baggrund
Bemærk: dette eksperiment blev fagfællebedømt og offentliggjort af American Physiological Society i tidsskriftet “Advances in Physiology Education”-Læs papiret, frygtløse forskere, for en mere dybtgående behandling af eksperimentet beskrevet nedenfor.
tidligere lærte du at måle ledningshastighed fra regnormens nervefibersystem. Du husker, at ormen har tre store neuroner, der løber længden af sin krop, den mediale gigantiske nerve (MGN) og de to smeltede laterale gigantiske nerver (LGN).
lad os se nærmere på den ventrale eller “nederste” nervesnor, der indeholder disse mediale og laterale gigantiske nerver. En af forskellene mellem hvirvelløse dyr (insekter, orme osv.) og hvirveldyr (hunde, firben, os) er, at hvirvelløse dyr har en ventral nervesnor (løber langs deres “mave”), mens vi har en dorsal nervesnor (vores rygmarv løber langs vores bagside).
både MGN og LGN spiller en vigtig rolle for at sikre, at ormens sanser kommunikerer med dens muskler (dreves et al. 1978). MGN transmitterer sensorisk information om ormens forreste eller forreste (enden tættest på clitellum). I modsætning hertil transmitterer LGN sensorisk information om den bageste eller bagsiden af ormen (enden længst væk fra klitoris). Der er også en fysisk størrelsesforskel mellem disse to systemer. Den mediale gigantiske nerve med en diameter på 0,07 mm er lidt bredere end den laterale gigantiske nerve (0.05 mm i diameter) (Kladt et. al 2010).
i det foregående regnormeksperiment registrerede du fra den bageste eller bageste ende af ormen og bestemte ledningshastigheden for LGN. Til dette eksperiment optager du fra både den bageste (LGN) og den forreste ende af ormen (MGN). Vi vil finde ud af, om der er nogen forskel i ledningshastighed mellem de to nerver. Tror du, at der vil være nogen forskel? Lad os overveje nogle…..
når man tænker på, hvordan et handlingspotentiale bevæger sig ned ad en neurons akson, er det nyttigt at tænke på en analogi af et fjernsyns volumen. Tænk på at tænde dit TV og derefter langsomt gå væk fra det. Når du går længere og længere væk, Hvad sker der?
lyden, der kommer fra højttaleren, bliver mere støjsvag og mere støjsvag, jo længere du er væk fra kilden. Dette eksempel er analogt med en spændingsændring (basis for et handlingspotentiale), der strømmer ned ad en neurons akson. I en hypotetisk neuron med de aktive ionkanaler fjernet, lad os ændre spændingen i cellelegemet og tage tre målinger langs aksonet. Hvordan tror du, målingerne vil se ud?
Bemærk, at signalet falder. Styrken af dette forfald bestemmes af to ting, tidskonstanten og længden konstant. Tid til nogle matematik og elektronik, vores yndlingsfag (udover neuroner selvfølgelig).
hvad betyder r ‘erne og c’ erne? r er ” modstand “mod strøm, og c er” kapacitans”, et mål for opbevaring af ladning over en isolerende barriere.
lad os først tale om længdekonstanten (dette kaldes undertiden også “rumkonstanten”). Længdekonstanten (Larsen eller lambda) er et mål for, hvor langt spændingen bevæger sig ned ad aksonen, før den falder til nul. Hvis du har en længdekonstant på 1 mm, betyder det ved 1 mm væk fra cellelegemet i en akson, 37% af spændingsstørrelsen forbliver. Ved 2 mm væk fra cellelegemet i en akson forbliver 14% af størrelsen, og ved 3 mm væk forbliver 5%. Dette er repræsentativt for en” eksponentiel henfald ” – funktion.
længdekonstanten beregnes ud fra rm og ri. rm er den elektriske modstand i neuronens membran, eller hvor “elektrisk utæt” den er. Jo større rm (“mindre utæt”) er, jo større længde konstant vil være. ri er modstanden af den intracellulære væske (kaldet aksoplasma) inde i aksonet. Omvendt, jo lavere ri er, jo større længde konstant vil være.
tidskonstanten (prisT eller tau) svarer til længdekonstanten, men gælder for tiden. Hvis en spændingsændring påføres inde i en neuron, tager det tid for neuronen at “oplade” fuldt ud til en stabil spænding. I tidskonstant ligning, cm er kapacitansen af den neurale membran, som er et mål for membranens evne til at lagre ladning. Jo højere kapacitans, jo mere tid tager det for kondensatoren at oplade (eller aflade) fuldt ud og fungere som en “buffer” til enhver pludselig spændingsændring.
jo mindre både rm og cm bliver, desto mindre er tidskonstanten, og jo mindre tid er der brug for for at ændre en aksons spænding.
en “ideel neuron” ville have en uendelig høj længdekonstant og en uendelig lav tidskonstant. Således vil enhver spændingsændring overalt i neuronen øjeblikkeligt ændre spændingen overalt ellers i neuronen.
både tidskonstanten og længdekonstanten er “passive” egenskaber for neuronerne. Så hvordan stopper dine neuroner elektriske signaler fra forfald til nul? Ved at blive “aktiv” og bruge ionkanaler! Dine neuroner bruger natrium-og kaliumkanaler til at regenerere handlingspotentialet, der strømmer ned i aksonet for at “bekæmpe forfaldet”, der opstår på grund af længde-og tidskonstanterne. Som et handlingspotentiale brænder ned din akson, natrium-og kaliumkanaler åbnes og lukkes løbende for at genoplade handlingspotentialet og “udbrede det” ned ad aksonet.
som du ved fra det foregående regnormeksperiment, har denne aktionspotentialeudbredelse ned ad en neuron en endelig hastighed. Hver gang en ionkanal skal åbnes for at genoplade handlingspotentialet, forsinker dette udbredelsen af handlingspotentialet med ~1 ms. og jo mindre din længdekonstant er, jo mere skal du regenerere handlingspotentialet ved at have ionkanaler åbne langs aksonlængden. Hvordan kan vi øge længden konstant? Vi kan gøre dette ved at øge rm. Er der en måde, vi kan gøre dette på?
Ja! Vi kan øge rm ved at pakke neuronen ind….
Myelin er en fedtholdig belægning, der produceres af specielle celler, der kaldes Schvann-celler og oligodendrocytter. Denne dækning er det, der får aksonerne til at ligne hotdogruller, og hvorfor hjernen undertiden kaldes en “klump fedt.”Denne fede belægning gør den neurale membran mindre utæt og øger rm væsentligt.
men hvad tror du, der ville ske, hvis du dækkede hele aksonet i myelin? Desværre øges længdekonstanten ikke nok til, at du kan slippe af sted med dette. Handlingspotentialet skal stadig regenereres langs aksonet, dog ikke så mange gange som en umyeliniseret akson.
dette er grunden til, at myelinskeden er diskontinuerlig, med periodiske eksponerede bits af neural membran kaldet “noder af Ranvier.”I disse knuder dækker ingen myelin membranen, og der er masser af aktive ionkanaler der. Den diskrete regenerering af handlingspotentialer mellem længder af myelin ved knudepunkterne i Ranvier kaldes “saltatorisk ledning.”
men vent! At dække neuronerne med myelin gør indersiden og ydersiden af den neurale membran længere adskilt fra hinanden. Da kapacitans påvirkes af afstanden til adskillelse mellem de ladede kroppe (se din Haliday og Resnick), vil myelin falde cm. Medfører dette også et fald i tidskonstant? Nå, måske ikke, da myelin, som vi sagde tidligere, også øger rm væsentligt.
resultatet af denne samtidige reduktion i cm og stigning i rm antages ikke at forårsage nogen nettoændring i tidskonstanten, selvom der mangler direkte eksperimentelle beviser i litteraturen. Hvis du har to aksoner med samme diameter, og den ene har en myelinskede på 1 mm tykkelse, og den anden har en myelinskede på 2 mm tykkelse, hvor meget hurtigere vil den anden akson være? Desværre synes dette svar igen at være eksperimentelt ukendt, da neuroner med øget myelintykkelse også samtidig har øget aksondiameter. Hvad der generelt er blevet bekræftet med computersimuleringer er, at en myelineret neuron dobbelt så tyk som en anden myelineret neuron vil have en ledningshastighed dobbelt så hurtig.
der er en anden måde at øge ledningshastigheden uden at genere med alle disse specielle celler, der belægger neuronerne med fedt. Denne metode er også, hvad mange hvirvelløse dyr bruger…
jo større aksonens radius er, desto mindre vil både ri og rm være. Husk vores længde konstant ligning siger, at :
hvis både toppen og bunden varierer med radius… det ser ud til, at størrelsen på aksonet overhovedet ikke ville gøre en forskel! Men lad os se nøje på, hvordan disse to værdier varierer med aksonstørrelsen. Membranmodstanden (rm) ændres med omkredsen af aksonet (hvor membranen er) som sådan:
mens den indre modstand ændres med aksonområdet.
både Ri og Rm er konstanter, der kan måles fra neuronen uanset dens størrelse, (mens ri og rm tager højde for størrelse), er kursen 3,14, og radius er aksonens radius. Så lad os nu se på den ligning igen:
vi er interesserede i at se, hvad der ændrer sig, når vi ændrer størrelsen på aksonet (radius), så vi vil fjerne ting, der er konstanter, og se, hvad der er tilbage, der ændrer sig. Både Rm og Ri er konstanter, så er 2 og kr., og en radius annullerer ud. Vi står tilbage med simpelthen det:
således skal længden konstant og ledningshastigheden skaleres med kvadratroden af radiusen.
Bemærk, at fordelene ved myelin væsentligt opvejer fordelene ved akson diameter størrelse. Tredobling af myelintykkelsen øger ledningshastigheden 3 gange, mens tredobling af aksondiameteren kun øger ledningshastigheden med kvadratroden på 3 eller 1,7 gange. Der er dog en metabolisk pris for at gøre myelin (du skal holde de specielle celler i LIVE, der dækker neuronerne i fedt), så det er ikke den perfekte løsning til alle dyr. Men…selv de største aksoner uden myelin i dyreriget, såsom blæksprutte kæmpe akson med en diameter på 1 mm, har kun en ledningshastighed på 20-25 m/s sekund! Du har myelinerede aksoner i din krop (a-alfa-fibrene), der kun er 13-20 liter i diameter (1/100 af størrelsen på blæksprutteaksonet), men alligevel har ledningshastigheder, der er 80-120 m/s! Myelin er en vidunderlig biologisk opfindelse, der gør det muligt for neuroner at blive både små og hurtige, men det er dyrt.
lyd forvirrende? Bare rolig, det var også forvirrende for os under vores uddannelse. Velkommen til” Cable Theory”, som oprindeligt blev udviklet i 1800-tallet, da ingeniører forsøgte at forstå signaloverførsel på tværs af langdistance telegraflinjer. Neuroscientists anvendte derefter denne teori på neuroner i det tidlige 20.århundrede.
men hvad betyder al denne kabelteori med hensyn til de to nervetyper i regnormen? Da MGN er 1,4 gange større i størrelse end LGN, bør vi forvente, at det bliver 1,18 gange hurtigere. Vi har tidligere målt LGN til at være ~10-14 m/s, så vi ville forvente, at MGN var 12 – 17 m/s. Det er en lille forskel for vores udstyr at opdage, men lad os prøve eksperimentet for at se, om vores resultater matcher teorien!
Hent
Video
Bemærk: videoen nedenfor er en nyere juli 2015 video på vores orm stretch eksperiment, men fungerer som en tutorial til at bruge vores nye program, og proceduren er meget ens. Du kan se den originale video fra December 2012 her.
Video
Procedure
De Materialer, Der Kræves Til Dette Laboratorium, Er Nøjagtigt De Samme Som Eksperimentet: Introduktion til ledningshastighed (Neural hastighed)
- bedøve og tage en optagelse af den bageste ende af ormen, som du gjorde i det foregående eksperiment.
- når du har fået flere pigge, skal du dreje ormen 180 grader og placere elektroderne igen. Du måler fra den forreste ende af ormen denne gang.
- Optag nu flere pigge fra den forreste ende ved at røre ormens hoved med en træprobe. Når du har flere pigge, kan du stoppe optagelsen og returnere ormen til jorden. Regnormen er ret elastisk og kommer sig godt efter dette eksperiment.
- nu er du klar til at se på dine data. Du skal se en flad linje eller overdreven støj, når du vendte elektroderne rundt. Dette fungerer som din tidsmarkør for, hvornår du vendte ormen, og nu ved du, hvilke pigge der hører til den bageste ende, og hvilke pigge der hører til den forreste ende. Figuren nedenfor viser en optagelse af elektrode 1 på bunden og elektrode 2 på toppen.
- du kan nu forstørre dine pigge og måle ledningshastigheden. Tag aflæsninger på 5-6 pigge.
- gentag eksperimentet flere gange med nogle orme. Dette giver dig et godt datasæt at arbejde med. Glem ikke at rengøre dine elektroder med lidt alkohol eller vand og et papirhåndklæde efter hver orm.
- du skal nu køre en statistisk test, nemlig T-testen, for at undersøge, om ledningshastighederne er forskellige for de to nerver. Hvis du endnu ikke ved, hvordan du gør dette, kan du tage dit datasæt og følge med i vores lektionsplan for statistik. Hvis du har lavet denne lektionsplan eller har en vis erfaring med statistik, kan du gå videre og udføre beregningerne nedenfor.
- Tag gennemsnittet og standardafvigelsen af dine MGN-og LGN-optagelser.
- lad os endelig beregne vores T-statistik og p-værdi.
hvad fandt du? Er de to ledningshastigheder forskellige fra hinanden?
Diskussion
hvis dit eksperiment var vellykket, skulle du have fundet ud af, at MGN (anterior end) ledningshastigheden faktisk var betydeligt hurtigere, men ikke 1.2 gange hurtigere, men mere som 2-4 gange hurtigere! Hvorfor er det? Du kan huske, at regnormneuronerne faktisk er myelinerede! Nogle hvirvelløse dyr, såsom nogle rejer og nogle orme, har faktisk myelin.
typisk, når akson øger dens diameter, øges dens myelintykkelse også. Måske har MGN også en tykkere myelinskede. Dette ville gøre for en fremragende histologi projekt at finde ud af. Lad os vide, hvis du er op til udfordringen, og lad os vide, hvad du finder!
hvis du har en ide om, hvad der forårsager denne uventet store forskel, vil vi meget gerne høre om det. Måske ved din professor det? Velkommen til biologi og uventede resultater! Også, hvis du forstår, hvorfor det at have en længere tid konstant øger ledningshastigheden, så lad os også vide det.
spørgsmål at overveje
- har bedøvelsesmidlet en effekt på ledningshastighederne for MGN og LGN?
- har en orms generelle størrelse en effekt på ledningshastigheden?
- du kan også bedøve ormen i en 40% – 60% kulsyreholdig vandopløsning i 5-9 minutter som et alternativt bedøvelsesmiddel. Vil dette ændre ledningshastighedsmålingerne.
- ormen Lumbriculus variegatus (California Blackorm) har faktisk en større LGN end MGN, så vi forventer, at vores resultater er det modsatte af det, vi observerede her med vores Lumbricus terrestris nightcravers. Gør dette eksperiment og lad os vide, hvad du finder!
- hvor tyk er myelin? Vi har ikke adgang til omfattende histologi ressourcer, men du kan. Hvorfor ikke tage nogle skiver af regnormen, måle aksondiameteren og myelintykkelsen på begge nerver og rapportere tilbage til os?
fejlfinding
dette kan undertiden være et vanskeligt eksperiment, fordi ormen muligvis ikke producerer pigge afhængigt af mængden og tidspunktet for det anvendte bedøvelsesmiddel såvel som ormens generelle helbred. Hvis du holder dig til 10% alkoholopløsningen i cirka 3-6 minutter, skal ormen producere pigge det meste af tiden, så snart du starter (glem ikke at vaske ormen i vand, når du har bedøvet den).
du kan også prøve at røre ormen med mere eller mindre pres. Nogle gange fungerer et meget lille tryk, andre gange kan det være nødvendigt med en stærkere presse. Nogle orme reagerer bedre på en stimulus i slutningen af deres kroppe, mens andre reagerer bedre på en stimulus et par centimeter indad.
endelig vil du nogle gange forårsage en artefakt, når du rører ormen. Når man ser nøje på artefaktbølgeformerne, vises artefakterne på nøjagtig det samme på begge kanaler. Dette er en falsk spike og ikke fysiologisk! Nogle gange hjælper tørring af din sonde med jævne mellemrum; rehydrer heller ikke ormen i vand for meget (men pas også på ikke at tørre ormen ud). Det er en omhyggelig balance, og du vil udvikle din egen stil og teknik, når du får erfaring.
du kan også bruge en luftstimulering fra en luftdåse i stedet for en plastik -, træ-eller glasspids, hvis du får for mange falske pigge. Du kan også vende ormen over, så den ventrale eller nederste side vender opad. At gøre dette betyder, at når du rører ormen med din sonde, vil berøringen være tættere på nerven.