mindre än 50% av maximal kraft, släpp greppet och klicka på
”Suspend”. Registreringen avbryts och kan inspekteras. Om det gick bra skall det se ut ungefär som figuren nedan (figur 7). Om ni vill göra om registreringen, klicka på
”Redo” och repetera föregående steg.
Figur 7
4.3.6 Nu är registreringarna klara för den dominanta armen. Instruktionerna på skärmen ber er nu koppla upp elektroder och upprepa regsitreringana med inkrementell ökning av kraften samt fatigue på den icke-dominanta armen.
4.3.7 Lyssna på EMG (frivilligt). Om ni vill lyssna på EMG-signalen, ta på hörlurarna och klicka på ”Listen”. Då försökspersonen griper i dynamometern hörs ett ljud som varierar med intensiteten i greppet. När alla som vill har lyssnat färdigt, klicka på
”Stop”.
4.3.8 Klicka på ”Done”. Ta bort elektroderna från armarna.
5. Analys av data
5.1.1 En dialogruta visar på alternativ där man kan analysera de data ni just registrerat. Om ni råkat stänga programmet eller komit fel så kan ni titta på era sparade data stängt
programmet kan ni istället titta på era sparade data. I start-menyn ”Lessons”, välj
”Review Saved Data”. Leta upp mappen med det namn ni gav den i början (”Den här datorn” – ”Lokal disk” – ”Program” – ”BIOPAC Systems, Inc” – ”Biopac Student
Figur 8
5.1.2 Börja med den första övningen, inkrementell ökning. För att optimera betraktandet av kurvorna kan ni använda kommandona ”Autoscale horizontal”, ”Autoscale waveforms”
och Zoom Tool (förstoringsglaset) och menyvalet ”Zoom Previous” (zoomar ut eller tillbaka), samt den vertikala och den horisontella rullninglisten (scroll bar).
5.1.3 Ställ in kanalerna enligt följande (se även figur 9 nedan):
Kanal Measurement
CH 1 (Force) mean
CH 3 (Raw EMG) p-p
CH 40 (Integrated EMG) mean
mean: Visar medelvärdet för det valda intervallet.
p-p: Tar maxvärdet i det valda intervallet och subtraherar minimivärdet.
Det valda intervallet ställs in med markeringsverktyget som ser ut som en ”I-balk”
(på engelska ”I-beam”, se nedan).
CH1 CH3 CH40
5.1.4 Markera en del av platå-fasen i den första puckeln med hjälp av markeringsverktyget (”I-balken”). Denna väljs genom att klicka i rutan mellan pilen och förstorings-glaset (se nedre högra hörnet i figur 9 ovan). Notera de mätresultat som visas, antingen genom att skriva ned dem för hand, eller genom ”Edit – Journal – Paste
measurements”.
Figur 9
I-balk (markeringsverktyg)
5.1.6 Markera ett intervall mellan två pucklar, där kraften är noll, och förstora upp detta intervall med hjälp av ”förstoringsglaset”. Notera om det syns någon EMG-aktivitet.
5.1.7 Gå till den andra övningen (fatigue), genom att rulla fönstret åt höger.
5.1.8 Ställ in kanalerna enligt följande:
Kanal Measurement
CH 1 (Force) value
CH 40 (Integrated EMG) delta T
value: Visar amplituden för kurvan i den punkt där ”I-balken” placerats. Om ett intervall markerats, visas värdet på amplituden i slutpunkten av det valda intervallet.
Delta T: Visar tiden (durationen i sekunder) i det valda intervallet.
5.1.9 Välj med ”I-balken” en punkt där gripkraften är maximal. Notera gripkraften vid denna punkt, se nedersta tabellen, nedan.
Markera sedan genom att dra med markeringsverktyget ända till en punkt där kraften sjunkit till ca 50% av den initiala, maximala kraften (se figur 10 nedan). Notera kraften i samma tabell.
Notera slutligen tiden det tog för denna fatigue att utvecklas (=delta T).
Figur 10
5.1.10 Fyll i alla data för den dominanta armen i tabellerna under punkt 6 på nästa sida.
5.1.11 Upprepa analyserna med registreringar för den icke-dominanta underarmen (”2-L02”).
5.1.12 Fyll i alla data för den icke-dominanta armen i tabellerna under punkt 6 på nästa sida.
6. Diskussion och frågor
Fyll i tabellerna med data från era registreringar.
Dominant arm Icke-dominant arm
Puckel # Kraft (kg) Inkrement
Kraft (kg) (CH1) mean
EMG (mV) (CH3) p-p
Int. EMG (mV) (CH40) mean
Kraft (kg) (CH1) mean
EMG (mV) (CH3) p-p
Int. EMG (mV) (CH40) mean
1 kg
2 kg
3 kg
4 kg
5 kg
Dominant arm Icke-dominant arm
Max kraft
(CH1-värdet) 50% av max
Tid till fatigue (delta T)
Max kraft
(CH1-värdet) 50% av max
Tid till fatigue (delta T)
1. Definiera motorisk enhet.
2. Definiera rekrytering.
3. Definiera EMG.
4. Är försökspersonens högra arm lika stark som den vänstra? Förklaring?
5. När man inte registrerar någon kraftutveckling (dynamometern registrerar värdet noll), kan man då se någon EMG-aktivitet? Vad skulle detta kunna vara?
6. När muskeln tröttnar minskar kraften som muskeln utvecklar. Vilka mekanismer ligger bakom detta fenomen?
7. Kan du tänka dig någon klinisk tillämpning av EMG-registrering?
Finns det någon tillämpning där patienten kan ha nytta av att höra sitt eget EMG?
LABORATION SMÄRTA
Bakgrund
Smärta är ett mycket viktigt men kliniskt komplext symtom. Fenomenet smärta är experimentellt
svårbearbetat och svårvärderat, eftersom det är en subjektiv upplevelse, unik för den individuella patienten eller försökspersonen och påverkbar av en stor mängd faktorer. Till följd av detta har ett flertal experimen- tella metoder utarbetats för att bidra till utvärdering av olika element i smärtkomplexet. Stora svårigheter föreligger i att skaffa sig en överskådlig bild av det neurofysiologiska korrelatet till smärta.
Laborationen syftar till att belysa några viktiga moment i smärtfysiologin, av vilka flera har en direkt klinisk relevans, och utgör därigenom bas för en vidare diskussion. Genomgående för metodiken i alla avsnitt är att försökspersonerna introspektivt skall utvärdera sina upplevelser. Detta utvärderande är inte alltid lätt men ändå något som läkaren/tandläkaren vid kartläggande av smärtsymtom behöver veta av sin patient.
Smärta ledes i två fibersystem (A-delta och C) med olika ledningshastigheter. Stark värme uppges vara en särskilt effektiv stimulering för att utlösa den första och andra smärtvågen relaterade till A-delta respektive C-fibrer.
Vid ischemi uppkommer en obalans mellan det metaboliska kravet i vävnaden och den tillförda syrgasmängden med en ansamling av sura metaboliter som följd. Detta är en kliniskt vanlig upp- komstmekanism för muskelsmärta vid förträngningar i de kärl som försörjer muskulatur. Detta drabbar hjärtmuskulatur vid angina pectoris (kärlkramp i hjärtmuskeln) och vadmuskulatur vid fönstertittarsjuka (claudiocatio intermittens). Ett ökat muskelarbete accentuerar smärtan.
Direkt aktivering av en sensorisk nerv ger en sinnesupplevelse som tolkas som kommande från nervens perifera innervationsområde. Samma princip gäller för smärtsinnet, s.k. projicerad smärta. Detta är kliniskt viktigt att känna till exempelvis vid mekanisk skada (och därmed aktivering) på en perifer nerv såsom vid diskbråck (mekanisk påverkan på spinala nervrötter).
TENS-stimulering utnyttjar nervsystemets egna smärtlindrande mekanismer. Vid högfrekvent TENS stimuleras grova beröringsnerver (A-beta fibrer). Denna nervaktivitet hämmar impulsöverföringen i smärtbanan på ryggmärgsnivå (Substantia gelatinosa i dorsalhornet). Vid lågfrekvent TENS eftersträvas muskelkontraktioner i området för stimuleringen. Kraftiga muskelkontraktioner aktiverar "ergoreceptorer"
lokaliserade i skelettmuskulaturen som svarar både på sträckning och kontraktion. Impulserna förs vidare till ryggmärgen via tunna myeliniserade nervtrådar (grupp III afferenter) och når thalamus, men även nucleus raphe magnus (NRM) och periaqueductal grey (PAG) via ascenderande spinala banor. I dessa områden sker en frisättning av endorfiner vilket anses ha del i smärthämningsmekanismen.
I NRM aktiveras descenderande inhibitoriska serotoninerga (5-HT) neuron vilka i sin tur antingen direkt hämmar den primära smärtafferensen i dorsalhornet eller indirekt åstadkommer samma effekt via stimulering av spinala enkefalinerga interneuron i dorsalhornet.
(Personer som har pacemaker bör ej använda TENS)
Försökets utförande
Efter en introduktion genomförs labmoment 1-3 i grupper om 2-3 studenter, moment 4 demonstreras av amanuens i ordinarie laborationsgrupp (6-8 studenter).
Resultaten och svar på frågorna från samtliga laborationsmoment (1-4) föredras muntligen och diskuteras gemensamt i samband med duggan.
1. Värmesmärta ("Den dubbla smärtupplevelsen").
Materiel: En balja med varmt vatten (60 C), termometer
Utförande: Stick ned en naken fot i varm vattnet och STÅ på den.
Verbalisera upplevelsen! Uppskatta ungefärlig tidsskillnad mellan smärtvågorna? Vad karaktäriserar de två smärtfibersystemen ifråga om förmedlad sensorisk upplevelse? Vad har de de två olika
“smärtvågorna” för funktionell uppgift? Varför märks inte separationen mellan två smärtvågorna lika tydligt om man istället fick det varma vattnet på axeln?
En vanlig reaktion i det här sammanhanget är att man efteråt vill gnugga sig eller blåsa på den hudyta som utsatts för det varma vattnet. Varför vill man göra det? Förklara mekanismen.
2. Ischemisk muskelsmärta.
Materiel: Blodtrycksmanschett, gummiring.
Utförande: En försöksperson. Blodtrycksmanschetten anbringas på höger överarm efter att armen dränerats på venöst blod genom att försökspersonen hållit den rakt upp under 1 min. Härefter pumpas manschett-trycket upp till 200 mm Hg. Vila armen i knät i 5 min.
Beskriv upplevelsen under förloppet dels känslan lokalt i armen, men även eventuella andra upplevelser.
Sänk därefter manschettrycket varvid armen snabbt blodfylls och huden rodnar (reaktiv hyperemi).
Upprepa proceduren för vänster arm men gör aktiva handrörelser med gummiringen så snart
manschettrycket pumpats upp. Fortsätt så länge det går och helst lite längre! Beskriv upplevelsen under förloppet, dels känslan lokalt i armen, men även eventuella andra upplevelser och känslor. Håll manschett- trycket i 5 min (om försökspersonen härdar ut).
Vid angina pectoris drabbas patienterna ofta av smärta som strålar ut mot käken, ut mot armen, magen eller mot ryggen. Hur kan detta förklaras?
3. Projicerad smärta.
Materiel: Elektrisk stimulator, ytelektroder, elektrodgel.
Utförande: Stimulera först n.ulnaris vid armbågen, sedan n. medianus (mellan flexorsenorna) på handledens volar sida och till sist n. radialis (radialt på underarmen, en handbredd proximalt om handleden). Anbringa katoden över aktuell perifer nerv och anoden mitt på underarmens volarsida. Öka långsamt intensiteten.
Rita området för projektionen av parestesierna i redogörelsen. Beskriv upplevelsen. Kan en
smärtsensation erhållas om intensiteten ökas ytterligare ? Jämför skisserna av era händer, redogör för tänkbara möjligheter till skillnader och avvikelser mellan gruppmedlemmarna och de
innervationsområden som beskrivs i anatomiska handböcker.
4. Demonstration av stimulatorer för transkutan elektrisk nervstimulering (TENS) (med amanuens närvarande)
De båda stimuleringsformerna prövas praktiskt.
Elektrodgel på elektroderna avsköljes med ljummet vatten och avtorkas efter försöket.
5. Tvåpunktsdiskrimination
Med hjälp av en passare kan man undersöka förmågan till tvåpunktsdiskrimination. Arbeta två och två.
Försökspersonen blundar. Försöksledaren ställer passarens spetsar på olika avstånd på 1) fingerblomma 2) handryggen 3) underarmen 4) fotryggen. Notera skillnaderna i avstånd mellan hudavsnitt med olika stora receptiva fält!
6. Jämförelse av smärtlindring med fysiskt arbete och TNS (endast två försökspersoner!).
-1 person cyklar på träningscykel (10 + 10 minuter, högt tempo!) – medtag träningskläder!
-1person har lågfrekvent TNS-stimulering i 30 minuter, kopplat till underarmen (m. Brachioradialis) och armvecket/överarmen (biceps). Inledningsvis används stimulering med 2 Hz, kan eventuellt höjas om adaptation sker. Man bör ha tydliga och relativt kraftiga muskelkontraktioner.
Cykling: Mätning av smärttröskeln görs Mätvärden tages vid tiden noll (5 värden i sträck, beräkna medelvärde) därefter efter 10 och 20 minuters intensiv cykling, samt under viloperioden (var tionde minut) till man närmat sig utgångsvärdet.
TNS: Mätvärden vid tiden noll (5 värden i sträck, beräkna medelvärde) samt var tionde minut under trettio minuter med TNS, samt under den efterföljande viloperioden, tills man närmat sig utgångsvärdet.
Smärttröskeln mäts med ett instrument (Painmatcher®) som elektriskt stimulerar huden på tummens och pekfingrets distala falang.
Försöket illustrerar att fysiskt arbete, då stora muskelgrupper används, kan ge en påverkan på smärttröskeln. Denna smärttröskelförändring jämförs med den man får med lågfrekvent TNS- stimulering, som används kliniskt för att lindra smärta både postoperativt och vid förlossningar.
Vid muskelarbete/lågfrekvent TNS aktiveras ergoreceptorer (högtröskliga grupp III och IV nervfibrer) i musklerna, som i sin tur förmedlar information till hjärnstammen. I ett område som kallas periaqueductal grey (PAG) aktiveras endorfininnehållande celler som i sin tur aktiverar nedåtstigande banor i raphekärnorna (serotonininnehållande). Dessa serotoninerga neuron bidrar till smärthämning på spinal nivå.
På smärtföreläsningen diskuteras teorin bakom laborationen i detalj.
Redovisning
Se i första hand under respektive laborationsmoment. Illustrativa figurer får gärna användas.
Vad beträffar demonstration av transkutan elektrisk nervstimulering (TENS) önskas en kort redogörelse för tänkbar analgetisk verkningsmekanism för högfrekvent- respektive lågfrekvent TENS.
Egna anteckningar
LABORATION MUSKEL:
BAKGRUNDNär muskeln aktiveras sker det en omvandling av kemisk energi till mekanisk energi i myofibrillerna.
Om belastningen inte är alltför stor kommer muskeln att förkorta sig och utföra ett yttre arbete, exempelvis att lyfta en tyngd. Är muskelns båda ändar däremot fixerade så kan inte kontraktionen utåt manifestera sig som en förkortning utan man iakttar istället en spänningsökning. Även vid en absolut fixering av muskelns båda ändar sker dock en viss inre förkortning av de kontraktila elementen när dessa vid kontraktionen sträcker senor och elastiska filament i muskeln. Det är av intresse att studera muskelkontraktionen både med avseende på förmågan till förkortning och förmågan till spännings- utveckling.
Om muskelns båda ändar är fixerade så säger man att kontraktionen sker isometriskt. För att under sådana betingelser kunna mäta spänningsutvecklingen i muskeln förbinder man dess ena ända med ett registreringssystem med stor styvhet. Då får man en s.k isometrisk registrering av kontraktionsförloppet. Detta är lämpligt när man vill studera principerna för gradering av skelettmuskelns kontraktionskraft, t.ex. aktivering av olika många motoriska enheter, summation/tetanus, eller betydelsen av muskelns längd för dess spänningsutveckling.
Single twitch och rekrytering
En kontraktion i den isolerade muskeln kan utlösas genom elektrisk stimulering av den motoriska nerven. En stimuleringspuls av tillräcklig styrka kommer därvid att utlösa aktionspotentialer i de motoriska axonen och via den synaptiska transmissionen i motorändplattan även i muskelfibrernas cellmembraner. Genom "excitations-kontraktionskopplingen" utlöses de konformationsförändringar i myofibrillernas kontraktila protein, som utgör själva kontraktionen. Den muskelkontraktion som utlöses av ett enstaka stimulus kallas "single twitch".
under isometriska förhållanden.
Fig. 1 Muskel kontra ktion utlöst av en enstaka aktions potenti al (”single twitch”
) registre rad
Om stimuleringsintensiteten (dvs. amplituden på den enstaka stimuleringsimpuls som användes) varieras, så kommer också kontraktionssvaret att variera i storlek. Vid svaga stimuli får man ingen
"single twitch". Ökas stimuleringsstyrkan gradvis uppkommer en svag kontraktion, som sedan växer med retningen till ett maximum, där ökad retningsstyrka inte medför någon ytterligare ökning i svaret.
Detta kan förklaras av att de olika motoriska axonen har olika retningströskel, och kontraktionssvaret tillväxer allteftersom fler och fler motorenheter engageras i single twitchen vid tilltagande retningsstyrka. En stimuleringsstyrka som är stark nog att aktivera alla motorenheter ger en "maximal
Summation
Eftersom aktionspotentialens refraktärperiod är mycket kort (några ms) jämfört med durationen av en
"single twitch", så är muskelcellens membran mottaglig för en ny retning och kan förmedla en ny aktionspotential, långt innan det mekaniska svaret och kalciumkoncentrationsökningen efter den första retningen är över. En sådan andra excitation av membranen kommer att leda till en kraftigare kalciumkoncentrationsökning och därmed en kraftigare aktivering av det kontraktila systemet.
Dessutom kommer de serieelastiska elementen nu vara partiellt utsträckta, vilket gör att de kontraktila elementen förkortar sig mindre, och muskeln utvecklar mer tension. Upprepade stimuli ger därför en påbyggnad av den isometriska twitch-tensionen s.k summation. Detta illustreras schematiskt i fig 2.
Fig. 2 Summation av muskelkontraktioner när muskeln stimuleras med upprepade
stimuleringar i tät följd.
Om muskeln ges en hel serie av impulser får man en s.k tetanus, som först är "vågig" men som vid ytterligare ökning av stimuleringsfrekvensen blir "glatt" (fig 2). Glatt tetanus inträder, när tiden mellan stimuleringsimpulserna blir så kort så att inga tecken till muskelrelaxation mellan stimuleringarna är synbara. Den utvecklade kontraktionskraften vid glatt tetanus kan bli 2-10 gånger större än "maximal single twitch". Denna "tetanus - twitch ratio" varierar dock olika muskler emellan. Fysiologiskt aktiveras våra muskler i form av grov-vågig tetanus i de olika motorenhterna. Kontraktionen i muskeln som helhet förefaller ändå jämn genom att de olika motorenheterna aktiveras asynkront, dvs. vid olika tidpunkter.
Sammanfattningsvis kan skelettmuskeln öka sin kontraktionskraft dels genom att fler och fler motorenheter engageras (rekrytering), dels genom att muskelcellerna aktiveras med högre frekvens (summation). Båda dessa metoder använder CNS i sin kontroll av skelettmuskeln.
Sambandet mellan längd och tension
Med den isometriska registreringen kan man dessutom studera sambandet mellan muskelns längd och tension. När den inaktiva muskeln sträcks från en utgångslängd, där den är helt slapp, till en allt större och större längd, förändras tensionen på ett karakteristiskt sätt. Dels uppvisar muskeln en s.k "passiv tension", som iakttas utan elektrisk stimulering. När muskeln sträcks spänns de elastiska strukturerna I muskeln och precis som när man drar ut en metallfjäder eller ett gummiband, så strävar dessa elastiska element i muskeln att dra ihop sig och återta sin ursprungslängd. Passiv tension är den tension som skapas av denna passiva elastiska återfjädring. Den passiva längd-tensionskurvan visas schematiskt i fig 3, ”Passiv”. Om muskeln vid olika längder stimuleras till en maximal, glatt tetanus ökar tensionen upp till den längd-tensions- kurva, som representerar den totala tensionen (fig 3,
”Total”) . Den tension , som muskeln aktivt utvecklat under kontraktionen utgör skillnaden mellan
”Total” och ”Passiv” (dvs. ”Aktiv”).
Fig. 3 Förhållandet mellan kraft och muskellängd. Till höger illustreras schematiskt en sarkomer vid olika muskellängder.
Laboration Muskel:
GENOMFÖRANDE BakgrundFöreläsning i muskelfysiologi (Block 2) samt sid. 34-36 i detta laborationskompendium.
Målsättning
1. Att registrera kraften som utvecklas i en muskel vid elektrisk stimulering.
2. Att studera fenomenet summation vid upprepad muskelaktivering.
Utrustning
Dator med BIOPAC Pro programvara, registreringsenhet (MP30) Elektrisk stimuleringsenhet (BSLSTMA)
Stimuleringselektrod (HSTM), elektrodgel Kraftgivare (SS12LA), stativ och ett utvikt gem
Tuschpenna för att markera stimuleringspunkten på huden
Stim uleringsenhet
Uppkoppling (se bild):
1. Anslut kabeln ”Trigger” från stimuleringsenheten till ”Analog Out” på baksidan av registreringsenheten MP30
2. Anslut kabeln ”Reference Output” till CH1 på registreringsenheten (OBS bilden stämmer inte!)
3. Anslut kraftgivaren till CH2 på registreringsenheten (och inte som på bilden) 4. Anslut stimuleringselektroden till utgången (”Output”) på stimuleringsenheten.
Stimuleringen skall vara inställd på 0-100 V. Vrid ned ratten ”Level” till 0 V.
Inställning av stim ul erin g sstyr ka
K ra ftg iv a re
R egistrerin gsenhet
Stim uleringselektrod
B C
D
Styrning av stimulering och registrering:
A
Stimulering och registrering startas och stoppas genom att man klickar på knappen “Start”
(A).
Antalet pulser per stimulering kan ändras överst i fönstret (B), välj ”enkelpuls”,
”dubbelpuls” eller ”pulståg”. Pulsernas frekvens ställs in vid C, se Moment 3.
Kurvornas skalor kan ev. behöva justeras, klicka vid skalan (D) och ändra ”Scale” och ev.
”Midpoint” i fönstret som dyker upp.
Det finns en mängd andra funktioner i programmet, t.ex:
Man kan ’scrolla’ tillbaka och titta på tidigare registrerade data.
Tidsskalan kan ändras: klicka på den och ändra ”Scale” i fönstret som dyker upp (standardinställning i denna labb är 0,25 s).
Man kan mäta tider genom att klicka på det lodräta strecket (just ovanför ’Start’). Klicka sedan och dra i registreringen. Den uppmätta tiden visas ovanför registreringarna (’delta T’).
Moment 1: Att finna rätt stimuleringspunkt
