какова скорость нервного импульса поступающего в мозг
Исследовательская работа по физике 7 класс «Определение скорости прохождения нервного импульса»
Ищем педагогов в команду «Инфоурок»
Выбранный для просмотра документ определение скорости нервного импульса жел..docx
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ КРАСНОЯРСКОГО КРАЯ
САЯНСКИЙ РАЙОН КРАСНОЯРСКИЙ КРАЙ
« XVI Краевые открытые Курчатовские чтения»
« Определение времени собственной реакции и скорости прохождения нервного импульса »
МБОУ «Агинская СОШ №1»,
5 класс, сот. +79233378841,
Кононова Елена Николаевна,
МБОУ «Агинская СОШ №1»,
С условиями Конкурса ознакомлен(-а) и согласен(-а) Организатор конкурса оставляет за собой право использовать конкурсные работы в некоммерческих целях и без денежного вознаграждения автора (авторского коллектива) при проведении просветительских кампаний, а также полное или частичное использование в методических, информационных, учебных и иных целях в соответствии с действующим законодательством РФ.
Физика изучает мир, в котором мы живем, явления, происходящие в нем, открывает законы, которым подчиняются все эти явления, устанавливает их взаимосвязи.
За последние 400 лет человеческая цивилизация прошла больший путь познания, чем за всю свою предшествующую историю. За эти годы люди освоили географию и недра Земли, покорили океан. Человек создал устройства, позволившие ему летать и передвигаться по земле с огромной скоростью, общаться с жителями других континентов, не выходя из собственного жилища, и видеть происходящее в иных краях. Он освоил источники энергии, решил проблемы обеспечения пищи, научился предотвращать эпидемии самых страшных болезней.
В школе чаще рассматриваются физические явления, происходящие в неживой природе, а о живой природе говорят вскользь. Но, вместе с тем, живая природа так уникальна и в ней действуют все законы механики, электростатики, оптики, акустики, термодинамики и ядерной физики.
Человек – неотъемлемая часть природы, поэтому законы физики вполне можно применять для изучения человека.
Очень часто при приёме на какую-либо работу работодатель желает знать какими качествами обладает тот или иной человек. Моя методика вычисления времени реакции и скорости прохождении нервного импульса может применяться при приёме на работу пожарниками, лётчиками, шоферами, водителями т. е., там, где нужно быстро реагировать и принимать решения.
Целью моей работы является:
В ычисление времени собственной реакции и скорости прохождения нервного импульса.
— изучить теоретический материал по вычислению скорости и времени как физических величин;
Гипотеза: используя законы механики, можно рассчитать время собственной реакции и скорость прохождения нервного импульса
Объектом моего исследования является : человек.
В ходе выполнения работы я использовал такие методы :
анализ и обработка материала.
Небольшой лист картона;
У нас издавна повелось сравнивать хитроумные творения природы с более простыми и более понятными выдумками человеческого гения. Такие сопоставления помогают ученым более наглядно представить многие сложнейшие явления. Существует аналогия между центральной нервной системой и телефонной сетью большого города. Сходство усиливается тем, что и по телефонным проводам и по нервам бежит электричество. В этом убедился еще Гальвани. С тех пор десятки тысяч опытов подтвердили, что раздражение любых органов чувств кодируется в электрические импульсы и в таком виде попадает в мозг. Да и в мозгу вся информация, циркулирующая между различными его отделами, передается в виде электрических импульсов.
Электрический ток в металлическом проводнике – это упорядоченное движение электронов, практически сразу возникающее на всем его протяжении, а нервный импульс – это движение возбудительного процесса вдоль нервного волокна, которое сопровождается возникновением электрического тока, вызывающего, в свою очередь, возбуждение соседнего участка. Такой способ распространения возбуждения объясняет две интересные особенности нервного импульса.
Во-первых, проходя по длинному волокну, нервный импульс ничуть не затухает, оставаясь постоянным по величине в начале и в конце своего пути. Во-вторых, все импульсы, идущие по волокну, совершенно одинаковы. Они не отражают силы или особенностей раздражителя, вызвавшего нервный импульс, а зависят только от свойств нервного волокна, по которому распространяются.
Измерение времени реакции и скорости прохождения нервного импульса.
Человек – существо многогранное: он покорил высочайшие горные вершины, опустился в самые глубокие точки мирового океана, побывал на Луне, расщепил атомное ядро. Но чаще всего мы не задумываемся, а что же мы представляем собой, что мы можем сделать, какими возможностями и ресурсами обладаем? Остаётся ещё много вопросов…
Замеры времени делал три раза и рассчитал среднее значение скорости прохождения нервного импульса. В таблице представлены расчёты для среднего значения.
1 вывод: Я рассчитал время собственной реакции и скорость прохождения нервного импульса. Полученные результаты говорят о том, что у меня среднее время реакции, невысокая скорость прохождения нервного импульса, и для меня не подходят профессии, где необходима быстрая реакция.
Результаты исследований показали, что наибольшая скорость прохождения нервного импульса наблюдается у меланхолика, затем у флегматика, резко уменьшается у сангвиника и холерика, хотя время реакции у холерика и меланхолика почти одинаковы, а у сангвиника и флегматика отличаются лишь на 1 с.
2 вывод : У людей с разными типами темперамента время реакции отличается не очень сильно, а вот скорость прохождения нервного импульса у разных типов темперамента различна. Поэтому, я считаю, что при приёме на работу каких-либо работников, работодатели должны учитывать эти характеристики, там, где необходима большая скорость реакции.
Хуторской А.В., Хуторская Л.Н. Увлекательная физика: сборник заданий и опытов для школьников и абитуриентов с ответами. – М.: АРКТИ, 2001.
Познай самого себя: Практические работы и экспериментальные мини-проекты: измерение параметров человека. – М.: Чистые пруды, 2009. – (Библиотечка «Первого сентября», серия «Физика». Вып. 26)
нервный импульс
1 м, а толщина от 0,5 до 30 мкм. Различают два класса нервных волокон: мякотные (мие-линизированные) и безмякотные. У мякотных волокон имеется миелиновая оболочка, образованная спец. мембраной, к-рая подобно изоляции накручивается на аксон. Протяжённость участков сплошной миелиновой оболочки составляет от 200 мкм до 1 мм, они прерываются т. н. перехватами Ранвье шириной 1мкм. Миелиновая оболочка играет роль изоляции; нервное волокно на этих участках пассивно, электрически активна только мембрана в перехватах Ранвье. Безмякотные волокна не имеют изолир. участков; их структура однородна по всей длине, а мембрана обладает электрич. активностью по всей поверхности.
Нервные волокна заканчиваются на телах или ден-дритах др. нервных клеток, но отделены от них проме-
В нормальных условиях по нервному волокну постоянно бегут серии Н. и., возникающих на дендритах или теле клетки и распространяющихся по аксону в направлении от тела клетки (аксон может проводить Н. и. в обоих направлениях). Частота этих периодич. разрядов несёт информацию о силе вызвавшего их раздражения; напр., при умеренной активности частота
50-100 импульсов/с. Существуют клетки, к-рые разряжаются с частотой
Скорость распространения Н. и. u зависит от типа нервного волокна и его диаметра d, u
1 м/с, а в толстых волокнах u
После возбуждения наступает рефракторный период, в течение к-рого возбудимость нервного волокна снижена. Различают абс. рефракторный период, когда волокно нельзя возбудить никакими раздражителями, и относит. рефракторный период, когда возбуждение возможно, но его порог оказывается выше нормы. Абс. рефракторный период ограничивает сверху частоту передачи Н. и. Нервное волокно обладает свойством аккомодации, т. е. привыкает к постоянно действующему раздражению, что выражается в постепенном повышении порога возбудимости. Это приводит к снижению частоты Н. и. и даже к их полному исчезновению. Если сила раздражения нарастает медленно, то возбуждения может не произойти даже после достижения порога.
Рис.1. Схема строения нервной клетки.
Возбуждение Н. и. Физ. представления о появлении электрич. потенциалов в клетках основаны на т. н. мембранной теории. Клеточные мембраны разделяют растворы электролита разной концентрации и обладают из-бират. проницаемостью для нек-рых ионов. Так, мембрана аксона представляет собой тонкий слой липидов и белков толщиной
7 нм. Её электрич. сопротивление в состоянии покоя
-60 мВ, соответствующий указанной ф-ле.
Процесс нервного возбуждения развивается следующим образом (см. также Биофизика ).Если пропустить через аксон слабый импульс тока, приводящий к деполяризации мембраны, то после снятия внеш. воздействия потенциал монотонно возвращается к исходному уровню. В этих условиях аксон ведёт себя как пассивная электрич. цепь, состоящая из конденсатора и пост. сопротивления.
Если импульс тока превышает нек-рую пороговую величину, потенциал продолжает изменяться и после выключения возмущения; потенциал становится положительным и только потом возвращается к уровню покоя, причём вначале даже несколько проскакивает его (область гиперполяризации, рис. 2). Отклик мембраны при этом не зависит от возмущения; этот импульс наз. потенциалом действия. Одновременно через мембрану течёт ионный ток, направленный сначала внутрь, а потом наружу (рис. 2, в).
Феноменологич. истолкование механизма возникновения Н. и. было дано А. Л. Ходжкином (A. L. Hodg-kin) и А. Ф. Хаксли (A. F. Huxley) в 1952. Полный ионный ток слагается из трёх составляющих: калиевого, натриевого и тока утечки. Когда потенциал мембраны сдвигается на пороговую величину j* (
60 мВ. Поэтому полная амплитуда потенциала действия достигает
120 мВ. К моменту достижения макс. потенциала в мембране начинает развиваться калиевая (и одновременно уменьшаться натриевая) проводимость. В результате натриевый ток сменяется на калиевый, направленный наружу. Этот ток соответствует уменьшению потенциала действия.
Установлены эмпирич. ур-ния для описания натриевого и калиевого токов. Поведение мембранного потенциала при пространственно однородном возбуждении волокна определяется ур-нием:
Величину g l считают постоянной, проводимости g Na и g K описывают с помощью параметров m, h и п:
Зависимость коэф. a и b от мембранного потенциала j (рис. 3) выбирают из условия наилучшего совпадения
Рис. 3. Зависимость коэффициентов a и b от мембранного потенциала.
Рис. 4. Зависимость стационарных значений т, h и п от мембранного потенциала.
Распространение Н. и. Н. и. может распространяться вдоль волокна без затухания и с пост. скоростью. Это связано с тем, что необходимая для передачи сигнала энергия не поступает из единого центра, а черпается на месте, в каждой точке волокна. В соответствии с двумя типами волокон существуют два способа передачи Н. и.: непрерывный и сальтаторный (скачкообразный), когда импульс движется от одного перехвата Ранвье к другому, перепрыгивая через области миелиновой изоляции.
В случае немиелинизир. волокна распределение мембранного потенциала j(x, t)определяется ур-нием:
Вид функционала I специфичен для биологически возбудимой среды. Однако ур-ние (5), если отвлечься от вида I, имеет более общий характер и описывает многие физ. явления, напр. процесс горения. Поэтому передачу Н. и. уподобляют горению порохового шнура. Если в бегущем пламени процесс поджигания осуществляется за счёт теплопроводности, то в Н. и. возбуждение происходит при помощи т. н. локальных токов (рис. 5).
Рис. 5. Локальные токи, обеспечивающие распространение нервного импульса.
В реальных волокнах время t’ достаточно велико, поэтому только оно определяет скорость u, для к-рой справедлива ф-ла: 
. Учитывая, что j‘
Ур-ние (5) для распространяющегося Н. и. в действительности допускает два решения. Второе решение оказывается неустойчивым; оно даёт Н. и. со значительно меньшей скоростью и амплитудой потенциала. Наличие второго, неустойчивого, решения имеет аналогию в теории горения. При распространении пламени с боковым теплоотводом также возможно возникновение неустойчивого режима. Простую аналитич. модель Н. и. можно усовершенствовать, учитывая дополнит. детали.
При изменении сечения и при ветвлении нервных волокон прохождение Н. и. может быть затруднено или даже полностью блокировано. В расширяющемся волокне (рис. 6) скорость импульса по мере приближения к расширению убывает, а после расширения начинает расти, пока не выйдет на новое стационарное значение. Замедление Н. и. тем сильнее, чем больше разница в сечениях. При достаточно большом расширении Н. и. останавливается. Существует критич. расширение волокна, к-рое задерживает Н. и.
При обратном движении Н. и. (из широкого волокна в узкое) блокирования не происходит, но изменение скорости носит противоположный характер. При подходе к сужению скорость Н. и. увеличивается, а затем начинает спадать до нового стационарного значения. На графике скорости (рис., 6а) получается своего рода петля гистерезиса.
Известны эксперименты по взаимодействию двух нервных волокон, помещённых в ограниченный объём внеш. раствора. Если по одному из волокон бежит Н. и., то одновременно изменяется возбудимость второго волокна. Изменение проходит три стадии. Вначале возбудимость второго волокна падает (повышается порог возбуждения). Это уменьшение возбудимости опережает потенциал действия, бегущий по первому волокну, и длится примерно до тех пор, пока потенциал в первом волокне не достигнет максимума. Затем возбудимость растёт, эта стадия совпадает по времени с процессом уменьшения потенциала в первом волокне. Возбудимость ещё раз уменьшается, когда в первом волокне происходит небольшая гиперполяризация мембраны.
При одноврем. прохождении Н. и. по двум волокнам иногда удавалось достигнуть их синхронизации. Несмотря на то что собств. скорости Н. и. в разных волокнах различны, при их одноврем. возбуждении мог возникнуть коллективный Н. и. Если собств. скорости были одинаковы, то коллективный импульс имел меньшую скорость. При заметном отличии собств. скоростей коллективная скорость имела промежуточное значение. Синхронизоваться могли лишь Н. и., скорости к-рых отличались не слишком сильно.
Матем. описание этого явления даётся системой ур-ний для мембранных потенциалов двух параллельных волокон j 1 и j 2 :
При использовании простой аналитич. модели решение приводит к след. картине. Когда возбуждается одно волокно, в соседнем наводится знакопеременный мембранный потенциал: вначале волокно гиперполяри-зуется, затем деполяризуется и, наконец, ещё раз ги-перполяризуется. Эти три фазы соответствуют понижению, повышению и новому понижению возбудимости во-локна. При нормальных значениях параметров сдвиг мембранного потенциала во второй фазе в сторону деполяризации не достигает порога, поэтому передачи возбуждения в соседнее волокно не происходит. При одноврем. возбуждении двух волокон система (6) допускает совместное автомодельное решение, к-рое соответствует двум Н. и., движущимся с одинаковой скоростью на пост. расстоянии друг от друга. Если впереди находится медленный Н. и., то он притормаживает быстрый импульс, не выпуская его вперёд; оба движутся с относительно малой скоростью. Если же впереди находится быстрый II. и., то он подтягивает за собой медленный импульс. Коллективная скорость оказывается близкой к собств. скорости быстрого импульса. В сложных нейронных структурах возможно появление автоволи.
Возбудимые среды. Нервные клетки в организме объединены в нейронные сети, к-рые в зависимости от частоты ветвления волокон разделяют на редкие и густые. В редкой сети отд. элементы возбуждаются независимо друг от друга и взаимодействуют только в узлах ветвления, как описано выше.
В густой сети возбуждение охватывает сразу много элементов, так что их детальная структура и способ соединения между собой оказываются несущественными. Сеть ведёт себя как непрерывная возбудимая среда, параметры к-рой определяют возникновение и распространение возбуждения.
Возбудимая среда может быть трёхмерной, хотя чаще её рассматривают как двумерную поверхность. Возбуждение, возникшее в к—л. точке поверхности, распространяется во все стороны в виде кольцевой волны. Волна возбуждения может огибать препятствия, но не может от них отражаться, не отражается она и от границы среды. При столкновении волн между собой происходит их взаимное уничтожение; пройти друг сквозь друга эти волны не могут из-за наличия позади фронта возбуждения рефракторной области.
5 см. При трепетании происходит пе-риодич. сокращение предсердий с частотой 3-5 Гц. Более сложный режим возбуждения представляет собой фибрилляция желудочков сердца, когда отд. элементы сердечной мышцы начинают сокращаться без внеш. команды и без связи с соседними элементами с частотой
10 Гц. Фибрилляция приводит к прекращению циркуляции крови.
Возникновение и поддержание спонтанной активности возбудимой среды неразрывно связаны с возникновением источников волн. Простейший источник волн (группа спонтанно возбуждающихся клеток) может обеспечить периодич. пульсацию активности, так устроен водитель ритма сердца.
Источники возбуждения могут возникать и за счёт сложной пространств. организации режима возбуждения, напр. ревербератор типа вращающейся спиральной волны, появляющийся в простейшей возбудимой среде. Другой вид ревербератора возникает в среде, состоящей из элементов двух типов с разными порогами возбуждения; ревербератор периодически возбуждает то одни, то другие элементы, меняя при этом направление своего движения и порождая плоские волны.
Лит.: Ходжкин А., Нервный импульс, пер. с англ., М., 1965; Катц Б., Нерв, мышца и синапс, пер. с англ., М., 1968; Ходоров Б. И., Проблема возбудимости, Л., 1969; Тасаки И., Нервное возбуждение, пер. с англ., М., 1971; Маркин В. С., Пастушенко В. Ф., Чизмад-жев Ю. А., Теория возбудимых сред, М., 1981. В. С. Маркин.
Вопрос 44. Механизм и скорость проведения нервного импульса. Регенерация нервных волокон.
В результате поступления возбуждающего импульса на плазмолемме клетки происходит частичная деполяризация. Когда она достигает критического (порогового) уровня, натриевые каналы открываются, позволяя ионам Na+ войти. Деполяризация усиливается, и при этом открывается еще больше натриевых каналов. Натриевые каналы инактивируются за 1-2 мс. Калиевые каналы также открываются, но медленнее и на более продолжительный срок, что позволяет К+ выйти и восстановить потенциал до прежнего уровня. Через 1—2 мс (рефрактерный период) каналы возвращаются в нормальное состояние, и мембрана может вновь отвечать на стимулы. Итак, распространение потенциала действия обусловлено вхождением в нейрон ионов Na+, которые могут деполяризовать соседний участок плазмолеммы, что в свою очередь создает потенциал действия на новом месте.
Скорость передачи импульса миелиновыми волокнами больше, чем безмиелиновыми. Тонкие волокна, бедные миелином, и безмиелиновые волокна проводят нервный импульс со скоростью 1—2 м/с, тогда как толстые миелиновые — со скоростью 5—120 м/с.
В безмиелиновом волокне волна деполяризации мембраны идет по всей аксолемме, не прерываясь, а в миелиновом возникает только в области перехвата. Таким образом, для миелиновых волокон характерно сальтаторное проведение возбуждения, т.е. прыжками. Между перехватами идет электрический ток, скорость которого выше, чем прохождение волны деполяризации по безмиелиновому волокну.
Регенерация нервных волокон (после перерезки). Регенерация зависит от места травмы, как в центральной, так и в периферической нервной системе погибшие нейроны не восстанавливаются. Полноценной регенерации нервных волокон в центральной нервной системе обычно не происходит, но нервные волокна в составе периферических нервов обычно хорошо регенерируют. При этом нейролеммоциты периферического отрезка и ближайшего к области травмы участка центрального отрезка пролиферируют и выстраиваются компактными тяжами. Осевые цилиндры центрального отрезка дают многочисленные коллатерали, которые растут со скоростью 1—3 мм в сутки вдоль нейролеммальных тяжей, создавая, таким образом, избыточный рост нервных волокон. Выживают только те волокна, которые достигают соответствующих окончаний. Остальные дегенерируют. Если существует препятствие для врастания аксонов центрального отрезка нерва в тяжи нейролеммоцитов периферического отрезка (обширная травма, воспалительный процесс), аксоны центрального отрезка растут беспорядочно и могут образовать клубок, называемый ампутационной невромой. При ее раздражении возникает сильная боль, которая воспринимается как происходящая из первоначально иннервируемой области.
*страница 289 в Афанасьеве (если плохо видно)
Вопрос 45. Нейронный состав простой рефлекторной дуги. Рецепторные нервные окончания.
Самая простая рефлекторная дуга состоит из двух нейронов — чувствительного и двигательного. Чувствительный нейрон представляет собой псевдоуниполярный, тело которого располагается в чувствительном ганглии, а аксон заканчивается в передних рогах спинного мозга, где образует синапс с мотонейроном (мультиполярный нейрон), который передаёт возбуждение через свой аксон к эффекторному органу. В подавляющем большинстве случаев между чувствительными и двигательными нейронами включены вставочные, или ассоциативные, нейроны. У высших животных рефлекторные дуги состоят обычно из многих нейронов и имеют значительно более сложное строение.
Нервные волокна заканчиваются концевыми аппаратами — нервными окончаниями. Различают 3 группы нервных окончаний: концевые аппараты, образующие межнейрональные синапсы и осуществляющие связь нейронов между собой; эффекторные окончания (эффекторы), передающие нервный импульс на ткани рабочего органа; рецепторные (аффекторные, или чувствительные).
Рецепторные нервные окончания. Эти нервные окончания — рецепторы — рассеяны по всему организму и воспринимают различные раздражения как из внешней среды, так и от внутренних органов. Соответственно выделяют две большие группы рецепторов:
Экстерорецепторы. К ним относятся слуховые, зрительные, обонятельные, вкусовые и осязательные рецепторы.
Интерорецепторы. К ним относятся висцерорецепторы (сигнализирующие о состоянии внутренних органов) и вестибуло-проприорецепторы (рецепторы опорно-двигательного аппарата).
В зависимости от специфичности раздражения, воспринимаемого данным видом рецептора, все чувствительные окончания делят на механорецепторы, барорецепторы, хеморецепторы, терморецепторы и др.
По особенностям строения чувствительные окончания подразделяют на свободные нервные окончания, т.е. состоящие только из конечных ветвлений осевого цилиндра, и несвободные, содержащие в своем составе все компоненты нервного волокна, а именно ветвления осевого цилиндра и клетки глии. Несвободные окончания, кроме того, могут быть покрыты соединительнотканной капсулой, и тогда они называются инкапсулированными (corpusculum nervosum capsulatum). Несвободные нервные окончания, не имеющие соединительнотканной капсулы, называются неинкапсулированным.
Свободные нервные окончания обычно воспринимают холод, тепло и боль. Такие окончания характерны для эпителия. В этом случае миелиновые нервные волокна подходят к эпителиальному пласту, теряют миелин, а осевые цилиндры проникают в эпителий и распадаются там между клетками на тонкие терминальные ветви.
Очень разнообразны рецепторы в соединительной ткани. Огромное большинство их представляет собой разной степени сложности ветвления осевого цилиндра. В состав таких концевых аппаратов, как правило, входят нейролеммоциты, которые сопровождают все ветвления волокна (это несвободные неинкапсулированные рецепторы)
Инкапсулированные рецепторы соединительной ткани при всем их разнообразии всегда состоят из ветвления осевого цилиндра и глиальных клеток. Снаружи такие рецепторы покрыты соединительнотканной капсулой.
Примером подобных окончаний могут служить весьма распространенные у человека пластинчатые тельца Фатера-Пачини (барорецепторы). В центре такого тельца располагается внутренняя луковица. Миелиновое чувствительное нервное волокно теряет около пластинчатого тельца миелиновый слой, проникает во внутреннюю луковицу и разветвляется. Снаружи тельце окружено слоистой капсулой, состоящей из фибробластов и спирально ориентированных волокон. Заполненные жидкостью пространства между пластинками содержат коллагеновые микрофибриллы. Давление на капсулу передается через заполненные жидкостью пространства между пластинками на внутреннюю луковицу и воспринимается безмиелиновыми волокнами во внутренней луковице. Пластинчатые тельца воспринимают давление и вибрацию. Они присутствуют в глубоких слоях дермы (особенно в коже паль цев), в брыжейке и внутренних органах.
К чувствительным инкапсулированным окончаниям относятся осязательные тельца Мейснера. Они располагаются в верхушках соединительнотканных сосочков кожи. Осязательные тельца состоят из видоизмененных нейролеммоцитов — тактильных клеток, расположенных перпендикулярно длинной оси тельца. Тельце окружено тонкой капсулой. Миелиновое нервное волокно входит в основание тельца снизу, теряет миелиновый слой и формирует ветви, извивающиеся между тактильными клетками. Коллагеновые микрофибриллы и волокна связывают тактильные клетки с капсулой, а капсулу с базальным слоем эпидермиса, так что любое смещение эпидермиса передается на осязательное тельце.
К инкапсулированным нервным окончаниям относятся также рецепторы мышц и сухожилий, о которых расскажу дальше.