钾离子对神经干动作电位传导速度的影响

生理学实验设计

不同浓度的钾离子对神经干动作电位传导

速度的影响

一、 实验题目

不同浓度的钾离子对神经干动作电位传导速度的影响

二、 实验目的

通过改变任氏液中钾离子浓度观察不同浓度的钾离子对神经干动作电位传导速度的影响。

三、 实验原理

神经干由许多神经纤维组成。神经纤维受到有效刺激发生兴奋后，产生的动作电位将以一定的速度沿神经传导。对不同的神经纤维，其传导兴奋的速度也不同，神经兴奋的传导速度可用电生理方法精确测量，传导的快慢主要受到神经纤维的粗细、内阻及有无髓鞘的影响。一般来说直径大、有髓的神经纤维比直径小、无髓的神经纤维传导速度快。蛙类的坐骨神经干属于混合神经，其中直径最粗的有髓神经为A 类纤维，正常室温下的传导速度约为35~40m/s。

细胞外钾离子浓度的改变可显著影响静息电位，而动作电位去极化的速度是影响动作电位传导速度的重要因素且受膜电位的影响。由能斯特方程，如细胞外钾离子浓度升高，将使钾离子平衡电位的负值减小，导致静息电位变小，使得静息电位到阈电位的电位差增大，从而使神经元细胞达到阈电位的时间增长，传导速度变慢；反之，胞外钾离子浓度减小将使钾离子平衡电位增大，导致静息电位变大，使得静息电位到阈电位的电位差减小，从而使神经元细胞达到阈电位的时间变短，传导速度变快。

在其他条件不变的情况下，兴奋在神经上传导的距离与动作电位出现的潜伏期成正比。因此，根据兴奋传导的距离及传导此距离所需的时间即可算出兴奋在神经上传导的速度。然后，改变任氏液中钾离子的浓度，分别测定不同钾离子浓度环境下神经干动作电位在神经上的传导速度，比较得出不同浓度钾离子对神经干动作电位传导速度的影响。

四、 实验器材与试剂

a) 实验器材：蛙类手术器械一套，生物信号采集处理系统，神经标本屏蔽

盒，滤纸片，丝线，小滴瓶、胶头滴管，100mL 容量瓶。

b) 实验试剂：0.10mol/LKCl溶液，0.15mol/LKCl溶液，0.20mol/LKCl溶

液，0.25mol/LKCl溶液，0.30mol/LKCl溶液，无钾任氏液。

五、 实验对象

蟾蜍或蛙

六、 实验步骤

制备蟾蜍坐骨神经腓神经标本

1. 破坏脑和脊髓 取蟾蜍一只，用自来水冲洗干净。左手握住蟾蜍，用食指按压其头部前端，拇指按压背部，右手持探针于枕骨大孔处垂直刺入，然后向前通过枕骨大孔刺入颅腔，左右搅动充分捣毁脑组织。然后将探针抽回至进针处，再向后刺入脊椎管，反复提插捣毁脊髓。此时如蟾蜍四肢松软，呼吸消失，表明脑和脊髓已完全破坏，否则应按上法反复进行。

2. 剪除躯干上部及内脏 在骶骼关节水平以上1～2cm 处剪断脊柱，左手握住蟾蜍后肢，用拇指压住骶骨，使蟾蜍头与内脏自然下垂，右手持普通剪刀，沿脊柱两侧剪除一切内脏及头胸部，留下后肢、骶骨、脊柱以及紧贴于脊柱两侧的坐骨神经。剪除过程中注意勿损伤坐骨神经。

3. 剥皮 左手握紧脊柱断端（注意不要握住或压迫神经），右手握住其上的皮肤边缘，用力向下剥掉全部后肢的皮肤。把标本放在盛有任氏液的培养皿中。将手及用过的剪刀、镊子等全部手术器械洗净，再进行下面步骤。

4. 分离两腿 用镊子夹住脊柱将标本提起，背面朝上，剪去向上突起的尾骨（注意勿损伤坐骨神经）。然后沿正中线用剪刀将脊柱和耻骨联合中央劈开两侧大腿，并完全分离，注意保护脊柱两侧灰白色的神经。将两条腿浸入盛有任氏液的培养皿中。

5. 制作坐骨神经腓神经标本 取一条腿放置于蛙板上或置于蛙板上的小块玻璃板上。无需保留股骨和腓肠肌。神经干应尽可能分离的长一些。要求上自脊髓附近的主干，下沿腓总神经一直分离至踝关节附近止。坐骨神经在膝关节后分为胫神经和腓神经两支。在分叉的下端将内侧的胫神经剪断，膝关节附近的腓神经表面有肌肉和筋膜覆盖，仔细分离并沿腓肠肌沟一直下行分离至跟腱，然后将丝线用任氏液浸泡后，在脊髓侧坐骨神经起始处和跟腱处将神经结扎，在神经的外侧将神经干剪断，制成坐骨神经腓神经标本。将制备好的神经干标本浸于低钾任氏液1中数分钟。

仪器的连接与调试

用导线连接实验器材，r1和r2连入生物信号采集处理系统第1通道，r3和r4连入生物信号采集处理系统第2通道，S1和S2为刺激电极，连入“刺激”输出口。神经标本屏蔽盒中央的接线柱接地。 用镊子夹住标本两端扎线，将标本从低钾任氏液1中取出横搭在神经标本屏蔽盒的电极上。粗的一端放在刺激电极上，细的一端放在记录电极上。用滤纸片吸取标本上过多的任氏液，用铅笔在神经干上与各个记录电极接触的位置做上标记，然后盖上屏蔽盒盖。

打开生物信号采集处理系统，再打开电脑，启动软件并选择“实验模块”，双击“神经兴奋传导速度的测定”项目，屏幕上出现一个对话框，输入r1到r3电极间的距离，单击确定后，进入记录界面。

动作电位传导速度的测量

a) 找到神经干的最适刺激强度，单击“开始”，此时在显示屏上可见到两个动

作电位的图形。

b) 单击窗口“测量”，建立光标，从刺激伪迹前沿到第一个动作电位的起始转

折处，在右侧窗口读出“t2”。再次移动光标，从刺激伪迹前沿到第二个动作电位的起始转折处，在右侧窗口读出“t1”。

c) 量出r1到r3的距离d 表示，t1到t2为动作电位从r1传导到r3所消耗的

时间。神经兴奋传导的速度用v=d/（t1-t2）= m/s

d) 测出标本动作电位传导的速度，记录为V1。

e) 将标本取下，浸于低钾任氏液2中五分钟。用镊子夹住标本两端扎线，将标

本从低钾任氏液2中取出严格按照所做标记对应各个电极横搭在神经标本屏蔽盒的电极上。重复上述步骤，测得此时神经干动作电位传导速度，记录为V2.

f) 再分别换用标准任氏液，高钾任氏液1，高钾任氏液2，重复步骤e ，分别测

得V3，V4，V5。

七、 注意事项

a) 分离神经干过程中，要求剥离干净，神经分支及周围结缔组织应用眼科剪小

心剪除，切忌撕扯，以免损伤神经组织。

b) 神经干两端要用丝线扎住，然后浸于任氏液中备用。去神经干事许用镊子加

持两端扎线，切不可直接加持或用手触摸神经干。

c) 神经干须经常滴加任氏液保持湿润，防止标本干燥; 也可将标本盒内充满石

蜡，只暴露电极，起到保护作用。

d) 神经干应与所有电极密切接触，尤其要注意与中间接地电极的接触。任氏液

过多时，应用滤纸片吸掉，防止电极间短路。

e) 神经标本屏蔽盒用前应清洗干净，尤其是刺激电极和记录电极，用后应清洗

擦干，否则残留盐溶液会导致电极腐蚀和导线生锈。

f) 制备好的坐骨神经腓神经干标本要尽量长，最好达10cm 以上。

g) 处理标本后再次测速，摆放标本时严格按照所做标记摆放。

八、 成败关键

a) 蟾蜍坐骨神经腓神经标本的制备。

b) 动作电位从r1传导到r3所消耗的时间的测量。

c) 实验任氏液的配置。

九、 预期结果

V1>V2>V3>V4>V5

十、 实验讨论

在一定范围内，高浓度钾离子溶液对神经干动作电位的传导速度有减慢作用；而低浓度的钾离子浓液却有利于传导。

一般认为高浓度钾离子溶液的作用机制有两方面：一方面，高渗透压导致神经脱水，神经纤维脱水后，直径变小，电阻变大，从而导致其传导动作电位的机能下降，甚至出现神经传导阻滞。另一方面，由于胞外钾离子浓度增大，导致静息电位变小，使得静息电位到阈电位的电位差增大，从而达到阈电位的时间将增长，传导速度变慢；反之，胞外钾离子浓度减小，静息电位到阈电位的电位差减少，从而达到阈电位的时间将减少，即动作电位传导速度加快。

十一、

十二、 预期结论 参考文献 胞外钾离子浓度升高，神经干动作电位传导速度减慢。

a) 朱大年主编. 生理学, 第7版. 北京：人民卫生出版社，2010.

b) 郑州大学基础医学院生理学教研室. 生理学实验指导. 郑州:2010. c) 金春华主编. 机能实验学. 北京：科学出版社，2006.