Experiment: Vergleich der Geschwindigkeiten von zwei Nervenfasergrößen

Hintergrund

Hinweis: Dieses Experiment wurde von der American Physiological Society in der Zeitschrift „Advances in Physiology Education“ von Experten begutachtet und veröffentlicht.

Zuvor haben Sie gelernt, die Leitungsgeschwindigkeit aus dem Nervenfasersystem des Regenwurms zu messen. Sie erinnern sich, dass der Wurm drei große Neuronen hat, die sich über die gesamte Länge seines Körpers erstrecken, den medialen Riesennerv (MGN) und die beiden fusionierten lateralen Riesennerven (LGN).

Schauen wir uns den ventralen oder „unteren“ Nervenstrang genauer an, der diese medialen und lateralen Riesennerven enthält. Einer der Unterschiede zwischen Wirbellosen (Insekten, Würmer usw.) und Wirbeltieren (Hunde, Eidechsen, wir) besteht darin, dass Wirbellose ein ventrales Nervenmark haben (das entlang ihres „Bauches“ verläuft), während wir ein dorsales Nervenmark haben (unser Rückenmark verläuft entlang unserer Rückseite).

Sowohl das MGN als auch das LGN spielen eine wichtige Rolle bei der Sicherstellung, dass die Sinne des Wurms mit seinen Muskeln kommunizieren (Drewes et al. 1978). Das MGN überträgt sensorische Informationen über die Vorderseite oder Vorderseite des Wurms (das Ende, das dem Clitellum am nächsten liegt). Im Gegensatz dazu überträgt das LGN sensorische Informationen über den hinteren oder hinteren Teil des Wurms (das Ende, das am weitesten vom Clitellum entfernt ist). Es gibt auch einen physischen Größenunterschied zwischen diesen beiden Systemen. Der mediale Riesennerv ist mit einem Durchmesser von 0,07 mm etwas breiter als der laterale Riesennerv (0.05 mm Durchmesser) (Kladt et. al 2010).

Im vorherigen Regenwurmexperiment haben Sie vom hinteren oder hinteren Ende des Wurms aufgezeichnet und die Leitungsgeschwindigkeit für das LGN bestimmt. Für dieses Experiment zeichnen Sie sowohl vom hinteren (LGN) als auch vom vorderen Ende des Wurms (MGN) auf. Wir wollen herausfinden, ob es einen Unterschied in der Leitungsgeschwindigkeit zwischen den beiden Nerven gibt. Glaubst du, es wird einen Unterschied geben? Betrachten wir einige…..

Wenn man darüber nachdenkt, wie sich ein Aktionspotential entlang des Axons eines Neurons bewegt, ist es nützlich, über eine Analogie der Lautstärke eines Fernsehers nachzudenken. Denken Sie daran, Ihren Fernseher einzuschalten und dann langsam davon wegzugehen. Wie Sie weiter und weiter weg gehen, was passiert?

Der Ton aus dem Lautsprecher wird leiser und leiser, je weiter Sie von der Quelle entfernt sind. Dieses Beispiel ist analog zu einer Spannungsänderung (Basis eines Aktionspotentials), die das Axon eines Neurons hinunterfließt. Lassen Sie uns in einem hypothetischen Neuron mit entfernten aktiven Ionenkanälen die Spannung im Zellkörper ändern und drei Messungen entlang des Axons durchführen. Wie denken Sie, werden die Messungen aussehen?

Beachten Sie, dass das Signal abklingt. Die Stärke dieses Zerfalls wird durch zwei Dinge bestimmt, die Zeitkonstante und die Längenkonstante. Zeit für Mathematik und Elektronik, unsere Lieblingsfächer (neben Neuronen natürlich).

Was bedeuten die r’s und c’s? r ist „Widerstand“ gegen den Stromfluss und c ist „Kapazität“, ein Maß für die Speicherung von Ladung über eine isolierende Barriere.

Lassen Sie uns zuerst über die Längenkonstante sprechen (dies wird manchmal auch als „Raumkonstante“ bezeichnet). Die Längenkonstante (λ oder Lambda) ist ein Maß dafür, wie weit die Spannung durch das Axon wandert, bevor sie auf Null abklingt. Wenn Sie eine Längenkonstante von 1 mm haben, dh 1 mm vom Zellkörper entfernt in einem Axon, verbleiben 37% der Spannungsgröße. Bei 2 mm Entfernung vom Zellkörper in einem Axon verbleiben 14% der Magnitude und bei 3 mm Entfernung 5%. Dies ist repräsentativ für eine „exponentielle Zerfallsfunktion“.

Die Längenkonstante wird aus rm und ri berechnet. rm ist der elektrische Widerstand der Membran des Neurons oder wie „elektrisch undicht“ es ist. Je größer rm („less leaky“) ist, desto größer wird die Längenkonstante. ri ist der Widerstand der intrazellulären Flüssigkeit (Axoplasma genannt) im Axon. Umgekehrt ist die Längenkonstante umso größer, je niedriger ri ist.

Die Zeitkonstante (Τ oder tau) ähnelt der Längenkonstante, gilt jedoch für die Zeit. Wenn eine Spannungsänderung innerhalb eines Neurons angelegt wird, dauert es einige Zeit, bis das Neuron vollständig auf eine stabile Spannung „aufgeladen“ ist. In der Zeitkonstantengleichung ist cm die Kapazität der neuralen Membran, die ein Maß für die Fähigkeit der Membran ist, Ladung zu speichern. Je höher die Kapazität, desto mehr Zeit benötigt der Kondensator, um sich vollständig aufzuladen (oder zu entladen), und wirkt als „Puffer“ für plötzliche Spannungsänderungen.

Je kleiner also sowohl rm als auch cm werden, desto kleiner ist die Zeitkonstante und desto weniger Zeit wird benötigt, um die Spannung eines Axons zu ändern.

Ein „ideales Neuron“ hätte eine unendlich hohe Längenkonstante und eine unendlich niedrige Zeitkonstante. Somit würde jede Spannungsänderung irgendwo im Neuron sofort die Spannung überall sonst im Neuron ändern.

Sowohl die Zeitkonstante als auch die Längenkonstante sind „passive“ Eigenschaften der Neuronen. Wie verhindern Ihre Neuronen, dass elektrische Signale auf Null abfallen? Indem Sie „aktiv“ werden und Ionenkanäle nutzen! Ihre Neuronen verwenden Natrium- und Kaliumkanäle, um das Aktionspotential zu regenerieren, das durch das Axon fließt, um „den Zerfall zu bekämpfen“, der aufgrund der Längen- und Zeitkonstanten auftritt. Wenn ein Aktionspotential Ihr Axon abfeuert, öffnen und schließen sich Natrium- und Kaliumkanäle kontinuierlich, um das Aktionspotential aufzuladen und es im Axon zu „propagieren“.

Wie Sie aus dem vorherigen Regenwurmexperiment wissen, hat diese Aktionspotentialausbreitung in einem Neuron eine endliche Geschwindigkeit. Jedes Mal, wenn sich ein Ionenkanal öffnen muss, um das Aktionspotential aufzuladen, verzögert dies die Ausbreitung des Aktionspotentials um ~ 1 ms. Und je kleiner Ihre Längenkonstante ist, desto mehr müssen Sie das Aktionspotential regenerieren, indem Sie Ionenkanäle entlang der Länge des Axons öffnen. Wie können wir die Längenkonstante erhöhen? Wir können dies tun, indem wir rm erhöhen. Gibt es eine Möglichkeit, dies zu tun?

Ja! Wir können rm erhöhen, indem wir das Neuron einwickeln….

Myelin ist eine Fettschicht, die von speziellen Zellen namens Schwann-Zellen und Oligodendrozyten produziert wird. Diese Abdeckung macht die Axone ähnlich wie Hot Dog Rolls, und warum das Gehirn manchmal als „Fettklumpen“ bezeichnet wird.“ Diese fettige Hülle macht die Nervenmembran weniger undicht und erhöht die rm erheblich.

Aber was denkst du würde passieren, wenn du das ganze Axon im Myelin bedeckst? Leider ist die Längenkonstante nicht groß genug, um damit durchzukommen. Das Aktionspotential muss noch entlang des Axons regeneriert werden, wenn auch nicht so oft wie ein unmyelinisiertes Axon.

Aus diesem Grund ist die Myelinscheide diskontinuierlich, mit periodisch freiliegenden Teilen der neuralen Membran, die als „Ranvier-Knoten“ bezeichnet werden.“ In diesen Knoten bedeckt kein Myelin die Membran, und dort befinden sich viele aktive Ionenkanäle. Die diskrete Regeneration von Aktionspotentialen zwischen Myelinlängen an den Ranvier-Knoten wird als „Salzleitung“ bezeichnet.“

Verwandte Tatsache: Saltar ist Spanisch für „springen.“ Eine Heuschrecke, die zum Beispiel in den Anden lebt, heißt „Saltamontes“ oder „Bergspringer“.“

Aber warte! Durch das Abdecken der Neuronen mit Myelin werden die Innen- und Außenseite der Neuralmembran weiter voneinander entfernt. Da die Kapazität durch den Abstand zwischen den geladenen Körpern beeinflusst wird (siehe Haliday und Resnick), nimmt das Myelin um cm ab. Führt dies dann auch zu einer Abnahme der Zeitkonstante? Nun, vielleicht nicht, da, wie wir bereits sagten, das Myelin auch rm wesentlich erhöht.

Es wird angenommen, dass das Ergebnis dieser gleichzeitigen Verringerung von cm und Erhöhung von rm keine Nettoänderung der Zeitkonstante verursacht, obwohl direkte experimentelle Beweise in der Literatur fehlen. Wenn Sie zwei Axone mit gleichem Durchmesser haben und eines eine Myelinscheide von 1 mm Dicke und das andere eine Myelinscheide von 2 mm Dicke hat, wie viel schneller wird das zweite Axon sein? Leider scheint auch diese Antwort experimentell unbekannt zu sein, da Neuronen mit erhöhter Myelindicke gleichzeitig auch einen erhöhten Axondurchmesser aufweisen. Was im Allgemeinen mit Computersimulationen bestätigt wurde, ist, dass ein myelinisiertes Neuron, das doppelt so dick ist wie ein anderes myelinisiertes Neuron, eine doppelt so schnelle Leitungsgeschwindigkeit hat.

Es gibt eine andere Möglichkeit, die Leitungsgeschwindigkeit zu erhöhen, ohne sich um all diese speziellen Zellen zu kümmern, die die Neuronen mit Fett überziehen. Diese Methode verwenden auch viele Wirbellose…

Je größer der Radius des Axons ist, desto kleiner sind sowohl ri als auch rm. Denken Sie daran, unsere Längenkonstante Gleichung besagt, dass :

Wenn sowohl oben als auch unten mit dem Radius variieren… es scheint, als würde die Größe des Axons überhaupt keinen Unterschied machen! Aber schauen wir uns genau an, wie diese beiden Werte mit der Größe des Axons variieren. Der Membranwiderstand (rm) ändert sich mit dem Umfang des Axons (wo sich die Membran befindet) wie folgt:

während sich der Innenwiderstand mit der Fläche des Axons ändert.

Sowohl Ri als auch Rm sind Konstanten, die unabhängig von ihrer Größe vom Neuron gemessen werden können (während ri und rm die Größe berücksichtigen), π ist 3,14 und Radius ist der Radius des Axons. Schauen wir uns diese Gleichung noch einmal an:

Wir sind daran interessiert zu sehen, was sich ändert, wenn wir die Größe des Axons (Radius) ändern. Sowohl Rm als auch Ri sind Konstanten, ebenso 2 und π, und ein Radius hebt sich auf. Wir sind mit einfach links, dass:

Somit skaliert die Längenkonstante und die Leitungsgeschwindigkeit mit der Quadratwurzel des Radius.

Beachten Sie, dass die Vorteile von Myelin die Vorteile der Axondurchmessergröße wesentlich überwiegen. Die Verdreifachung der Myelindicke erhöht die Leitungsgeschwindigkeit um das 3-fache, während die Verdreifachung des Axondurchmessers die Leitungsgeschwindigkeit nur um die Quadratwurzel von 3 oder das 1,7-fache erhöht. Es gibt jedoch metabolische Kosten für die Herstellung von Myelin (Sie müssen die speziellen Zellen am Leben erhalten, die die Neuronen mit Fett überziehen), so dass es nicht die perfekte Lösung für alle Tiere ist. Aber…selbst die größten Axone ohne Myelin im Tierreich, wie das 1 mm Durchmesser große Tintenfisch-Riesenaxon, haben nur eine Leitungsgeschwindigkeit von 20-25 m / s Sekunde! Sie haben myelinisierte Axone in Ihrem Körper (die A-Alpha-Fasern), die nur einen Durchmesser von 13-20 µm haben (1/100 der Größe des Squid-Axons), aber Leitungsgeschwindigkeiten von 80-120 m / s haben! Myelin ist eine wunderbare biologische Erfindung, die es Neuronen ermöglicht, sowohl klein als auch schnell zu werden, aber es ist teuer.

Klingt verwirrend? Keine Sorge, es war auch für uns während unserer Ausbildung verwirrend. Willkommen bei der „Kabeltheorie“, die ursprünglich in den 1800er Jahren entwickelt wurde, als Ingenieure versuchten, die Signalübertragung über Ferntelegrafenleitungen zu verstehen. Neurowissenschaftler wendeten diese Theorie dann im frühen 20.

Aber was bedeutet all diese Kabeltheorie in Bezug auf die beiden Nerventypen im Regenwurm? Da das MGN 1,4-mal größer ist als das LGN, sollten wir erwarten, dass es 1,18-mal schneller ist. Wir haben zuvor den LGN mit ~ 10-14 m / s gemessen, daher würden wir erwarten, dass der MGN 12-17 m / s beträgt. Das ist ein kleiner Unterschied für unsere Ausrüstung zu erkennen, aber versuchen wir das Experiment, um zu sehen, ob unsere Ergebnisse mit der Theorie übereinstimmen!

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Video

Hinweis: Das folgende Video ist ein neueres Video vom Juli 2015 zu unserem Wurmdehnungsexperiment, dient jedoch als Tutorial zur Verwendung unserer neuen Software, und das Verfahren ist sehr ähnlich. Das Video vom Dezember 2012 könnt ihr euch hier ansehen.

Video

Vorgehensweise

Die für dieses Labor benötigten Materialien sind genau die gleichen wie für das Experiment: Einführung in die Leitungsgeschwindigkeit (neuronale Geschwindigkeit)

1. Betäuben Sie das hintere Ende des Wurms und zeichnen Sie es wie im vorherigen Experiment auf.
   
2. Sobald Sie mehrere Spikes erhalten haben, drehen Sie die Schnecke um 180 Grad und positionieren Sie die Elektroden neu. Sie werden dieses Mal vom vorderen Ende des Wurms aus messen.
   
3. Zeichnen Sie nun mehrere Stacheln vom vorderen Ende auf, indem Sie den Kopf des Wurms mit einer Holzsonde berühren. Sobald Sie mehrere Stacheln haben, können Sie die Aufnahme beenden und den Wurm in seinen Boden zurückbringen. Der Regenwurm ist ziemlich widerstandsfähig und erholt sich gut von diesem Experiment.
4. Jetzt können Sie sich Ihre Daten ansehen. Sie sollten eine flache Linie oder übermäßiges Rauschen sehen, wenn Sie die Elektroden umdrehen. Dies dient als Zeitmarkierung, wann Sie den Wurm umgedreht haben, und jetzt wissen Sie, welche Stacheln zum hinteren Ende und welche Stacheln zum vorderen Ende gehören. Die folgende Abbildung zeigt eine Aufnahme der Elektrode 1 unten und der Elektrode 2 oben.
   
5. Sie können jetzt Ihre Spikes vergrößern und die Leitungsgeschwindigkeit messen. Nehmen Sie Messwerte von 5-6 Spikes.
   
6. Wiederholen Sie das Experiment mehrmals mit einigen Würmern. Dies gibt Ihnen einen guten Datensatz, mit dem Sie arbeiten können. Vergessen Sie nicht, Ihre Elektroden nach jedem Gebrauch mit etwas Alkohol oder Wasser und einem Papiertuch zu reinigen.
   
7. Sie müssen nun einen statistischen Test, nämlich den T-Test, durchführen, um zu untersuchen, ob die Leitungsgeschwindigkeiten für die beiden Nerven unterschiedlich sind. Wenn Sie noch nicht wissen, wie das geht, können Sie Ihren Datensatz mitnehmen und in unserem Statistik-Unterrichtsplan mitverfolgen. Wenn Sie diesen Unterrichtsplan erstellt haben oder Erfahrung mit Statistiken haben, können Sie die folgenden Berechnungen durchführen.
8. Nehmen Sie den Durchschnitt und die Standardabweichung Ihrer MGN- und LGN-Aufnahmen.
   
9. Schließlich berechnen wir unsere t-Statistik und p-Wert.
   

   Was haben Sie gefunden? Unterscheiden sich die beiden Leitungsgeschwindigkeiten voneinander?

Wenn Ihr Experiment erfolgreich war, hätten Sie feststellen müssen, dass die MGN-Leitungsgeschwindigkeit (anteriores Ende) tatsächlich signifikant schneller war, aber nicht 1.2x schneller, aber eher 2-4x schneller! Warum ist das so? Sie erinnern sich vielleicht, dass die Regenwurmneuronen tatsächlich myelinisiert sind! Einige wirbellose Tiere, wie einige Garnelen und einige Würmer, haben tatsächlich Myelin.

Typischerweise nimmt mit zunehmendem Durchmesser des Axons auch seine Myelindicke zu. Vielleicht hat das MGN auch eine dickere Myelinscheide. Dies wäre ein hervorragendes Histologieprojekt, um dies herauszufinden. Lassen Sie uns wissen, ob Sie der Herausforderung gewachsen sind, und lassen Sie uns wissen, was Sie finden!

Wenn Sie eine Vorstellung davon haben, was diesen unerwartet großen Unterschied verursacht, würden wir uns freuen, davon zu hören. Vielleicht weiß es dein Professor? Willkommen in der Biologie und unerwartete Erkenntnisse! Wenn Sie verstehen, warum eine längere Zeitkonstante die Leitungsgeschwindigkeit erhöht, lassen Sie es uns auch wissen.

Zu berücksichtigende Fragen

1. Wirkt sich das Anästhetikum auf die Leitungsgeschwindigkeiten von MGN und LGN aus?
2. Hat die allgemeine Größe einer Schnecke einen Einfluss auf die Leitungsgeschwindigkeit?
3. Sie können den Wurm auch in einer 40% – 60% igen kohlensäurehaltigen Wasserlösung für 5-9 Minuten als alternatives Anästhetikum betäuben. Wird dies die Leitungsgeschwindigkeitsmessungen ändern.
4. Der Wurm Lumbriculus variegatus (California Blackworm) hat tatsächlich ein größeres LGN als MGN, so dass wir erwarten würden, dass unsere Ergebnisse das Gegenteil von dem sind, was wir hier mit unseren Lumbricus terrestris nightcrawlers beobachtet haben. Machen Sie dieses Experiment und lassen Sie uns wissen, was Sie finden!
5. Wie dick ist das Myelin? Wir haben keinen Zugang zu umfangreichen histologischen Ressourcen, aber Sie können. Warum nicht ein paar Scheiben des Regenwurms nehmen, den Axondurchmesser und die Myelindicke an beiden Nerven messen und uns Bericht erstatten?

Fehlerbehebung

Dies kann manchmal ein schwieriges Experiment sein, da der Wurm je nach Menge und Zeit des verwendeten Anästhetikums sowie des allgemeinen Zustands des Wurms möglicherweise keine Spitzen erzeugt. Wenn Sie sich etwa 3-6 Minuten an die 10% ige Alkohollösung halten, sollte der Wurm die meiste Zeit Spikes produzieren, sobald Sie anfangen (vergessen Sie nicht, den Wurm nach der Narkose in Wasser zu waschen).

Sie können auch versuchen, den Wurm mit mehr oder weniger Druck zu berühren. Manchmal funktioniert ein sehr kleines Tippen, manchmal ist ein stärkeres Drücken erforderlich. Einige Würmer reagieren besser auf einen Reiz am Ende ihres Körpers, während andere besser auf einen Reiz ein paar Zentimeter nach innen reagieren.

Schließlich verursachen Sie manchmal ein Artefakt, wenn Sie den Wurm berühren. Wenn Sie die Artefaktwellenformen genau betrachten, erscheinen die Artefakte auf beiden Kanälen genau gleich. Dies ist eine gefälschte Spitze und nicht physiologisch! Manchmal hilft es, die Sonde regelmäßig zu trocknen; Rehydrieren Sie den Wurm auch nicht zu stark in Wasser (achten Sie jedoch darauf, den Wurm nicht auszutrocknen). Es ist eine sorgfältige Balance, und Sie werden Ihren eigenen Stil und Ihre eigene Technik entwickeln, wenn Sie Erfahrungen sammeln.

Sie können auch einen Luftreiz aus einer Luftdose anstelle einer Kunststoff-, Holz- oder Glasspitze verwenden, wenn Sie zu viele gefälschte Spikes erhalten. Möglicherweise möchten Sie den Wurm auch umdrehen, sodass die ventrale oder untere Seite nach oben zeigt. Dies bedeutet, wenn Sie den Wurm mit Ihrer Sonde berühren, ist die Berührung näher am Nerv.