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实验:跳舞的蟑螂腿-微刺激神经元和肌肉

电在我们神经和肌肉系统的工作中起着至关重要的作用。在这个实验中,你要用手机的音乐输出来刺激蟑螂的腿部肌肉。

时间30分钟
困难初学者

你会学到什么?

在这个实验室里,你将学习微刺激的历史和在研究神经系统中的应用,你将研究频率对蟑螂神经电兴奋性的影响。

先决条件的实验室

  • 组建SpikerBox-在做这个实验之前,你应该先做一个SpikerBox基础实验来了解神经元。


背景

早在科学家能够记录峰值之前,他们就能够用电池来刺激神经系统(莱顿瓶)。由于神经是用电来交流的,所以也可以用电来操纵它们。路易吉伽尔伐尼他发现,电流作用于青蛙腿的神经会导致大块肌肉抽搐。

这些发现在当时引发了争论,即“动物电”是否与雷暴期间的电不同。伽伐尼还在雷雨时将青蛙腿挂在后院门廊上,观察它们抽搐。这些现象是玛丽·雪莱《弗兰肯斯坦》的灵感来源。

    “也许一具尸体会复活;电流已经给了这样的东西标记:也许一个生物的组成部分可以被制造出来,聚集在一起,以生命的温暖忍受。”-玛丽·雪莱《弗兰肯斯坦概论

最终,科学界发现,虽然电确实可以刺激神经系统和肌肉组织,但这些组织本身也会发电。这就引出了你们今天要学习的当代神经科学的开端。

在另一个著名的实验中,德国医学科学家爱德华·Hitzig古斯塔夫•弗里奇1870年,在狗狗的厨房里,对暴露的大脑皮层(大脑褶皱部分)施加电流(是的,即使在当时这也很奇怪),表明对大脑不同部位的刺激可以导致不同类型的运动。

如今,这类技术已被用于患者,尤其是那些患有帕金森症的患者。

通过将一个小而长的电极插入大脑的丘脑下核的特定部分,与疾病相关的震动和震颤可以被减轻。但有时也有副作用,比如赌博和其他强迫性行为的增加。

今天,一些高级研究小组正在设计能刺激眼睛神经的小芯片,以治疗失明。

视频

实验视频讲解。

过程

  • 使用你的手机或电脑,把你的刺激线插入耳机插孔
  • 将来自刺激电缆的微型夹子连接到蟑螂腿上的针头上。
  • 选择一首有很多低音的歌(我们喜欢专辑里的任何东西)“保罗的精品”),把音量调到一半,然后慢慢地增加音量。在某一点上,腿应该开始“抽搐”在时间的低音线的歌曲。
  • 现在选择一首歌有很多高音(如J.H.巴赫),并观察蟑螂腿。移动吗?
  • 当然,理想的情况是,能更好地控制刺激,而不是简单地播放音乐。不要害怕;有一个简单的方法可以做到这一点。使用免费应用程序,如ToneGen在你的笔记本电脑上,或者FreqGen在你的iPhone上,你可以控制传递到腿部的刺激的频率和幅度。在人工耳蜗植入和深度大脑刺激器等植入设备的人类中,信号(也被称为“双相脉冲序列”)是这样的:

  • 把你的设置设置为“方波”,并调整速率(频率)…

  • 和体积(振幅)。

    你能找到引起运动的最低音量和最佳频率的“甜蜜点”吗?参考下表。

    你可以通过下面的88键钢琴,了解这些频率的含义。

    更新

    如果你愿意,你可以在一个更简单的实验中研究微刺激,只需要:

    首先,关于说话人如何工作的一些理论:

    声音,通过导线的电流,通过扬声器中的磁场,使锥/鼓移动,推动空气,产生你听到的声音。举个例子,你在摇滚音乐会上见过低音扬声器振动吗?

    这个原理反过来也适用,这就是麦克风的工作原理。如果你对着麦克风/扬声器说话,锥形/鼓的运动就会在电线中产生电流。如果我们使用一个叫做a的特殊扬声器压电在美国,我们可以产生相当大的电压(1-3 V),大到足以刺激神经和肌肉组织!

    用鳄鱼夹线把扬声器的两条引线和蟑螂腿上的针连接起来,把扬声器靠近你的嘴,尽可能大声地吹口哨。看腿;当你吹口哨的声音越来越大时,腿应该开始活动。

    科学展览项目构思

  • 什么样的音乐会从腿上得到什么样的反应?尝试一些不同的流派,以及一些纯粹的音调。为什么你认为某些频率会产生不同程度的响应?
  • 在持续的刺激下,这条腿能保持持续弯曲多久?这次刺激的程度改变了吗?是什么导致它停止?手术后多长时间腿部对音乐不再有反应?如果它停止跟着音乐移动,它还会在音盒上产生尖音吗?为什么会这样呢?
  • 电极的位置会影响你的反应吗?为什么会这样呢?