Experiment: Porovnání Rychlosti Dvou Nervových Vláken Velikosti

Pozadí

Poznámka: Tento experiment byl recenzované a publikované Americké Fyziologické Společnosti, v časopise „Pokroky ve Fyziologii Vzdělávání“ – Přečtěte si papír, neohrožený vědci, pro více in-hloubkové ošetření experimentu je popsáno níže.

dříve jste se naučili měřit rychlost vedení ze systému nervových vláken žížaly. Pamatuješ si, že červ má tři velké neurony, které běží na délku jeho těla, mediální gigant nervu (MGN) a dvě boční obří nervu (LGN).

podívejme se blíže na ventrální nebo“ spodní “ nervovou šňůru obsahující tyto střední a boční obří nervy. Jeden z rozdílů mezi bezobratlé (hmyz, červi, a tak dále) a obratlovců (psy, ještěrky, usa) je, že bezobratlí mají ventrální nervové šňůry (běh podél jejich „břicho“) vzhledem k tomu, že máme hřbetní nervové šňůry (naše míchy běží podél zadní straně).

MGN i LGN hrají důležitou roli při zajišťování komunikace smyslů červa se svaly (Drewes et al . 1978). MGN přenáší smyslové informace o přední nebo přední části červa (konec nejblíže k clitellum). Naproti tomu LGN přenáší smyslové informace o zadní nebo zadní části červa (konec nejdále od clitellum). Mezi těmito dvěma systémy je také rozdíl ve fyzické velikosti. Mediální obří nerv, o průměru 0,07 mm, je o něco širší než laterální obří nerv (0 .Průměr 05 mm) (Kladt et. al 2010).

v předchozím experimentu s žížalami jste zaznamenali ze zadního nebo zadního konce červa a určili rychlost vedení pro LGN. Pro tento experiment budete zaznamenávat jak zadní (LGN), tak přední konce červa (MGN). Chceme zjistit, zda existuje nějaký rozdíl v rychlosti vedení mezi těmito dvěma nervy. Myslíte, že tam bude nějaký rozdíl? Podívejme se na některé…..

když přemýšlíte o tom, jak akční potenciál putuje po axonu neuronu, je užitečné přemýšlet o analogii hlasitosti televize. Přemýšlejte o zapnutí televizoru a pak od něj pomalu odcházejte. Jak budete chodit dál a dál, co se stane?

zvuk přicházející z reproduktoru je tišší a tišší, čím dále jste od zdroje. Tento příklad je analogický změně napětí (základ akčního potenciálu) proudícího dolů axonem neuronu. V hypotetickém neuronu s odstraněnými aktivními iontovými kanály změníme napětí v těle buňky a provedeme tři měření podél axonu. Jak podle vás budou měření vypadat?

Všimněte si, že signál se rozpadá. Síla tohoto rozpadu je určena dvěma věcmi, časovou konstantou a délkovou konstantou. Čas na nějakou matematiku a elektroniku, naše oblíbené předměty (samozřejmě kromě neuronů).

co znamenají r A c? r je „odpor“ vůči proudu, a c je „kapacita“, “ míra ukládání náboje přes izolační bariéru.

nejprve si promluvme o délkové konstantě (někdy se také nazývá „prostorová konstanta“). Délková konstanta (λ nebo lambda) je měřítkem toho, jak daleko se napětí pohybuje po axonu, než se rozpadne na nulu. Pokud máte délkovou konstantu 1 mm, znamená to, že ve vzdálenosti 1 mm od těla buňky v axonu zůstává 37% velikosti napětí. Ve vzdálenosti 2 mm od těla buňky v axonu zůstává 14% velikosti a ve vzdálenosti 3 mm zůstává 5%. Toto je reprezentativní funkce“ exponenciálního rozpadu“.

délková konstanta se vypočítá z rm a ri. rm je elektrický odpor membrány neuronu, nebo jak je „elektricky netěsný“. Čím větší je rm („méně děravý“), tím větší bude délková konstanta. ri je rezistence intracelulární tekutiny (nazývané axoplazma) uvnitř axonu. Naopak, čím nižší je ri, tím větší bude délková konstanta.

časová konstanta (Τ nebo tau) je podobná délkové konstantě, ale platí pro čas. Pokud je změna napětí aplikována uvnitř neuronu, trvá určitou dobu, než se neuron plně „nabije“ na stabilní napětí. V rovnici časové konstanty je cm Kapacita nervové membrány, což je míra schopnosti membrány ukládat náboj. Čím vyšší je kapacita, tím více času trvá, než se kondenzátor plně nabije (nebo vybije) a působí jako „vyrovnávací paměť“ na jakoukoli náhlou změnu napětí.

čím menší jsou rm I cm, tím menší je časová konstanta a čím menší je čas potřebný ke změně napětí axonu.

„ideální neuron“ by měl nekonečně vysokou délkovou konstantu a nekonečně nízkou časovou konstantu. Jakákoli změna napětí kdekoli v neuronu by tedy okamžitě změnila napětí všude jinde v neuronu.

časová konstanta i délková konstanta jsou „pasivní“ vlastnosti neuronů. Jak tedy vaše neurony zastaví rozklad elektrických signálů na nulu? Tím, že se stanete „aktivní“ a používáte iontové kanály! Vaše neurony používají sodíkové a draselné kanály k regeneraci akčního potenciálu stékajícího axonem k „boji proti rozpadu“, ke kterému dochází v důsledku délkových a časových konstant. Jako akční potenciál vystřelí váš axon, sodíkové a draselné kanály se neustále otevírají a zavírají, aby dobily akční potenciál a“ propagovaly “ axon.

Jak víte z předchozího žížala experiment, akční potenciál, šíření dolů neuron má konečnou rychlost. Pokaždé iontový kanál potřebuje otevřít dobít akční potenciál, toto zpoždění šíření akčního potenciálu podle ~1 ms. A menší délce konstantní je, tím více budete muset regenerovat akční potenciál tím, že iontové kanály otevřít po délce axonu. Jak můžeme zvýšit konstantu délky? Můžeme to udělat zvýšením rm. Můžeme to nějak udělat?

Ano! Můžeme zvýšit rm zabalením neuronu dovnitř….

Myelin je tuková pokrývající produkován speciálních buněk nazývají Schwannovy Buňky a Oligodendrocyty. Díky tomuto pokrytí vypadají axony podobně jako rohlíky v rohlíku, a proč se mozek někdy nazývá „kus tuku“.“Tento mastný kryt způsobuje, že nervová membrána je méně netěsná a podstatně zvyšuje rm.

ale co si myslíte, že by se stalo, kdybyste pokryli celý axon v myelinu? Bohužel, konstanta délky není dostatečně zvýšena, abyste se s tím dostali pryč. Akční potenciál musí být stále regenerován podél axonu, i když ne tolikrát jako nemyelinizovaný axon.

proto je myelinový plášť diskontinuální, s periodicky exponovanými bity nervové membrány nazývanými “ uzly Ranviera.“V těchto uzlech Žádný myelin nepokrývá membránu a Nachází se zde spousta aktivních iontových kanálů. Diskrétní regenerace akčních potenciálů mezi délek myelinu v ranvierovy zářezy se nazývá „tancující vedení.“

související skutečnost: Saltar je španělsky “ skočit.“Kobylka, která žije například v Andách, se nazývá „Saltamontes“ nebo „skokan horský“.“

ale počkej! Zakrytí neuronů myelinem činí vnitřní a vnější část nervové membrány dále od sebe. Protože kapacita je ovlivněna vzdáleností oddělení mezi nabitými tělesy (viz Haliday a Resnick), myelin se sníží cm. Způsobuje to také pokles časové konstanty? No, možná ne, protože, jak jsme řekli dříve, myelin také podstatně zvyšuje rm.

výsledkem tohoto současném snížení v cm a zvýšení rm je předpokládám, protože bez čisté změny v čase konstantní, i když přímé experimentální důkazy v literatuře chybí. Pokud máte dva axony stejného průměru a jeden má myelinový plášť o tloušťce 1 mm a druhý má myelinový plášť o tloušťce 2 mm, o kolik rychlejší bude druhý axon? Bohužel se opět zdá, že tato odpověď je experimentálně neznámá, protože neurony se zvýšenou tloušťkou myelinu mají současně zvýšený průměr axonu. To, co bylo obecně potvrzeno s počítačovou simulací je, že myelinových neuron dvakrát tak silný jako další myelinových neuron bude mít rychlost vedení dvakrát tak rychle.

existuje další způsob, jak zvýšit rychlost vedení, aniž byste se obtěžovali všemi těmito speciálními buňkami, které pokrývají neurony tukem. Tato metoda je také to, co mnoho bezobratlých používá…

čím větší je poloměr axonu, tím menší bude ri i rm. Pamatujte, že naše rovnice konstanty délky uvádí, že :

pokud se horní i dolní část liší podle poloměru… zdá se, že velikost axonu by vůbec nezměnila! Podívejme se však pozorně na to, jak se tyto dvě hodnoty liší podle velikosti axonu. Membránový odpor (rm) se mění s obvod axon (kde membrána je), tak jako:

zatímco vnitřní odpor se mění s oblasti axonu.

Ri i Rm jsou konstanty, které lze měřit z neuronu bez ohledu na jeho velikost (zatímco ri a rm berou v úvahu velikost), π je 3,14 a poloměr je poloměr axonu. Nyní se podívejme na tuto rovnici znovu:

máme zájem vidět, co se změní, když změníme velikost axonu (poloměr), takže chceme odstranit věci, které jsou konstanty, a uvidíme, co se změní. Rm i Ri jsou konstanty, takže jsou 2 a π a jeden poloměr se ruší. Zbývá nám prostě to:

to znamená, že délka konstantní, a rychlost vedení, váhy s druhou odmocninou poloměru.

Všimněte si, že přínosy myelinu podstatně převažují nad výhodami velikosti průměru axonu. Ztrojnásobení tloušťky myelinu zvyšuje rychlost vedení 3x, zatímco ztrojnásobení průměru axonu zvyšuje rychlost vedení pouze druhou odmocninou 3 nebo 1,7 krát. Tam je metabolické náklady, nicméně, tvorba myelinu (musíte mít speciální buňky naživu, že kabát neurony v tuku), takže to není ideální řešení pro všechny zvířata. Ale…dokonce i největší axony bez myelinu v živočišné říši, jako je obří axon o průměru 1 mm, má rychlost vedení pouze 20-25 m/s za sekundu! Ve svém těle máte myelinizované axony (vlákna a alfa), které mají průměr pouze 13-20 µm (1/100 velikosti axonu chobotnice), přesto mají rychlost vedení 80-120 m / s! Myelin je skvělý biologický vynález, který umožňuje neuronům získat malé i rychlé, ale je to drahé.

zvuk matoucí? Nebojte se, bylo to matoucí i pro nás během našeho vzdělávání. Vítejte v „Cable Theory“, který byl původně vyvinut v roce 1800, kdy se inženýři snažili pochopit přenos signálu přes dálkové telegrafní linky. Neurovědci pak tuto teorii aplikovali na neurony na počátku 20. století.

co však tato teorie kabelů znamená s ohledem na dva typy nervů v žížalách? Vzhledem k tomu, že MGN je 1,4 krát větší než LGN, měli bychom očekávat, že bude 1,18 krát rychlejší. Dříve jsme měřili LGN na ~10-14 m / s, takže bychom očekávali, že MGN bude 12-17 m / s. To je malý rozdíl pro naše zařízení k detekci, ale zkusme experiment, abychom zjistili, zda naše výsledky odpovídají teorii!

Stažení

Video

Poznámka: video níže je novější. července 2015 video na našich worm úsek experiment, ale slouží jako návod k použití náš nový software, a postup je velmi podobný. Původní video z prosince 2012 si můžete prohlédnout zde.

Video

Postup

Materiály Potřebné Pro Tuto Laboratoř Jsou Přesně Stejné Jako Experiment: Úvod do Rychlosti Vedení (Neurální Rychlost)

1. Zanestetizovat a vzít nahrávání z posteriorního konce červ stejně jako v předchozím experimentu.
   
2. jakmile získáte několik hrotů, otočte šnek o 180 stupňů a přemístěte elektrody. Tentokrát budete měřit od předního konce červa.
   
3. nyní Zaznamenejte několik hrotů z předního konce dotykem hlavy červa dřevěnou sondou. Jakmile máte několik hrotů, můžete zastavit nahrávání a vrátit červ do půdy. Žížala je poměrně odolná a z tohoto experimentu se dobře zotavuje.
4. Nyní jste připraveni podívat se na vaše data. Při převrácení elektrod byste měli vidět rovnou čáru nebo nadměrný hluk. To slouží jako vaše časová značka, kdy jste převrátili červa, a nyní víte, které hroty patří k zadnímu konci a které hroty patří k přednímu konci. Na obrázku níže je znázorněn záznam elektrody 1 na spodní straně a elektrody 2 na horní straně.
   
5. nyní můžete přiblížit své hroty a měřit rychlost vedení. Vezměte hodnoty 5-6 hrotů.
   
6. opakujte experiment několikrát s některými červy. To vám dá dobrý soubor dat pro práci s. Nezapomeňte po každém červu vyčistit elektrody alkoholem nebo vodou a papírovou utěrkou.
   
7. nyní je třeba spustit statistický test, konkrétně T-test, zkontrolovat, zda je drátová rychlosti jsou různé u dvou nervů. Pokud ještě nevíte, jak to udělat, můžete si vzít svůj datový soubor a sledovat jej v našem plánu lekce statistik. Pokud jste provedli tento plán lekce nebo máte nějaké zkušenosti se statistikami, můžete pokračovat a provést níže uvedené výpočty.
8. vezměte průměrnou a směrodatnou odchylku vašich záznamů MGN a LGN.
   
9. nakonec vypočítáme naši statistiku t a hodnotu p.
   

   co jste našli? Liší se obě rychlosti vedení od sebe?

Diskuse

Pokud váš pokus byl úspěšný, měli byste zjistili, že MGN (přední konec) vzruchy byl opravdu výrazně rychlejší, ale ne 1.2x rychlejší, ale spíš 2-4x rychlejší! Proč je tohle? Možná si vzpomenete, že neurony žížaly jsou ve skutečnosti myelinizované! Někteří bezobratlí, jako jsou krevety a červi, ve skutečnosti mají myelin.

typicky, jak axon zvětšuje svůj průměr, zvyšuje se také jeho tloušťka myelinu. Možná má MGN také silnější myelinový plášť. To by umožnilo zjistit vynikající histologický projekt. Dejte nám vědět, pokud jste na tuto výzvu, a dejte nám vědět, co najdete!

pokud máte představu o tom, co způsobuje tento nečekaně velký rozdíl, rádi bychom o tom slyšeli. Možná to ví váš profesor? Vítejte v biologii a neočekávaných nálezech! Také, pokud chápete, proč má delší časová konstanta zvyšuje rychlost vedení, dejte nám vědět, že stejně.

otázky, které je třeba zvážit

1. má anestetikum vliv na rychlost vedení MGN a LGN?
2. má obecná velikost červa vliv na rychlost vedení?
3. můžete také anestetizovat červ ve 40% – 60% roztoku sycené vody po dobu 5-9 minut jako alternativní anestetikum. Změní to měření rychlosti vedení.
4. červ Lumbriculus variegatus (Kalifornský červ) má ve skutečnosti větší LGN než MGN, takže bychom očekávali, že naše výsledky budou opakem toho, co jsme zde pozorovali u našich Lumbricus terrestris nightcrawlers. Proveďte tento experiment a dejte nám vědět, co najdete!
5. jak silný je myelin? Nemáme přístup k rozsáhlým histologickým zdrojům, ale můžete. Proč si nevzít nějaké plátky žížaly, změřit průměr axonu a tloušťku myelinu na obou nervech a podat nám zprávu?

Odstraňování problémů

To může být někdy obtížné experimentovat, protože červ se nemusí vyrábět hroty v závislosti na množství a čas anestetikum se používá, stejně jako celkové zdraví worm. Pokud se budete držet 10% roztok alkoholu po dobu asi 3-6 minut, červ by měl vyrábět hroty většinu času, jakmile se začnete (nezapomeňte umýt červ ve vodě po uspat).

můžete se také pokusit dotknout červa větším či menším tlakem. Někdy bude fungovat velmi malý kohoutek, jindy může být zapotřebí silnější tisk. Někteří červi lépe reagují na podnět na samém konci těla, zatímco jiní lépe reagují na podnět o několik centimetrů dovnitř.

konečně někdy způsobíte artefakt, když se dotknete červa. Při bližším pohledu na křivky artefaktu se artefakty objeví na obou kanálech úplně stejně. To je falešný bodec a ne fyziologický! Někdy pomáhá pravidelné sušení sondy; také ne rehydratovat červa ve vodě příliš mnoho (i když také dávejte pozor, aby vysušit červ ven). Je to pečlivá rovnováha a při získávání zkušeností si vytvoříte svůj vlastní styl a techniku.

můžete také použít vzduchový stimul ze vzduchové plechovky místo plastové, dřevěné nebo skleněné špičky, pokud dostáváte příliš mnoho falešných hrotů. Můžete také chtít převrátit červ tak, aby ventrální nebo spodní strana směřovala nahoru. To znamená, že když se dotknete červa sondou, dotyk bude blíže k nervu.