Esperimento: Il riflesso rotuleo e la reazione

Sfondo

I riflessi non richiedono pensiero. Sono automatici, veloci e di enorme importanza per la capacità di un essere umano di rispondere con successo al suo ambiente. Nonostante la magnifica potenza di elaborazione delle informazioni dei miliardi di neuroni del nostro cervello, abbiamo bisogno che molte cose siano fatte automaticamente. Senza i riflessi, il nostro cervello sarebbe sovraccaricato dalla preoccupazione di aggiornare costantemente la posizione dei nostri corpi instabili per tenerci in piedi. Senza riflessi, la nostra capacità di impegnarci in pensieri complessi (buchi neri, neuroscienze, cosa fare questo fine settimana, come faccio un martello riflesso strumentato?) sarebbe limitata. Senza riflessi, le tue reazioni agli stimoli dolorosi richiederebbero pensiero, e… non prenderla sul personale… ma tu pensi molto lentamente… Non prendertela, tutti gli esseri umani sono pensatori lenti, e abbiamo bisogno di più velocità per rispondere a stimoli dolorosi pericolosi. Così lasciamo che il nostro midollo spinale faccia quel lavoro veloce per noi.

Un esempio di riflesso è il riflesso di stiramento rotuleo. Il nostro midollo spinale collabora con dei sensori nei nostri muscoli, chiamati fusi muscolari, per tenere traccia della posizione del nostro corpo nello spazio e di quanto sono tesi o contratti i nostri muscoli. Il modo in cui questi sensori interagiscono con il midollo spinale è attraverso un percorso riflesso. Lo stiramento del muscolo attiva il fuso muscolare alla fine del neurone sensoriale (incorporato nel muscolo) e avvia il riflesso. Il riflesso serve a prevenire l’allungamento eccessivo del muscolo e compensa con una contrazione.

Come potete vedere, c’è solo una connessione (una sinapsi) necessaria affinché l’informazione dal neurone sensoriale arrivi al neurone motore e causi una contrazione muscolare. A causa di questa singola sinapsi, questo può avvenire molto velocemente. In una persona giovane e sana, ci vogliono 15-30 millisecondi perché lo stimolo di allungamento produca una contrazione muscolare, in confronto, ci vogliono 5-10 volte tanto per sbattere le palpebre in risposta a uno stimolo, o 150-300 millisecondi. Questo è super utile per correggere la lunghezza dei muscoli in risposta a cambiamenti rapidi come una scivolata o un inciampo. Queste situazioni richiedono correzioni molto veloci per evitare cadute e lesioni. Se si dovesse flettere coscientemente la gamba in risposta all’allungamento della gamba (una reazione) sarebbe molto più lento dei 15-30 secondi di riflesso.

Ora proviamo a misurare questo riflesso! E forse misuriamo anche una reazione!

Prima di iniziare, assicurati di avere il Backyard Brains Spike Recorder installato sul tuo computer/smartphone/tablet. Il programma Backyard Brains Spike Recorder ti permette di visualizzare e salvare i dati sul tuo computer quando fai esperimenti. Abbiamo anche costruito un semplice volantino di laboratorio per aiutarti a tabulare i tuoi dati.

Firmware aggiornato

Se hai acquistato il tuo Muscle SpikerBox Pro prima di febbraio 2019, dovrai seguire le istruzioni per l’aggiornamento del firmware

Video

Materiale per la stampa

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Esperimento

Per questo esperimento, osserveremo il segnale elettromiografico nel muscolo retto femorale, uno dei muscoli del gruppo quadricipite femorale. Otteniamo un riflesso usando un colpetto al tendine rotuleo. Questo è lo stesso test che viene fatto quando si va nell’ufficio del medico (i medici lo usano come test rapido per determinare la salute delle vie spinali – i problemi possono essere sintomatici di malattie neuromuscolari).

Impostare il Muscle SpikerBox Pro utilizzando uno smartphone o un computer con l’applicazione Spike Recorder.
Collegare il cavo USB dal Muscle SpikerBox Pro al computer. Aprire Spike Recorder e accendere la Muscle SpikerBox Pro. Nella schermata principale di SpikeRecorder dovrebbe apparire un’icona USB. Fare clic su di essa per connettersi a Muscle SpikerBox Pro. (Nota: se stai usando un tablet, uno smartphone e/o una Muscle SpikerBox normale, puoi collegarti al tuo tablet/smartphone/computer con il cavo audio verde per smartphone.
Fate sedere il soggetto su una superficie robusta abbastanza alta da permettere alla parte inferiore delle gambe e ai piedi di penzolare liberamente.
Fate contrarre al soggetto il muscolo quadricipite (estensore del ginocchio) in modo da poterne mettere due su entrambi i lati del ginocchio come mostrato qui sotto. Un elettrodo sul Vastus Medialis, uno sul Vastus Lateralis. Posizionare un elettrodo adesivo di terra sul dorso della mano.
Clip i cavi rossi del vostro cavo muscolare arancione degli elettrodi sul muscolo della coscia, e il cavo nero sulla terra sul palmo esterno.
Ottieni un segnale muscolare di buona qualità è davvero importante per questo esperimento. Testate per vedere se ottenete un buon segnale EMG con una contrazione abbastanza piccola chiedendo al soggetto di raddrizzare il ginocchio contro resistenza. Segnale scarso? Regola lo zoom verticale su SpikeRecorder. Se questo ancora non aiuta, regolare il posizionamento degli elettrodi.
Inoltre, se non stai ancora ottenendo un segnale molto chiaro, sentiti libero di sperimentare dove metti l’elettrodo di terra. Puoi anche andare nelle impostazioni di SpikeRecorder e impostare la soglia del segnale da 70 a 1500, e spuntare la casella di “60hz” per filtrare più rumore.
Localizzare la parte del tendine rotuleo appena sotto la rotula e sopra dove si inserisce nella tibia. Il posto migliore per colpirlo è proprio sotto la rotula. Se ti piace questa persona, evita di colpire la rotula perché…ahi! Usate un colpetto veloce e deciso al tendine per provocare un calcio involontario. Sperimenta con piccoli cambiamenti nella posizione e nella forza del colpetto. Trova il punto migliore.

Se hai un buon posizionamento degli elettrodi e applichi un colpetto intelligente al tendine rotuleo, dovresti vedere qualcosa del genere (Nota, sarà piccolo! Potrebbe essere necessario ingrandire):

Fate una registrazione e ingrandite uno dei segnali riflessi. Potete vedere che il segnale EMG assomiglia molto ad altri EMG che avete visto:

Congratulazioni! Ora puoi registrare la risposta muscolare al riflesso rotuleo. Ma come possiamo misurare la differenza di tempo tra quando il martello colpisce e il muscolo si flette?

Misurare il tempo del riflesso

Sì! Possiamo misurare il tempo di riflesso con il Backyard Brains Reflex Hammer – un kit di espansione per la Muscle SpikerBox Pro.
Collega il Reflex Hammer alla Muscle SpikerBox Pro. Se sei già collegato a SpikeRecorder, dovresti vedere apparire un secondo canale nella registrazione! Dai un colpetto al martello… poi colpiscilo delicatamente contro un ostacolo o un nemico vicino. Guarda in SpikeRecorder come l’accelerometro del Martello Reflex crea grandi ondulazioni e picchi!
Ora, fai sedere il tuo soggetto in alto in modo che le sue gambe penzolino. Inoltre, e questo è importante, fai in modo che il tuo soggetto chiuda gli occhi o guardi altrove in modo che non possa anticipare il martello.
Inizia a sperimentare! A seconda di come preferisci descriverlo, dai al tuo soggetto dei colpetti energici, o dei colpi delicati, sotto la sua rotula. Una volta trovato il punto giusto, dovresti essere in grado di evocare il riflesso del calcio alla gamba!

Ingrandisci con i comandi touch o con la rotellina del mouse. Puoi misurare il tempo del riflesso misurando la differenza tra il picco quando il martello colpisce e i muscoli si flettono in risposta! Il colpo di martello è quando l’accelerometro nel martello riflesso sperimenta il maggior grado di (de)accelerazione, quindi accendete la registrazione EMG al primo segno “verticale” sulla lettura dell’accelerometro – vedi foto prima. Puoi usare il link del volantino qui sopra per avere un modulo che ti permetta di tabulare facilmente i dati.

Compara con il tempo di reazione

Se hai il Reaction Timer e hai eseguito l’esperimento How Fast can Your Body React?”, confronta i tuoi risultati e vedi come i tempi di riflesso e reazione si confrontano tra loro. Non hai il Reaction Timer? Bene, puoi registrare un semplice test dei tempi di reazione anche con questo set-up!

Possiamo misurare e confrontare la differenza di tempo tra i “circuiti cerebrali” (reazione) e i “circuiti del midollo spinale” (riflesso) con questo setup!
Usa il secondo canale del Muscle SpikerBox Pro per registrare dall’altra gamba con lo stesso posizionamento degli elettrodi.
Dì al soggetto di ricerca di chiudere di nuovo gli occhi. Digli di calciare l’altra gamba quando sentono il martello toccare la stessa gamba che avevi registrato in precedenza.
Confrontate il riflesso di una gamba con la reazione dell’altra! Dovreste notare che la reazione è drammaticamente più lenta del riflesso. Perché pensate che sia così? (Pensiamo che tu sappia la risposta!)

Suggerimenti per la risoluzione dei problemi

C’è una grande variabilità tra i soggetti nel modo in cui il segnale EMG può essere visto. Come ultima risorsa, potrebbe essere necessario provare la dimostrazione con un altro volontario. Se hai ancora problemi, potrebbe essere necessario spostare il posizionamento degli elettrodi. La registrazione rigorosamente dal vasto mediale o laterale può anche funzionare bene. Vedi sotto:

Medialis

Lateralis

Hai ancora problemi? Prova a posizionare gli elettrodi ancora di più sui lati laterali o mediali della gamba.
Se sei collegato ad una presa di corrente, vai nelle impostazioni e spunta la casella che dice “60hz” per filtrare le interferenze elettriche.
Assicurati che il tuo martello non stia colpendo uno dei fili rossi!

Idee per un progetto scientifico

Quali sono altri riflessi che potresti testare?

La velocità/ampiezza della risposta cambia a seconda dello stato in cui si trova qualcuno? Per esempio, se è stanco, se ha molta energia, se ha preso un caffè di recente, ecc. Perché pensi che questo influenzi o meno il riflesso?

Non fare male a te stesso o a qualcun altro indagando su questo, ma la velocità o l’ampiezza dipende in qualche modo dalla forza con cui colpisci il ginocchio? Perché questo potrebbe essere o non essere?

Per questo esperimento, la persona che ha il riflesso attivato mantiene normalmente la gamba rilassata, ma cosa succede se cerca di resistere al riflesso? Questo influenza la velocità o l’ampiezza, o il riflesso avviene? Perché questo potrebbe essere?

Abbiamo notato due cose che meritano un ulteriore esame. Il tempo del riflesso tende a non essere molto variabile in una singola persona durante una sessione (sempre +-2 ms), ma il tempo del riflesso tra individui può variare da 13 ms a 35 ms. Poiché si tratta di un riflesso inconscio, quali possono essere le ragioni di tale variabilità tra gli individui? L’età, la forma fisica, gli atleti (corridori contro sollevatori di pesi, ecc.) possono essere tutti fattori. Inoltre, la componente di reazione tende ad essere più varia da prova a prova all’interno di una persona (da 130 a 200 ms), poiché questo richiede un controllo cosciente e “attenzione” che aumentano la variabilità del tempo tra le prove. Iniziate a raccogliere dati da tutte le persone che conoscete!