Antecedentes
Nota: Este experimento fue revisado por pares y publicado por la Sociedad Fisiológica Americana en la revista «Avances en la Educación Fisiológica»-Lea el artículo, científicos intrépidos, para un tratamiento más profundo del experimento descrito a continuación.
Anteriormente, aprendió a medir la velocidad de conducción del sistema de fibra nerviosa de la lombriz de tierra. Recuerde que el gusano tiene tres neuronas grandes que recorren todo su cuerpo, el nervio gigante medial (GNM) y los dos nervios gigantes laterales fusionados (GNG).
Echemos un vistazo más de cerca al cordón nervioso ventral, o «inferior», que contiene estos nervios gigantes mediales y laterales. Una de las diferencias entre los invertebrados (insectos, gusanos, etc.) y los vertebrados (perros, lagartos, nosotros) es que los invertebrados tienen un cordón nervioso ventral (que corre a lo largo de su «vientre»), mientras que nosotros tenemos un cordón nervioso dorsal (nuestra médula espinal corre a lo largo de nuestra parte posterior).
Tanto la GNM como la NGN juegan un papel importante para asegurar que los sentidos del gusano se comuniquen con sus músculos (Drewes et al. 1978). El GNM transmite información sensorial sobre la parte anterior o frontal del gusano (el extremo más cercano al clítelo). En contraste, el LGN transmite información sensorial sobre la parte posterior o posterior del gusano (el extremo más alejado del clítelo). También hay una diferencia de tamaño físico entre estos dos sistemas. El nervio gigante medial, de 0,07 mm de diámetro, es ligeramente más ancho que el nervio gigante lateral (0.05 mm de diámetro) (Kladt et. al 2010).
En el experimento anterior con lombrices de tierra, se registró desde el extremo posterior o posterior del gusano y se determinó la velocidad de conducción para el LGN. Para este experimento, se registrarán los extremos posterior (LGN) y anterior del gusano (MGN). Queremos averiguar si hay alguna diferencia en la velocidad de conducción entre los dos nervios. ¿Crees que habrá alguna diferencia? Consideremos algunos…..
Cuando se piensa en cómo un potencial de acción viaja por el axón de una neurona, es útil pensar en una analogía del volumen de un televisor. Piense en encender su televisor y luego alejarse lentamente de él. A medida que caminas más y más lejos, ¿qué sucede?
El sonido que proviene del altavoz se vuelve más y más silencioso cuanto más lejos esté de la fuente. Este ejemplo es análogo a un cambio de voltaje (base de un potencial de acción) que fluye por el axón de una neurona. En una neurona hipotética con los canales iónicos activos eliminados, cambiemos el voltaje en el cuerpo celular y tomemos tres mediciones a lo largo del axón. ¿Cómo crees que se verán las medidas?
Observe que la señal decae. La fuerza de esta descomposición está determinada por dos cosas, la constante de tiempo y la constante de longitud. Tiempo para matemáticas y electrónica, nuestras asignaturas favoritas (además de neuronas, por supuesto).
¿Qué significan las r y las c? r es » Resistencia «al flujo de corriente, y c es» Capacitancia», una medida del almacenamiento de carga a través de una barrera aislante.
Primero, hablemos de la constante de longitud (a veces también se la llama «constante de espacio»). La constante de longitud (λ, o lambda) es una medida de cuán lejos viaja el voltaje por el axón antes de que decaiga a cero. Si tiene una constante de longitud de 1 mm, eso significa que a 1 mm del cuerpo celular en un axón, permanece el 37% de la magnitud del voltaje. A 2 mm del cuerpo celular en un axón, el 14% de la magnitud permanece, y a 3 mm de distancia, el 5% permanece. Esto es representativo de una función de» decaimiento exponencial».
La constante de longitud se calcula a partir de rm y ri. rm es la resistencia eléctrica de la membrana de la neurona, o cuán «eléctricamente permeable» es. Cuanto mayor sea rm («menos fugas»), mayor será la constante de longitud. la ir es la resistencia del líquido intracelular (llamado axoplasma) dentro del axón. Por el contrario, cuanto menor sea el ri, mayor será la constante de longitud.
La constante de tiempo (Τ, o tau) es similar a la constante de longitud, pero se aplica al tiempo. Si se aplica un cambio de voltaje dentro de una neurona, se necesita tiempo para que la neurona se «cargue» completamente a un voltaje estable. En la ecuación constante de tiempo, cm es la capacitancia de la membrana neural, que es una medida de la capacidad de la membrana para almacenar carga. Cuanto mayor sea la capacitancia, más tiempo tarda el condensador en cargarse completamente (o descargarse), actuando como un «amortiguador» ante cualquier cambio repentino de voltaje.
Por lo tanto, cuanto más pequeño se vuelve rm y cm, más pequeña es la constante de tiempo y menos tiempo se necesita para cambiar el voltaje de un axón.
Una «neurona ideal» tendría una constante de longitud infinitamente alta y una constante de tiempo infinitamente baja. Por lo tanto, cualquier cambio de voltaje en cualquier lugar de la neurona cambiaría instantáneamente el voltaje en cualquier otro lugar de la neurona.
Tanto la constante de tiempo como la constante de longitud son propiedades «pasivas» de las neuronas. Entonces, ¿cómo las neuronas detienen que las señales eléctricas se descompongan a cero? ¡Al volverse «activo» y usar canales Iónicos! Sus neuronas usan canales de sodio y potasio para regenerar el potencial de acción que fluye por el axón para «combatir la descomposición» que ocurre debido a las constantes de longitud y tiempo. A medida que un potencial de acción se dispara por el axón, los canales de sodio y potasio se abren y cierran continuamente para recargar el potencial de acción y «propagarlo» por el axón.
Como saben en el experimento anterior de lombriz de tierra, esta propagación potencial de acción a través de una neurona tiene una velocidad finita. Cada vez que un canal iónico necesita abrirse para recargar el potencial de acción, esto retrasa la propagación del potencial de acción en ~1 ms. Y cuanto más pequeña sea su constante de longitud, más tendrá que regenerar el potencial de acción al tener canales iónicos abiertos a lo largo del axón. ¿Cómo podemos aumentar la constante de longitud? Podemos hacer esto aumentando rm. ¿Hay alguna forma de hacer esto?
¡Sí! Podemos aumentar la rm envolviendo la neurona….
La mielina es una cubierta grasa producida por células especiales llamadas Células de Schwann y Oligodendrocitos. Esta cubierta es lo que hace que los axones se vean similares a los rollos de perritos calientes, y por qué el cerebro a veces se llama un «bulto de grasa».»Esta cubierta grasa hace que la membrana neural tenga menos fugas y aumenta la rm sustancialmente.
¿Pero qué crees que pasaría si cubrieras todo el axón con mielina? Desafortunadamente, la constante de longitud no aumenta lo suficiente como para salirse con la suya. El potencial de acción todavía necesita regenerarse a lo largo del axón, aunque no tantas veces como un axón no mielinado.
Esta es la razón por la que la vaina de mielina es discontinua, con partes de membrana neural expuestas periódicamente llamadas «Nodos de Ranvier».»En estos nodos no hay mielina que cubra la membrana, y allí residen muchos canales iónicos activos. La regeneración discreta de los potenciales de acción entre longitudes de mielina en los Nodos de Ranvier se denomina «conducción saltatoria».»
Pero espera! Cubrir las neuronas con mielina hace que el interior y el exterior de la membrana neural estén más separados entre sí. Como la capacitancia se ve afectada por la distancia de separación entre los cuerpos cargados (consulte su Haliday y Resnick), la mielina disminuirá cm. ¿Esto causa también una disminución de la constante de tiempo? Bueno, tal vez no, ya que, como dijimos antes, la mielina también aumenta sustancialmente la rm.
El resultado de esta reducción simultánea de la cm y el aumento de la rm se presume que no causa cambio neto en la constante de tiempo, aunque no hay evidencia experimental directa en la literatura. Si tiene dos axones de igual diámetro y uno tiene una vaina de mielina de 1 mm de espesor, y el otro tiene una vaina de mielina de 2 mm de espesor, ¿cuánto más rápido será el segundo axón? Desafortunadamente, de nuevo, esta respuesta parece ser experimentalmente desconocida, ya que las neuronas con un mayor grosor de mielina también tienen simultáneamente un mayor diámetro de axón. Lo que generalmente se ha confirmado con las simulaciones por computadora es que una neurona mielinizada dos veces más gruesa que otra neurona mielinizada tendrá una velocidad de conducción dos veces más rápida.
Hay otra forma de aumentar la velocidad de conducción sin molestarse con todas estas células especiales que cubren las neuronas con grasa. Este método es también el que usan muchos invertebrados…
Cuanto mayor sea el radio del axón, menor será el ri y el rm. Recuerde que nuestra ecuación constante de longitud establece que :
Si tanto la parte superior como la inferior varían con el radio… ¡parece que el tamaño del axón no haría ninguna diferencia en absoluto! Pero echemos un vistazo a cómo estos dos valores varían con el tamaño del axón. La resistencia de la membrana (rm) cambia con la circunferencia del axón (donde está la membrana) de la siguiente manera:
mientras que la resistencia interna cambia con el área del axón.
Tanto Ri como Rm son constantes que se pueden medir desde la neurona independientemente de su tamaño, (mientras que ri y rm TIENEN en cuenta el tamaño), π es 3.14, y radio es el radio del axón. Así que ahora veamos esa ecuación de nuevo:
Estamos interesados en ver qué cambia cuando cambiamos el tamaño del axón (radio), por lo que queremos eliminar las cosas que son constantes y ver lo que queda que cambia. Tanto Rm como Ri son constantes, también lo son 2 y π,y un radio se cancela. Nos queda simplemente eso:
Por lo tanto, la constante de longitud y la velocidad de conducción se escalan con la raíz cuadrada del radio.
Tenga en cuenta que los beneficios de la mielina superan sustancialmente los beneficios del tamaño del diámetro del axón. Triplicar el grosor de la mielina aumenta la velocidad de conducción 3 veces, mientras que triplicar el diámetro del axón solo aumenta la velocidad de conducción en la raíz cuadrada de 3, o 1,7 veces. Sin embargo, la fabricación de mielina tiene un costo metabólico (es necesario mantener vivas las células especiales que cubren las neuronas con grasa), por lo que no es la solución perfecta para todos los animales. Pero…incluso los axones más grandes sin mielina en el reino animal, como el axón gigante calamar de 1 mm de diámetro, solo tiene una velocidad de conducción de 20-25 m/s de segundo. Tiene axones mielinizados en su cuerpo (las fibras alfa A) que tienen solo 13-20 µm de diámetro (1/100 del tamaño del axón del calamar), ¡pero tiene velocidades de conducción que son de 80-120 m/s! La mielina es un invento biológico maravilloso, que permite que las neuronas se vuelvan pequeñas y rápidas, pero es cara.
¿Suena confuso? No te preocupes, también fue confuso para nosotros durante nuestra educación. Bienvenido a la «Teoría de cables», que se desarrolló originalmente en la década de 1800 cuando los ingenieros intentaban comprender la transmisión de señales a través de líneas telegráficas de larga distancia. Los neurocientíficos aplicaron esta teoría a las neuronas a principios del siglo XX.
Pero, ¿qué significa toda esta teoría del cable con respecto a los dos tipos de nervios en la lombriz de tierra? Dado que el MGN es 1,4 veces mayor en tamaño que el LGN, debemos esperar que sea 1,18 veces más rápido. Previamente medimos que el LGN era ~10-14 m/s, por lo que esperaríamos que el MGN fuera de 12 a 17 m / s. Esa es una pequeña diferencia para que nuestro equipo la detecte, ¡pero probemos el experimento para ver si nuestros resultados coinciden con la teoría!
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Video
Nota: El video a continuación es un video más reciente de julio de 2015 sobre nuestro experimento de estiramiento de gusano, pero sirve como tutorial para usar nuestro nuevo software, y el procedimiento es muy similar. Puede ver el video original de diciembre de 2012 aquí.
Video
Procedimiento
Los Materiales Necesarios Para Este Laboratorio Son Exactamente Los Mismos Que El Experimento: Introducción a la Velocidad de Conducción (Velocidad Neural)
- Anestesie y tome una grabación del extremo posterior del gusano como hizo en el experimento anterior.
- Una vez que obtenga varios picos, gire el gusano 180 grados y vuelva a colocar los electrodos. Esta vez se medirá desde el extremo anterior del gusano.
- Ahora registre varias puntas desde el extremo anterior tocando la cabeza del gusano con una sonda de madera. Una vez que tenga varios picos, puede detener la grabación y devolver el gusano a su suelo. La lombriz de tierra es bastante resistente y se recupera bien de este experimento.
- Ahora está listo para ver sus datos. Debería ver una línea plana o un ruido excesivo cuando voltea los electrodos. Esto sirve como su marcador de tiempo de cuando volteó el gusano, y ahora sabe qué picos pertenecen al extremo posterior y qué picos pertenecen al extremo anterior. La siguiente figura muestra un registro del electrodo 1 en la parte inferior y del electrodo 2 en la parte superior.
- Ahora puede hacer zoom en sus picos y medir la velocidad de conducción. Tome lecturas de 5-6 picos.
- Repita el experimento varias veces con algunos gusanos. Esto le dará un buen conjunto de datos para trabajar. No olvides limpiar tus electrodos con un poco de alcohol o agua y una toalla de papel después de cada gusano.
- Ahora necesita ejecutar una prueba estadística, a saber, la prueba T, para examinar si las velocidades de conducción son diferentes para los dos nervios. Si aún no sabe cómo hacerlo, puede tomar su conjunto de datos y seguir nuestro plan de lecciones de estadísticas. Si ha hecho este plan de lecciones o tiene alguna experiencia en estadísticas, puede seguir adelante y realizar los cálculos a continuación.
- Tome el promedio y la desviación estándar de sus grabaciones MGN y LGN.
- Finalmente, calculemos nuestro estadístico t y valor p.
¿Qué encontraste? ¿Las dos velocidades de conducción son diferentes entre sí?
Discusión
Si su experimento tuvo éxito, debería haber encontrado que la velocidad de conducción de la GNM (extremo anterior) era significativamente más rápida, pero no 1.2 veces más rápido, pero más como 2-4 veces más rápido! ¿Por qué es esto? Usted puede recordar que las neuronas de la lombriz de tierra son en realidad mielinizadas! Algunos invertebrados, como algunos camarones y algunos gusanos, en realidad tienen mielina.
Típicamente, a medida que el axón aumenta su diámetro, su grosor de mielina también aumenta. Quizás el GNM también tiene una vaina de mielina más gruesa. Esto sería un excelente proyecto histológico para averiguarlo. Háganos saber si está a la altura del desafío y háganos saber lo que encuentra.
Si tiene una idea sobre lo que causa esta diferencia inesperadamente grande, nos encantaría escucharlo. ¿Tal vez tu profesor lo sepa? Bienvenido a biología y hallazgos inesperados! Además, si entiende por qué tener una constante de tiempo más larga aumenta la velocidad de conducción, háganoslo saber también.
Preguntas
- ¿el anestésico tener un efecto sobre las velocidades de conducción de la GNM y LGN?
- ¿El tamaño general de un gusano tiene un efecto en la velocidad de conducción?
- También puede anestesiar el gusano en una solución de agua carbonatada al 40% – 60% durante 5-9 minutos como anestésico alternativo. Cambiará esto las mediciones de velocidad de conducción.
- El gusano Lumbriculus variegatus (gusano negro de California) en realidad tiene un LGN más grande que el MGN, por lo que esperaríamos que nuestros resultados fueran lo contrario de lo que observamos aquí con nuestros rondadores nocturnos Lumbricus terrestris. Haga este experimento y háganos saber lo que encuentra!
- ¿Qué tan gruesa es la mielina? No tenemos acceso a recursos histológicos extensos, pero usted puede. ¿Por qué no tomar algunas rebanadas de lombriz de tierra, medir el diámetro del axón y el grosor de la mielina en ambos nervios e informarnos?
Solución de problemas
Esto a veces puede ser un experimento difícil, porque el gusano puede no producir picos dependiendo de la cantidad y el tiempo de anestésico utilizado, así como de la salud general del gusano. Si se adhiere a la solución de alcohol al 10% durante aproximadamente 3-6 minutos, el gusano debe producir picos la mayor parte del tiempo tan pronto como comience (no olvide lavar el gusano en agua después de anestesiarlo).
También puede intentar tocar el gusano con más o menos presión. A veces funciona un grifo muy pequeño, otras veces se necesita una prensa más fuerte. Algunos gusanos responden mejor a un estímulo al final de sus cuerpos, mientras que otros responden mejor a un estímulo unos pocos centímetros hacia adentro.
Finalmente, a veces causará un artefacto cuando toque el gusano. Mirando de cerca las formas de onda del artefacto, los artefactos aparecerán exactamente iguales en ambos canales. ¡Esto es un pico falso y no fisiológico! A veces, secar la sonda periódicamente ayuda; tampoco rehidrate demasiado el gusano en agua(aunque también ten cuidado de no secarlo). Es un equilibrio cuidadoso, y desarrollarás tu propio estilo y técnica a medida que ganes experiencia.
También puede usar un estímulo de aire de una lata de aire en lugar de una punta de plástico, madera o vidrio si está recibiendo demasiadas púas falsas. También es posible que desee voltear el gusano para que el lado ventral o inferior esté hacia arriba. Hacer esto significa que cuando toque el gusano con su sonda, el tacto estará más cerca del nervio.