Experiment: Der Patellareflex und die Reaktion

Hintergrund

Reflexe erfordern kein Nachdenken. Sie sind automatisch, schnell und von enormer Bedeutung für die Fähigkeit des Menschen, erfolgreich auf seine Umwelt zu reagieren. Trotz der großartigen Informationsverarbeitungsleistung der Milliarden von Neuronen in unserem Gehirn müssen wir viele Dinge automatisch erledigen. Ohne Reflexe wäre unser Gehirn damit überfordert, die Position unseres instabilen Körpers ständig zu aktualisieren, um uns aufrecht zu halten. Ohne Reflexe wäre unsere Fähigkeit, komplexe Gedanken zu fassen (Schwarze Löcher, Neurowissenschaften, was mache ich dieses Wochenende, wie baue ich einen instrumentierten Reflexhammer? Ohne Reflexe würden Ihre Reaktionen auf schmerzhafte Reize Nachdenken erfordern, und… nehmen Sie es nicht persönlich… aber Sie denken sehr langsam… Fühlen Sie sich nicht schlecht, alle Menschen sind langsame Denker, und wir brauchen mehr Geschwindigkeit, um auf gefährliche, schmerzhafte Reize zu reagieren. Also lassen wir unser Rückenmark die schnelle Arbeit für uns erledigen.

Ein Beispiel für einen Reflex ist der Patellarsehnenreflex. Unser Rückenmark arbeitet mit Sensoren in unseren Muskeln, den sogenannten Muskelspindeln, zusammen, um zu verfolgen, wo sich unser Körper im Raum befindet und wie gestreckt oder kontrahiert unsere Muskeln sind. Die Art und Weise, wie diese Sensoren mit unserem Rückenmark interagieren, erfolgt über einen Reflexweg. Die Dehnung des Muskels aktiviert die Muskelspindel am Ende des sensorischen Neurons (eingebettet in Ihrem Muskel) und startet den Reflex. Der Reflex soll eine Überdehnung des Muskels verhindern und kompensiert mit einer Kontraktion.

Wie Sie sehen, ist nur eine Verbindung (eine Synapse) nötig, damit die Information vom sensorischen Neuron zum motorischen Neuron gelangt und eine Muskelkontraktion auslöst. Aufgrund dieser einzigen Synapse kann dies sehr schnell geschehen. Bei einer jungen, gesunden Person dauert es 15-30 Millisekunden, bis der Dehnungsreiz eine Muskelkontraktion auslöst. Im Vergleich dazu dauert es 5-10 mal so lange, bis Sie als Reaktion auf einen Reiz mit den Augen blinzeln, also 150-300 Millisekunden. Dies ist sehr nützlich für die Korrektur Ihrer Muskellänge als Reaktion auf schnelle Veränderungen wie ein Ausrutschen oder Stolpern. Diese Situationen erfordern sehr schnelle Korrekturen, um Stürze und Verletzungen zu vermeiden. Wenn Sie Ihr Bein als Reaktion auf die Beinstreckung bewusst beugen müssten (eine Reaktion), wäre das viel langsamer als die 15-30 Sekunden des Reflexes.

Lassen Sie uns nun versuchen, diesen Reflex zu messen! Und vielleicht messen wir auch eine Reaktion!

Bevor Sie beginnen, stellen Sie sicher, dass Sie den Backyard Brains Spike Recorder auf Ihrem Computer/Smartphone/Tablet installiert haben. Das Programm Backyard Brains Spike Recorder ermöglicht es Ihnen, die Daten auf Ihrem Computer zu visualisieren und zu speichern, wenn Sie Experimente durchführen. Wir haben auch ein einfaches Labor-Handout erstellt, das Ihnen bei der Tabellierung Ihrer Daten hilft.

Aktualisierte Firmware

Wenn Sie Ihre Muscle SpikerBox Pro vor Februar 2019 gekauft haben, müssen Sie die Anweisungen zum Firmware-Update befolgen

Video

Materialien zum Ausdrucken

Wenn Sie ein PDF zum Ausdrucken und Kritzeln oder ein Google Doc zum Bearbeiten suchen, schauen Sie sich diese Sammlung von Druckressourcen hier an!

Experiment

In diesem Experiment werden wir das elektromyographische Signal im Musculus rectus femoris, einem der Muskeln der Quadriceps femoris-Gruppe, untersuchen. Wir lösen einen Reflex aus, indem wir die Patellasehne antippen. Dies ist derselbe Test, der durchgeführt wird, wenn Sie in die Arztpraxis gehen (die Ärzte verwenden ihn als Schnelltest, um die Gesundheit der Wirbelsäulenbahn festzustellen – Probleme können ein Symptom für neuromuskuläre Erkrankungen sein).

1. Richten Sie Ihre Muscle SpikerBox Pro mit einem Smartphone oder Computer mit der Spike Recorder App ein.
2. Verbinden Sie das USB-Kabel der Muscle SpikerBox Pro mit dem Computer. Öffnen Sie Spike Recorder, und schalten Sie Ihre Muscle SpikerBox Pro ein. Ein USB-Symbol sollte auf dem Hauptbildschirm von SpikeRecorder erscheinen. Klicken Sie darauf, um eine Verbindung zu Ihrer Muscle SpikerBox Pro herzustellen. (Hinweis: Wenn Sie ein Tablet, Smartphone und/oder eine reguläre Muscle SpikerBox verwenden, können Sie die Verbindung zu Ihrem Tablet/Smartphone/Computer mit dem grünen Smartphone-Audiokabel herstellen.
3. Lassen Sie die Testperson auf einer stabilen Oberfläche sitzen, die hoch genug ist, um die Unterschenkel und Füße frei baumeln zu lassen.
4. Lassen Sie die Testperson ihren Quadrizeps (Kniestrecker) kontrahieren, so dass Sie zwei Elektroden auf jeder Seite des Knies platzieren können, wie unten gezeigt. Eine Elektrode auf dem Vastus Medialis, eine auf dem Vastus Lateralis. Platzieren Sie eine geerdete Klebeelektrode auf dem Handrücken.
   
5. Klemmen Sie die roten Adern des orangefarbenen Muskelkabels der Elektroden an den Muskel des Oberschenkels und die schwarze Ader an die Masse der äußeren Handfläche.
6. Ein Muskelsignal von guter Qualität zu erhalten ist für dieses Experiment sehr wichtig. Testen Sie, ob Sie ein gutes EMG-Signal mit einer relativ kleinen Kontraktion erhalten, indem Sie die Testperson bitten, ihr Knie gegen einen Widerstand zu strecken. Schlechtes Signal? Stellen Sie den vertikalen Zoom am SpikeRecorder ein. Wenn das immer noch nicht hilft, passen Sie die Elektrodenplatzierung an.
7. Wenn Sie immer noch kein klares Signal erhalten, können Sie auch damit experimentieren, wo Sie die Masseelektrode platzieren. Sie können auch in die SpikeRecorder-Einstellungen gehen und die Signalschwelle von 70 auf 1500 einstellen und das Kästchen bei „60hz“ ankreuzen, um mehr Rauschen herauszufiltern.
8. Lokalisieren Sie den Teil der Patellasehne direkt unter der Kniescheibe und oberhalb der Stelle, wo sie in das Schienbein eintritt. Die beste Stelle zum Antippen ist direkt unterhalb der Kniescheibe. Vermeiden Sie es, die Kniescheibe zu treffen, denn… autsch! Klopfen Sie schnell und fest auf die Sehne, um einen unwillkürlichen Abstoß auszulösen. Experimentieren Sie mit kleinen Änderungen der Position und der Schlagkraft. Finden Sie den richtigen Punkt.


9. Wenn Sie die Elektroden gut platziert haben und einen geschickten Tap auf die Patellasehne geben, sollten Sie etwas wie dieses sehen (Achtung, es wird klein sein! Möglicherweise müssen Sie hineinzoomen):

10. Machen Sie eine Aufnahme und zoomen Sie auf eines der Reflexsignale. Sie können sehen, dass das EMG-Signal ähnlich aussieht wie andere EMGs, die Sie gesehen haben:

11. Glückwunsch! Sie können nun die muskuläre Antwort auf den Patellareflex aufzeichnen. Aber wie können wir die Zeitdifferenz zwischen dem Hammerschlag und der Muskelbeugung messen?

Messen Sie die Reflexzeit

1. Ja! Wir können die Reflexzeit mit dem Backyard Brains Reflex Hammer messen – ein Erweiterungsset für die Muscle SpikerBox Pro.
   
2. Stecken Sie den Reflex Hammer in die Muscle SpikerBox Pro. Wenn Sie bereits mit dem SpikeRecorder verbunden sind, sollten Sie sehen, dass ein zweiter Kanal in der Aufzeichnung erscheint! Lassen Sie den Hammer wackeln… und schlagen Sie ihn dann vorsichtig gegen ein Hindernis oder einen Gegner in der Nähe. Beobachten Sie im SpikeRecorder, wie der Beschleunigungssensor im Reflexhammer große Wackler und Spikes erzeugt!
   
3. Nun lassen Sie Ihre Versuchsperson hoch sitzen, so dass ihre Beine baumeln. Außerdem, und das ist wichtig, lassen Sie Ihre Testperson die Augen schließen oder wegschauen, damit sie den Hammer nicht vorhersehen kann.
4. Beginnen Sie zu experimentieren! Je nachdem, wie Sie es beschreiben möchten, geben Sie Ihrer Testperson einige kräftige Schläge oder sanfte Schläge unterhalb der Kniescheibe. Sobald Sie den Sweet Spot gefunden haben, sollten Sie in der Lage sein, den Beinschlagreflex auszulösen!
   
5. Zoomen Sie mit der Touch-Steuerung oder dem Mausrad. Sie können die Reflexzeit messen, indem Sie den Unterschied zwischen dem Hammerschlag und dem Anspannen der Muskeln als Reaktion messen! Der Hammerschlag ist der Zeitpunkt, an dem der Beschleunigungsmesser im Reflexhammer den größten Grad an (De-)Beschleunigung erfährt, also richten Sie die EMG-Aufzeichnung auf die früheste „vertikale“ Markierung des Beschleunigungsmessers aus – siehe Foto zuvor. Sie können das oben verlinkte Handout verwenden, um ein Formular zu haben, mit dem Sie die Daten leicht tabellieren können.
   

Vergleichen Sie mit der Reaktionszeit

Wenn Sie den Reaction Timer haben und das Experiment „Wie schnell kann Ihr Körper reagieren?“ durchgeführt haben, vergleichen Sie Ihre Ergebnisse und sehen Sie, wie sich Reflex- und Reaktionszeiten zueinander verhalten. Haben Sie den Reaction Timer nicht? Nun, Sie können auch mit diesem Aufbau einen einfachen Reaktionszeittest aufzeichnen!

1. Mit diesem Aufbau können wir die Zeitdifferenz zwischen „Gehirnschaltungen“ (Reaktion) und „Rückenmarkschaltungen“ (Reflex) messen und vergleichen!
2. Verwenden Sie den zweiten Kanal der Muscle SpikerBox Pro, um von Ihrem anderen Bein mit der gleichen Elektrodenplatzierung aufzuzeichnen.
3. Sagen Sie der Versuchsperson, dass sie die Augen wieder schließen soll. Sagen Sie ihnen, dass sie ihr anderes Bein treten sollen, wenn sie spüren, dass der Hammer auf das gleiche Bein schlägt, von dem Sie zuvor aufgezeichnet haben.
4. Vergleichen Sie den Reflex des einen Beines mit der Reaktion des anderen! Sie sollten feststellen, dass die Reaktion dramatisch langsamer ist als der Reflex. Warum, glauben Sie, ist das so? (Wir denken, Sie kennen die Antwort!)
   

Vorschläge zur Fehlerbehebung

Es gibt eine große Variabilität zwischen den Probanden, wie gut das EMG-Signal zu sehen ist. Als letzten Ausweg sollten Sie die Demonstration mit einem anderen Probanden versuchen. Wenn Sie immer noch Probleme haben, kann es notwendig sein, die Platzierung der Elektroden zu verändern. Die Aufzeichnung ausschließlich aus dem Vastus medialis oder lateralis kann ebenfalls gut funktionieren. Siehe unten:

Medialis

Lateralis

• Still having trouble? Versuchen Sie, die Elektroden noch weiter auf der lateralen oder medialen Seite des Beins zu positionieren.
• Wenn Sie an eine Steckdose angeschlossen sind, gehen Sie in die Einstellungen und setzen Sie ein Häkchen bei „60hz“, um elektrische Störungen herauszufiltern.
• Stellen Sie sicher, dass Ihr Hammer nicht auf einen der roten Drähte schlägt!

Science Fair Project Ideas

Welche anderen Reflexe könnten Sie testen?

Ändert sich die Geschwindigkeit/Amplitude der Reaktion je nach dem Zustand, in dem sich jemand befindet? Zum Beispiel, wenn sie müde sind, viel Energie haben, kürzlich Kaffee getrunken haben, etc. Warum denken Sie, dass dies den Reflex beeinflusst oder nicht?

Verletzen Sie sich nicht selbst oder jemand anderen, der dies untersucht, aber hängt die Geschwindigkeit oder Amplitude überhaupt von der Kraft ab, mit der Sie auf das Knie schlagen? Warum könnte das sein oder nicht sein?

Für dieses Experiment hält die Person, deren Reflex aktiviert wird, das Bein normalerweise entspannt, aber was ist, wenn sie versucht, dem Reflex zu widerstehen? Beeinflusst das die Geschwindigkeit oder Amplitude überhaupt, oder findet der Reflex überhaupt statt? Warum könnte das so sein?

Wir haben zwei Dinge festgestellt, die eine weitere Untersuchung wert sind. Die Reflexzeit neigt dazu, bei einer einzelnen Person während einer Sitzung nicht sehr unterschiedlich zu sein (immer +-2 ms), aber die Reflexzeit zwischen einzelnen Personen kann von 13 ms bis 35 ms reichen. Da es sich um einen unbewussten Reflex handelt, was könnten die Gründe für eine solche Variabilität zwischen Individuen sein? Alter, Fitness, Sportler (Läufer vs. Gewichtheber, etc.) können Faktoren sein. Außerdem variiert die Reaktionskomponente tendenziell von Versuch zu Versuch innerhalb einer Person (von 130 – 200 ms), da dies eine bewusste Kontrolle und „Aufmerksamkeit“ erfordert, was die Zeitvariabilität zwischen den Versuchen erhöht. Fangen Sie an, Daten von allen Personen zu sammeln, die Sie kennen!