Experiment: Miss' Elektrizität die durch deinen Muskel strömt!

Hast du schonmal deine eigenen Aktionspotentiale (Spikes) gemessen? Dein Körper benutzt Elektrizität um Information von einer Stelle zur anderen zu senden und um gewisse Körperteile zu steuern. Obwohl an jeder Zelle ein Ionenkonzentrationsgradient herrscht (Ursache für elektrische Spannung) sind vor allem das Herz, die Muskeln und unser Gehirn dafür bekannt Elektrizität zu benutzen.

Deine Nervenzellen und Muskeln arbeiten zusammen um deinen Körper präzise und schnell bewegen zu können. In anderen Experimenten messen wir Aktionspotentiale von Insekten und Regenwürmern. Hier werden wir menschliche Muskelaktionspotentiale messen! Dieses Muskelphysiologieexperiment ist geeignet für alle Altersklassen und gibt uns ein besseres Verständnis über Arbeiten, die unsere Körper durchgehend für uns unbewusst leistet.

Dauer 30 Minuten

Schwierigkeitsgrad Anfänger

Was lernt man hier?

Mit diesem Experiment wirst du etwas über Muskelphysiologie durch Elektromyogramme (EMG) lernen. Du bekommst hier einen Einblick wie Nervenzellen mit Muskeln kommunizieren und wie du den elektrischen Signalen deiner Muskeln lauschen kannst. Du wirst einen Unterschied hören wenn deine Muskeln entspannt oder in Aktion sind.

Voraussetzung

Keine

Ausrüstung

Muscle SpikerBox

Kabel: Laptop Kabel: Handy

Hintergrund

Wenn sich dein Gehirn entscheidet einen Muskel zu bewegen schicken Nervenzellen (auch "obere Motorneurone") aus deinem Motorkortex Signale an deine Wirbelsäule. Dort sind sie über chemische Synapsen mit "unteren Motorneuronen" (auch "Alpha Motorneurone genannt") verbunden. Die Alpha Motorneurone wiederum haben Synapsen mit den "motorische Einheit" der unterschiedlichen Muskeln. Eine motorische Einheit ist eine einzele Motornervenzelle mehreren Muskelfasern innerviert. Eine Muskelfaser ist ein sehr spezieller Zelltyp, der seine Form durch sich entgegensetzt bewegende Myosin/Actin-Ketten verändern kann.

Eine einzelne Motornervenzelle kann Synapsen mit mehreren Muskelfasern bilden. Ein mächtiger Muskel wie dein Bizeps besitzt Motorneurone, die tausende Muskelfasern innvervieren. Kleine Muskeln führen meist präzise Bewegungen aus, wie zum Beispiel deine Augenmuskeln. Diese werden von Nervenzellen gesteuert, die nur um die 10 Muskelfasern veranlassen sich zu bewegen.

Wenn ein Motorneuron ein Aktionspotential feuert, wird der Neurotransmitter Acetylcholin in den synaptischen Spalt zwischen Neuron und Muskel ausgeschüttet (diese Synapse wird auch neuromuskuläre Verbindung genannt). Das Acetylcholin führt zu einer Veränderung des elektrischen Potentials des Muskels. Sobald dieses Potential einen Schwellenwert erreicht hat kommt es zu einem Aktionspotential in der Muskelfaser! Das Aktionspotential wandert entlang der Membran (Haut) des Muskels und öffnet spannungsabhängige Kalziumkanäle, welche schlussendlich die Muskelkontraktion einleiten.

Bei einer Muskelkontraktion feuern sehr viele Muskelfasern Aktionspotentiale und ändern somit ihre Form. Genau diese Aktivität können wir mit unserer Muscle SpikerBox messen.

Video

Experiment

In diesem Experiment messen wir die Aktivität von tausenden Muskelfasern, die deinen Bizeps entlang laufen.

Entferne die Elektrodenpatches von der Plastikfolie und platziere auf zwei Seiten deines Bizeps.
Verbinde jetzt die zwei Spannungsleiter des orangenen Kabels (die zwei roten Alligatorclips) mit den beiden Oberflächenelektroden und steck das Ende des orangenen Kabels mit deiner Muscle SpikerBox.
Die Referenzelektrode (schwarzer Alligator) kannst entweder in die Hand nehmen oder über eine weitere Oberflächenelektrode an einer anderen Körperstelle (z.B. Handrücken). In der Abbildung oben haben wir sie mit einem Metallarmband verbunden. Experimentier' doch einfach mit den Platzierungsorten um das beste Signal zu bekommen.
Schalte die Muscle SpikerBox an und hör zu wie sich die Aktivität verändert. Kannst du die Geräusche unterscheiden sobald du deinen Muskel anspannst?
Verbinde nun dein Smartphone (vorinstallier' unsere Android oder iPhone App) oder deinen Computer (benutz' unseren Backyard Brains PC Spike Recorder oder das Programm Audacity). Jetzt heb' etwas schweres. Siehst du und hörst du den Unterschied? Das "Wusch" ist das Geräusch vieler Aktionspotentiale die deinen Muskel zum kontrahieren bringen. Du lauschst einem Gespräch zwischen deinem Hirn und deinem Muskel!

weiterführende Anreize zum Nachdenken

Du misst die Signale durch deine Haut und von mehreren Muskelfasern gleichzeitig. Wie würde die Aufnahme aussehen wenn wir direkt neben einer dieser Motorneurone messen würden? Oder sogar innerhalb der Zelle? Denkst du, du siehst die gleiche Anzahl und die gleiche Art von Spikes? Würde sich die Signalstärke (Amplitude) verändern? überleg doch mal wie man testen könnte wie sich die Signale von Insektenmuskeln unterscheiden. Dafür eignet sich die Neuron Spikerbox. (kleiner Tipp: stöber doch nochmal in unserer Elektrophysiologieabeilung um deine Erinnerung aufzufrischen, was der Unterschied dieser zwei Aufnahmetechnicken ist.)

Woher kommen die Spikes die du gesehen hast? Beziehungsweise, was passiert wenn der Spike positiv oder negativ ist? Was genau ist ein negativer Spike und wie kommt er zustande? Denk daran, wir messen extrazelluläre Signale, diese sogar von mehreren Fasern. Es handelt sich hier um eine Aufnahme vom einer groß e Fläche wo Zellen Spannungsunterschiede auß erhalb ihrer Membran aufweisen.

Wie sieht Muskelermüdung aus? Wie könnten wir sie messen und was ist die Ursache? Haben andere Leute andere Ermüdungsraten? Andre Muskeln? Könnte man irgendetwas essen oder trinken um das zu beeinflussen?

Glaubst du du könntest die Aktivität von sensorischen Zellen mit diesem Aufbau messen? Die Impulse werden von dem Ort wo du etwas spürst zu deinem Gehirn geschickt - Probiers' doch gleich mit der Hand, auf der du bereits die Elektroden platziert hast und schau' was passiert!