Il potenziale d’azione dei muscoli

Nuova puntata sul sistema muscolare. Ricordate? Il mio percorso per le classi quarte del liceo scientifico prevede un’attività cooperativa per esplorare l’anatomia di un sarcomero e fare anche un accenno alla fisiologia della contrazione che poi spiego in classe in modo più tradizionale. Quest’anno voglio spingermi un po’ più in là e questa settimana proporrò ai ragazzi anche un bel laboratorio virtuale sulla stimolazione muscolare.

Si tratta del Virtual Lab Muscle stimulation della Glencoe.

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Il laboratorio virtuale permette di svolgere un’investigazione per rispondere alla seguente domanda:

In che modo il valore soglia dello stimolo di un muscolo scheletrico viene influenzato dall’aumento del carico?

In questa investigazione i ragazzi esploreranno, quindi, la relazione tra carico e valore soglia dello stimolo di un muscolo. Determineranno il valore soglia dello stimolo per quattro diversi muscoli di rana (muscolo dell’arto anteriore o upper forelimb; muscolo dell’arto posteriore o lower forelimb; muscolo gastrocnemio del polpaccio o calf; muscolo sartorio dell’interno della coscia o thigh) con carichi variabili che vanno da 0 g a 80g.

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Un po’ di informazioni prima di cominciare

Cliccando sul pulsante Information i ragazzi troveranno informazioni utili allo svolgimento dell’investigazione.

Esistono tre tipi di tessuto muscolare: cardiaco, liscio e scheletrico.

I muscoli cardiaco e liscio sono detti involontari, perché le loro contrazioni non possono essere controllate in modo cosciente. Il muscolo cardiaco si trova solo nel cuore e si contrae circa 70 volte al minuto per pompare il sangue in tutto il sistema circolatorio del corpo. I muscoli lisci circondano molti organi interni, come la trachea, l’intestino e la vescica. I muscoli lisci si contraggono e si rilassano lentamente, esercitando, e rilasciando, una pressione sugli organi che circondano.

I muscoli scheletrici sono i muscoli utilizzati per il movimento. Sono chiamati muscoli volontari, perché le loro contrazioni sono controllate in modo cosciente. I muscoli scheletrici sono attaccati alle ossa da bande di tessuto connettivo chiamate tendini e lavorano in coppie antagoniste per muovere le ossa dello scheletro.

Il tessuto muscolare scheletrico è costituito da singole cellule muscolari cilindriche, dette fibre. Le singole fibre muscolari mostrano una risposta allo stimolo nervoso di tipo “tutto o nulla”, ossia la contrazione è avviata solo da uno stimolo superiore a un valore minimo chiamato valore soglia.

Se ad un muscolo scheletrico viene applicato un singolo stimolo elettrico rapido, il muscolo risponderà contraendosi e rilassandosi rapidamente. Questo tipo di contrazione rapida è chiamato scossa muscolare o muscle twitch.

La stimolazione elettrica minima (misurata in volt) necessaria per far contrarre un muscolo è nota come soglia di stimolazione muscolare  o threshold stimulation.

Questo valore varia nei diversi tipi di muscoli scheletrici e per uno stesso muscolo varia al variare del carico.

A differenza della singola fibra, l’intero muscolo non mostra una risposta di tipo “tutto o nulla” anche se esiste un valore soglia minimo necessario per avviare la sua contrazione. Ogni muscolo, infatti è formato da diverse unità motorie che rispondono allo stimolo in modo indipendente.

La forza della contrazione è determinata dal numero di singole fibre muscolari che rispondono allo stimolo e può, quindi, essere aumentata aumentando lo stimolo, ossia coinvolgendo più fibre muscolari. Quindi, l’intero muscolo si contrae quando un numero sufficiente di fibre muscolari si contrae in una sola volta.

Man mano che  il carico su un muscolo aumenta, questo ad un certo punto non sarà più in grado di contrarsi, indipendentemente da quanta stimolazione elettrica riceve. Questo è noto come punto di sovraccarico muscolare o point of muscle overload.

Molto di quanto sappiamo su come lavorano i muscoli scheletrici  è stato scoperto in laboratorio. L’esperimento classico modellizzato in questa investigazione prevede l’isolamento e la stimolazione di alcuni muscoli di rana per osservarne le risposte. Il muscolo isolato è attaccato ad un supporto ad anello collegato ad un oscilloscopio. Un elettrodo in grado di stimolare il muscolo è fissato al supporto e ha la punta poggiata sul tessuto muscolare. L’oscilloscopio è utilizzato sia per generare stimoli di diverse tensioni che per registrare la risposta del muscolo ad uno stimolo (contrazione), che viene indicata da un picco sulla traccia dell’oscilloscopio.

Per variare la quantità di carico sul muscolo vengono applicati piccoli pesi da laboratorio alla base del muscolo a cui è stato applicato un gancio. Per determinare la soglia della stimolazione del muscolo sotto un carico specifico,  vengono applicati stimoli sempre più forti tramite l’elettrodo di stimolazione fino a che  viene registrata una contrazione sulla traccia dell’oscilloscopio.

Procedura

  1. Una volta lette le informazioni introduttive i ragazzi devono seguire la procedura indicata. Come detto in precedenza si tratta di una modellizzazione per cui nella parte dedicata alla spiegazione del procedimento da seguire viene ricordato che se lo stesso esperimento venisse realizzato in laboratorio si dovrebbero tener presenti altri fattori che nel modello non vengono considerati, come la fatica muscolare (muscle fatigue), che modifica le singole contrazioni muscolari rallentando sia la fase di contrazione che quella di rilasciamento, e i tempi di recupero (recovery time).
  2. L’attività prevede l’uso di un oscilloscopio per esaminare l’effetto della variazione del carico (peso) sull’azione del muscolo scheletrico di una rana. Per cominciare si deve cliccare sul menu a tendina del pulsante “Muscle” e selezionare il tipo di muscolo che si vuole testare per primo. Assicurarsi che l’oscilloscopio sia settato su “0 V”(dove V sta per Volt) e cliccare sul bottone “Apply Stimulus”.  Durante la fase di applicazione dello stimolo si deve prestare molta attenzione al tracciato (trace readout) sullo schermo alla ricerca di un picco nella linea dritta che viene prodotta. Se non si osserva alcun picco, si deve aumentare lo stimolo di 0.5 volt (il voltaggio più alto successivo) usando la freccina rivolta verso l’alto sull’oscilloscopio  e poi si clicca nuovamente su “Apply Stimulus”.  Questa procedura deve essere ripetuta finché non si registra la produzione di un picco nel tracciato dell’oscilloscopio. Quindi, si clicca su “Data Table”  e si annota nella tabella il voltaggio che ha prodotto il picco nella casella “0 g”. Questo valore è la soglia di stimolazione muscolare  o threshold stimulation. NB:  se non si dovesse osservare alcun picco, assicurarsi di cliccare su “Apply Stimulus” almeno tre volte perché  il muscolo riceva lo stimolo in modo appropriato. aply stimulus.jpeg
  3. A questo punto si devono ripetere i passaggi precedenti utilizzando i diversi pesi. Per fare ciò, si trascina sul gancio attaccato al muscolo della rana  il peso da 5g e poi si procede nello stesso modo in cui si è testata la soglia di stimolazione muscolare al punto 2. Una volta individuato il voltaggio a cui si genera il picco, si ripete la procedura utilizzando anche gli altri quattro pesi (10-20-40-80 grammi) inserendo ogni volta i valori ottenuti nella tabella dei dati (Data Table).
  4. Quando si sono testati tutti pesi  per il tipo di muscolo selezionato, si ripete la procedura anche per gli altri tre tipi di muscolo rimanenti. Ricordarsi che, in caso di bisogno, si può sempre ricominciare cliccando sul pulsante “Reset”.
  5. Nel caso in cui non si generi alcun picco nemmeno con un voltaggio di 10 V, nella tabella si deve scrivere nessuno (none). Ciò significa che il peso applicato è troppo elevato perché il muscolo riesca a sollevarlo anche se gli viene fornito uno stimolo elettrico molto grande. Questo è il punto di sovraccarico muscolare o point of muscle overload.
  6. Una volta terminati tutti i test su ciascuno dei quattro muscoli, si clicca sul pulsante Journal e si risponde alle quattro domande proposte:
  • Sulla base dei dati sperimentali che avete raccolto, quale conclusioni potete trarre sulla relazione che c’è tra il peso applicato ad un muscolo e la sua soglia di stimolazione muscolare?
  • Perché la soglia di stimolazione muscolare dovrebbe modificarsi al variare del peso?
  • Quali muscoli sono stati in grado di contrarsi sotto il peso maggiore? Questo cosa vi suggerisce a proposito del ruolo che questi muscoli hanno nel movimento di una rana?
  • Descrivete un esperimento che potreste realizzare per determinare quali muscoli delle zampe di una rana  sono importanti per saltare lunghe distanze.
  • Infine, si clicca sul pulsante Submit, si inseriscono il nome e la mail dello studente, la nostra mail e si inviano le risposte alla nostra casella di posta elettronica.

Provatela anche voi e fatemi sapere com’è andata! 🙂

 

 

 

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