基于生物信息技术的骨骼肌收缩实验教学方法改进路径探索

马明月 谢永芳 曾垂省 舒坤贤

摘 要：骨骼肌收缩实验是生理解剖学等课程的基础实验之一，同时也是生物学实验中必须掌握的实验技术之一，能够为以后有关实验打下基础。在进行骨骼肌收缩实验之前，需要掌握制备坐骨神经-腓肠肌标本的方法，并且标本制备质量的好坏直接关系到骨骼肌收缩实验现象是否显著。因此，文章将对影响坐骨神经-腓肠肌标本制备和影响骨骼肌收缩等多方面因素进行考察，并针对问题提出改进方法。

关键词：腓肠肌；收缩；因素；牛蛙

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）03-0086-03

Abstract： The skeletal muscle contracting experiment is one of the basic experiments of physiological anatomy， and one of the fundamental skills in biological experiments. Before the experiment， the method of making sciatic nerve-gastrocnemius specimen whose quality directly exert on experiment results should be mastered. Therefore， this thesis attempts to analyze factors that impact on specimen's making and skeletal muscle， and to put forward improving solutions.

Keywords： gastrocnemius； contraction； factor； rana catesbiana

由重慶邮电大学生物学院开设的《生物医学基础实验》课程，旨在通过对生物医学基础课程的学习，使学生掌握和了解现代生物医学的基本实验方法。同时，培养学生的观察力和想象力，使学生能够结合医学工程、生物信息、体育等专业的需要，认识人体作为一个整体，其各部分的功能活动是如何互相协调、互相制约，以及如何在复杂多变的环境中维持正常的生命活动。本课程提倡建立自己的学习方法、学习手段的学习，而不是局限于书本知识的学习，要求学生在本课程中学会创新性学习的初步方法，培养发现问题、分析问题和解决问题的能力以及创新思维和创新能力，为以后的专业学习和终身学习打下扎实基础。

针对《生物医学基础实验》课程中的第一个实验——坐骨神经-腓肠肌标本制备与不同刺激强度和频率对骨骼肌收缩的影响，也是大一新生进校后的第一个生物学实验，该实验的地位极其重要。通过多次的实践教学，现针对骨骼肌收缩实验的教学方法做出提出了部分改进方法。具体探索过程如下：

一、实验方法

（一）实验材料

实验对象：常规实验中通常选择蟾蜍为实验对象[1， 2]。

实验试剂为任氏液，也称为林格氏液，是一种比较接近两栖类动物内环境的液体。通常用于保持两栖类动物离体组织器官的生理活性、延长蛙心体外跳动时长等。配置1升任氏液需要的成分剂量如下，首先依次加入32.5ml的20%氯化钠（NaCL）、1.4ml的10%氯化钾（KCL）、4.0ml的5%碳酸氢钠（NaHCO3）、1.0ml的1%磷酸二氢钠（NaH2PO4）以及2g的葡萄糖粉末（可不加），然后加入1.2ml的10%氯化钙，最后加蒸馏水直至液体达到1000ml。由于氯化钙容易引起沉淀，因此需要后加。

实验器材包括蛙类手术器械、蛙板、固定针、玻璃分针、锌铜弓、SMUP-PC生理信号处理系统、肌槽、张力换能器等。锌铜弓是由锌片和铜片两种金属制成，具有刺激作用，用以检验坐骨神经-腓肠肌标本的机能活性。肌槽用于固定坐骨神经-腓肠肌标本。张力换能器通常连接到台式平衡记录仪上，描记常规方法制备肌肉标本的收缩情况。SMUP-PC生理信号处理系统集生物信号采集、放大、显示、记录与分析为一体，搭配Windows系统的图文操作界面，在本实验中用来研究观察刺激强度与骨骼肌反应的关系实验、刺激频率与骨骼肌反应的关系。除此之外，SMUP-PC生理信号处理系统还可以探索蛙心灌流、动脉血压测定、呼吸运动调节等多种实验。

（二）实验方法和过程

制备坐骨神经-腓肠肌标本，在制备标本之前需要冲洗干净实验动物表面的污物，制备标本的过程可以分为以下几个步骤[3，4]。1.双毁髓法处理实验对象，先将针尖向前刺入颅腔内搅动（单毁髓），再将毁髓针退回枕骨大孔，针尖转向后方，平行刺入椎管内捣毁脊髓，完成双毁髓。实验动物（蟾蜍或其他蛙类）四肢松软、呼吸运动消失则说明毁髓成功。2.剥制后肢标本，过程如图1。3.分离两后肢，如图2a，使用粗剪刀沿纵向剪开脊柱，并剪断两后肢相连的肌肉组织，一只用于当前标本制备使用，另一只暂时置于任氏液中保存。4.分离坐骨神经、游离腓肠肌，如图2b-c，此过程中全程使用玻璃分针对坐骨神经和腓肠肌进行游离，待腓肠肌与其下结缔组织分离后，在其跟腱处穿线、结扎。5.分离股骨头，刮净股骨周围的肌肉组织，股骨的一半处剪断。此时一个完整的坐骨神经-腓肠肌标本已经制备完成（图2d），最后使用锌铜弓轻触坐骨神经，若腓肠肌呈现收缩现象，说明此标本制备成功，可用于接下来收缩实验[5]。

检验不同刺激强度、频率对骨骼肌收缩的影响。第一步，固定标本、连接装置。将标本的股骨固定于肌槽中，坐骨神经置于刺激电极，腓肠肌上的棉线系于张力换能器的着力点上，调节肌槽与换能器之间的位置和距离，使丝线垂直、松紧度合适，使肌肉保持在自然拉长的长度。第二步，考察不同刺激强度、频率下腓肠肌收缩的情况。打开微机、四路放大器，打开信号处理系统主界面，选择“骨骼肌单收缩与复合收缩”程序，模拟不同程度的刺激强度和频率。肌肉的收缩信号由压力放大通道输入处理系统。

二、实验结果

（一）刺激强度对腓肠肌收缩的影响

考察不同刺激强度与肌肉收缩力量之间的关系。蛙类腓肠肌的单收缩全程时间约为0.12秒。因此，间歇性地给予坐骨神经-腓肠肌标本刺激，可以观察到随着刺激强度的逐渐增加，腓肌肉收缩强度（即收缩力量）逐渐增强。但是当肌肉达到最大收缩后，此后再增加刺激强度，收缩强度（或幅度）将不再增加。最大收缩是指此刺激强度使神经干中全部神经纤维兴奋，其所支配的全部肌纤维全都发生兴奋和收缩[6]。

（二）刺激频率对腓肠肌收缩的影响

不同刺激频率与肌肉收缩形式之间的关系。将刺激强度固定在最适强度，调整刺激频率和刺激时间，观察腓肠肌单收缩、复合收缩等收缩形式的变化。可以发现当相继两个刺激的间隔大于单收缩总时程时，腓肠肌出现一连串的单收缩，在收缩波形上呈彼此分开的状态（如图3①）。逐渐增大刺激频率，当两个或多个相继刺激间隔小于单收缩的总时程，但大于其收缩期时，肌肉收缩形式为不完全强直收缩，收缩波形呈现出锯齿状（如图3②）。当相继多个刺激的间隔时间小于单收缩的收缩期时，肌肉收缩形式表现为为完全强直收缩[6]，即处于完全的持续的收缩状态，不表现出舒张期的痕迹（如图3③）。强直收缩的幅度同重大于单收缩的幅度，并且在一定范圍内，保持刺激强度和作用时间不变，肌肉的收缩强度（或幅度）随着刺激频率的增加而增高，如图3③和④的高度差异。

（三）其他因素对腓肠肌收缩的影响

本实验分别在10、11、12月份进行了数次重复。发现10月份实验过程中腓肠肌收缩现象更加明显，而12月份的实验中超过半数以上的牛蛙腓肠肌未出现任何收缩现象，猜测是由于气温降低的缘故。

除此之外，本实验选择了从50g～150g重量不等的牛蛙作为实验对象。从实验操作和实验效果综合来看，80～100g之间的牛蛙比较适合本实验。

三、教学方法改进的总结

蛙类坐骨神经-腓肠肌标本的制备以及腓肠肌收缩实验在医学、生物学、体育学等研究和教学中具有重要作用，其目的是揭示骨骼肌收缩机制。通过本论文的反复实验实践，我们认为此教学实验可进行如下改进。

（一）实验材料的选择

常规蛙类坐骨神经-腓肠肌标本制备实验中通常选择蟾蜍作为实验对象，其原因为易养殖、生长期短、价格便宜等。但是，蟾蜍的体表有疣粒，内有毒腺。一方面，若实验操作不规范存在一定的风险性；另一方面，考虑到现在大学生的成长环境，对蟾蜍存在一定戒备心理，不利于实验完成。因此，建议选择牛蛙作为本实验的对象。相对来说，牛蛙的取材更加方便，通常本地均可购买到，不受时间、环境等的限制；而且，牛蛙的表皮更加光滑、无疣粒等结构，相对也更加安全。

关于实验对象大小的选择。若实验牛蛙过大，缺点是剥制后肢过程中较困难，并且牛蛙的力气会比较大不利于学生进行毁髓操作，而优点则是离体肌肉的生理活性强。若实验牛蛙过小，虽有利于剥离后肢，但缺点是必须快速制备标本并立刻上机观察，若耽搁稍久会造成后期收缩观察不明显。因此，建议选择80～100g之间的牛蛙进行实验。

（二）实验环境的要求

当实验温度维持在25摄氏度左右最佳。当温度过高时，会使骨骼肌在标本制备阶段处于较为兴奋状态，影响后期刺激强度、频率与骨骼肌收缩关系的观察；当温度较低时，骨骼肌的收缩效果较差。由于温度限制，特别是中西部地区学校，冬季进行本实验会出现效果不明显。因此建议将“骨骼肌收缩实验”设置在每年的4、5或10月份开设。

（三）实验操作——双毁髓法

本实验操作中运用双毁髓方法处理牛蛙。虽然，此方法能够排除神经中枢对实验结果的影响。但是，学生在不熟练的情况下，特别是首次操作的过程中会出现以下问题，a.毁髓针扎到内脏，碰触或破坏坐骨神经；b.握姿不准确，严重破坏牛蛙肌肉等的生理活动。以上情况都会直接导致实验失败。因此，建议在实施双毁髓操作前先使用乙醚麻醉牛蛙，此法既不影响牛蛙的生理活动，也便于学生们的毁髓操作。

参考文献：

[1]路玉兰.制备坐骨神经——腓肠肌标本方法的改进[J].廊坊师范学院学报，2001，17（4）：96-97.

[2]乔现福，毕超，邱丙芳.疲劳对蟾蜍骨骼肌舒张性能的影响[J].泰山医学院学报，2006，27（5）：387-389.

[3]崔弘，宋婷婷，陶媛媛，等.检测蟾蜍离体坐骨神经和腓肠肌生理功能的简便有效辅助装置[J].中国病理生理杂志，2016，32（9）：1723-172

8.

[4]张志琴，刘政政，赵磊，等.坐骨神经-腓肠肌标本制备方法的改良[J].石河子大学学报（自然科学版），2004，22（5）：1.

[5]刘芳娥，刘利兵.实验基础医学[M].西安：第四军医大学出版社，2014.

[6]周华，崔慧先.人体解剖生理学[M].北京；人民卫生出版社，2016.