Esperimento: Confronto delle velocità di due dimensioni delle fibre nervose

Background

Nota: Questo esperimento è stato peer-reviewed e pubblicato dalla American Physiological Society sulla rivista “Advances in Physiology Education” – Leggi il documento, intrepid scientists, per un trattamento più approfondito dell’esperimento descritto di seguito.

In precedenza, hai imparato a misurare la velocità di conduzione dal sistema di fibre nervose del lombrico. Ti ricordi che il verme ha tre grandi neuroni che corrono per tutta la lunghezza del suo corpo, il nervo gigante mediale (MGN) e i due nervi giganti laterali fusi (LGN).

Diamo un’occhiata più da vicino al cordone nervoso ventrale, o “inferiore”, contenente questi nervi giganti mediali e laterali. Una delle differenze tra invertebrati (insetti, vermi e così via) e vertebrati (cani, lucertole, noi) è che gli invertebrati hanno un cordone nervoso ventrale (che corre lungo la loro “pancia”) mentre noi abbiamo un cordone nervoso dorsale (il nostro midollo spinale corre lungo la nostra parte posteriore).

Sia il MGN che l’LGN svolgono un ruolo importante nel garantire che i sensi del verme comunichino con i suoi muscoli (Drewes et al. 1978). Il MGN trasmette informazioni sensoriali sulla parte anteriore o anteriore del verme (l’estremità più vicina al clitoride). Al contrario, l’LGN trasmette informazioni sensoriali sul posteriore, o sul retro del verme (l’estremità più lontana dal clitoride). C’è anche una differenza di dimensioni fisiche tra questi due sistemi. Il nervo gigante mediale, con un diametro di 0,07 mm, è leggermente più largo del nervo gigante laterale (0.05 mm di diametro) (Kladt et. al 2010).

Nel precedente esperimento earthworm, hai registrato dalla parte posteriore, o dall’estremità posteriore del verme, e determinato la velocità di conduzione per l’LGN. Per questo esperimento, registrerai da entrambe le estremità posteriori (LGN) e anteriori del verme (MGN). Vogliamo scoprire se c’è qualche differenza nella velocità di conduzione tra i due nervi. Pensi che ci sarà qualche differenza? Consideriamo alcuni…..

Quando si pensa a come un potenziale d’azione viaggia lungo l’assone di un neurone, è utile pensare a un’analogia del volume di un televisore. Pensate di accendere il televisore e poi lentamente a piedi lontano da esso. Come si cammina sempre più lontano cosa succede?

Il suono proveniente dall’altoparlante diventa più silenzioso e silenzioso più lontano si è lontani dalla sorgente. Questo esempio è analogo a un cambiamento di tensione (base di un potenziale d’azione) che scorre lungo l’assone di un neurone. In un ipotetico neurone con i canali ionici attivi rimossi, cambiamo la tensione nel corpo cellulare e prendiamo tre misurazioni lungo l’assone. Come pensi che saranno le misurazioni?

Si noti che il segnale decade. La forza di questo decadimento è determinata da due cose, la costante di tempo e la costante di lunghezza. Tempo per un po ‘ di matematica ed elettronica, i nostri soggetti preferiti (oltre ai neuroni ovviamente).

Cosa significano le r e le c? r è ” Resistenza “al flusso di corrente e c è” Capacità”, una misura dello stoccaggio della carica attraverso una barriera isolante.

Per prima cosa, parliamo della costante di lunghezza (a volte è anche chiamata “costante di spazio”). La costante di lunghezza (λ, o lambda) è una misura di quanto la tensione viaggia lungo l’assone prima che decada a zero. Se si dispone di una costante di lunghezza di 1 mm, ciò significa che a 1 mm di distanza dal corpo cellulare in un assone, rimane il 37% della grandezza della tensione. A 2 mm di distanza dal corpo cellulare in un assone, rimane il 14% della grandezza e a 3 mm di distanza rimane il 5%. Questo è rappresentativo di una funzione di” decadimento esponenziale”.

La costante di lunghezza viene calcolata da rm e ri. rm è la resistenza elettrica della membrana del neurone, o come “elettricamente che perde” è. Più grande è rm (“meno che perde”), maggiore sarà la costante di lunghezza. ri è la resistenza del fluido intracellulare (chiamato axoplasm) all’interno dell’assone. Al contrario, più basso è il ri, maggiore sarà la costante di lunghezza.

La costante di tempo (Τ, o tau) è simile alla costante di lunghezza, ma si applica al tempo. Se una variazione di tensione viene applicata all’interno di un neurone, ci vuole tempo perché il neurone “carichi” completamente a una tensione stabile. Nell’equazione costante di tempo, cm è la capacità della membrana neurale, che è una misura della capacità della membrana di immagazzinare la carica. Maggiore è la capacità, più tempo ci vuole per il condensatore per caricare completamente (o scaricare), in qualità di “buffer” per qualsiasi cambiamento di tensione improvvisa.

Quindi, più piccoli diventano sia rm che cm, minore è la costante di tempo e minore è la quantità di tempo necessaria per modificare la tensione di un assone.

Un “neurone ideale” avrebbe una costante di lunghezza infinitamente alta e una costante di tempo infinitamente bassa. Quindi, qualsiasi cambiamento di tensione ovunque nel neurone cambierebbe istantaneamente la tensione ovunque nel neurone.

Sia la costante di tempo che la costante di lunghezza sono proprietà “passive” dei neuroni. Quindi, come fanno i tuoi neuroni a fermare i segnali elettrici dal decadimento a zero? Diventando “attivo” e utilizzando canali ionici! I tuoi neuroni usano i canali del sodio e del potassio per rigenerare il potenziale d’azione che scorre lungo l’assone per “combattere il decadimento” che si verifica a causa delle costanti di lunghezza e tempo. Mentre un potenziale d’azione spara verso il basso l’assone, i canali del sodio e del potassio si aprono e si chiudono continuamente per ricaricare il potenziale d’azione e “propagarlo” lungo l’assone.

Come sapete dal precedente esperimento lombrico, questa propagazione del potenziale d’azione lungo un neurone ha una velocità finita. Ogni volta che un canale ionico deve aprirsi per ricaricare il potenziale d’azione, questo ritarda la propagazione del potenziale d’azione di ~1 ms. E più piccola è la costante di lunghezza, più devi rigenerare il potenziale d’azione avendo canali ionici aperti lungo la lunghezza dell’assone. Come possiamo aumentare la costante di lunghezza? Possiamo farlo aumentando rm. C’e ‘ un modo per farlo?

Sì! Possiamo aumentare rm avvolgendo il neurone….

La mielina è una copertura grassa prodotta da cellule speciali chiamate cellule di Schwann e oligodendrociti. Questa copertura è ciò che rende gli assoni sembrano simili a panini hot dog, e perché il cervello è talvolta chiamato un “grumo di grasso.”Questa copertura grassa rende la membrana neurale meno che perde e aumenta rm sostanzialmente.

Ma cosa pensi che succederebbe se coprissi l’intero assone nella mielina? Sfortunatamente, la costante di lunghezza non è aumentata abbastanza per te da farla franca. Il potenziale d’azione deve ancora essere rigenerato lungo l’assone, anche se non tante volte come un assone non mielinato.

Questo è il motivo per cui la guaina mielinica è discontinua, con bit periodici esposti di membrana neurale chiamati “Nodi di Ranvier.”In questi nodi nessuna mielina copre la membrana e molti canali ionici attivi risiedono lì. La rigenerazione discreta dei potenziali di azione fra le lunghezze di mielina ai nodi di Ranvier è chiamata “conduzione saltatoria.”

Fatto correlato: Saltar è spagnolo per ” saltare.”Una cavalletta che vive nelle montagne delle Ande, ad esempio, è chiamata “Saltamontes” o “Saltamontes”.”

Ma aspetta! Coprire i neuroni con la mielina rende l’interno e l’esterno della membrana neurale più distanti l’uno dall’altro. Poiché la capacità è influenzata dalla distanza di separazione tra i corpi carichi (vedere Haliday e Resnick), la mielina diminuirà cm. Questo causa anche una diminuzione della costante di tempo? Beh, forse no, dal momento che, come abbiamo detto prima, la mielina aumenta notevolmente anche rm.

Si ipotizza che il risultato di questa riduzione simultanea di cm e aumento di rm non causi alcun cambiamento netto nella costante temporale, sebbene manchino prove sperimentali dirette in letteratura. Se hai due assoni di diametro uguale e uno ha una guaina mielinica di 1 mm di spessore, e l’altro ha una guaina mielinica di 2 mm di spessore, quanto più veloce sarà il secondo assone? Sfortunatamente, ancora una volta, questa risposta sembra essere sperimentalmente sconosciuta, poiché anche i neuroni con maggiore spessore della mielina hanno contemporaneamente aumentato il diametro dell’assone. Ciò che è stato generalmente confermato con le simulazioni al computer è che un neurone mielinizzato due volte più spesso di un altro neurone mielinizzato avrà una velocità di conduzione due volte più veloce.

C’è un altro modo per aumentare la velocità di conduzione senza preoccuparsi di tutte queste cellule speciali che rivestono i neuroni di grasso. Questo metodo è anche quello che usano molti invertebrati…

Maggiore è il raggio dell’assone, minore sarà sia ri che rm. Ricorda la nostra equazione costante di lunghezza afferma che :

Se sia la parte superiore e inferiore variano con il raggio… sembra che la dimensione dell’assone non farebbe alcuna differenza! Ma diamo un’occhiata attenta a come questi due valori variano con la dimensione dell’assone. La resistenza della membrana (rm) cambia con la circonferenza dell’assone (dove si trova la membrana) in questo modo:

mentre la resistenza interna cambia con l’area dell’assone.

Sia Ri che Rm sono costanti che possono essere misurate dal neurone indipendentemente dalla sua dimensione, (mentre ri e rm tengono conto delle dimensioni), π è 3,14 e il raggio è il raggio dell’assone. Quindi ora diamo un’occhiata a questa equazione di nuovo:

Siamo interessati a vedere cosa cambia quando cambiamo la dimensione dell’assone (raggio), quindi vogliamo rimuovere le cose che sono costanti e vedere cosa rimane che cambia. Sia Rm che Ri sono costanti, quindi sono 2 e π, e un raggio si annulla. Ci rimane semplicemente questo:

Pertanto, la costante di lunghezza e la velocità di conduzione si ridimensionano con la radice quadrata del raggio.

Si noti che i benefici della mielina superano sostanzialmente i benefici della dimensione del diametro dell’assone. Triplicando lo spessore della mielina aumenta la velocità di conduzione 3x, mentre triplicando il diametro dell’assone aumenta solo la velocità di conduzione dalla radice quadrata di 3, o 1,7 volte. C’è un costo metabolico, tuttavia, per fare la mielina (è necessario mantenere vive le cellule speciali che rivestono i neuroni di grasso), quindi non è la soluzione perfetta per tutti gli animali. Ma…anche i più grandi assoni senza mielina nel regno animale, come l’assone gigante calamaro di 1 mm di diametro, ha solo una velocità di conduzione di 20-25 m / s secondo! Hai assoni mielinizzati nel tuo corpo (le fibre alfa A) che hanno solo 13-20 µm di diametro (1/100 della dimensione dell’assone calamaro), ma hanno velocità di conduzione che sono 80-120 m/s! La mielina è una meravigliosa invenzione biologica, che consente ai neuroni di ottenere sia piccoli che veloci, ma è costosa.

Suono confuso? Non preoccuparti, è stato fonte di confusione anche per noi durante la nostra educazione. Benvenuti a “Cable Theory”, che è stato originariamente sviluppato nel 1800 quando gli ingegneri stavano cercando di capire la trasmissione del segnale attraverso linee telegrafiche a lunga distanza. I neuroscienziati hanno poi applicato questa teoria ai neuroni all’inizio del 20 ° secolo.

Ma cosa significa tutta questa teoria del cavo per quanto riguarda i due tipi di nervi nel lombrico? Poiché il MGN è 1,4 volte maggiore della LGN, dovremmo aspettarci che sia 1,18 volte più veloce. In precedenza abbiamo misurato l’LGN per essere ~10-14 m/s, quindi ci aspetteremmo che l’MGN sia 12 – 17 m / s. Questa è una piccola differenza per la nostra attrezzatura da rilevare, ma proviamo l’esperimento per vedere se i nostri risultati corrispondono alla teoria!

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Video

Nota: Il video qui sotto è un video più recente di luglio 2015 sul nostro esperimento worm stretch, ma serve come tutorial per utilizzare il nostro nuovo software e la procedura è molto simile. È possibile visualizzare il video originale di dicembre 2012 qui.

Video

Procedura

I materiali necessari per questo laboratorio sono esattamente gli stessi dell’esperimento: Introduzione alla velocità di conduzione (Velocità Neurale)

1. Anestetizza e fai una registrazione dell’estremità posteriore del verme come hai fatto nell’esperimento precedente.
   
2. Una volta ottenuti diversi picchi, ruotare il worm di 180 gradi e riposizionare gli elettrodi. Questa volta misurerai dall’estremità anteriore del verme.
   
3. Ora registra diversi picchi dall’estremità anteriore toccando la testa del verme con una sonda di legno. Una volta che hai diversi picchi, puoi interrompere la registrazione e riportare il verme nel suo terreno. Il lombrico è abbastanza resistente e recupera bene da questo esperimento.
4. Ora sei pronto a guardare i tuoi dati. Dovresti vedere una linea piatta o un rumore eccessivo quando hai capovolto gli elettrodi. Questo serve come indicatore del tempo di quando hai capovolto il verme, e ora sai quali punte appartengono all’estremità posteriore e quali punte appartengono all’estremità anteriore. La figura seguente mostra una registrazione dell’elettrodo 1 sul fondo e dell’elettrodo 2 sulla parte superiore.
   
5. Ora puoi ingrandire i tuoi picchi e misurare la velocità di conduzione. Prendi letture di 5-6 punte.
   
6. Ripeti l’esperimento più volte con alcuni vermi. Questo ti darà un buon set di dati con cui lavorare. Non dimenticare di pulire gli elettrodi con un po ‘ di alcool o acqua e un tovagliolo di carta dopo ogni verme.
   
7. Ora è necessario eseguire un test statistico, vale a dire il T-test, per esaminare se le velocità di conduzione sono diverse per i due nervi. Se non sai ancora come fare questo si può prendere il set di dati e seguire nel nostro piano di lezione statistiche. Se hai fatto questo piano di lezione o hai una certa esperienza nelle statistiche, puoi andare avanti ed eseguire i calcoli qui sotto.
8. Prendi la deviazione media e standard delle tue registrazioni MGN e LGN.
   
9. Infine, calcoliamo la nostra statistica t e il valore P.
   

   Cosa hai trovato? Le due velocità di conduzione sono diverse l’una dall’altra?

Discussione

Se il tuo esperimento ha avuto successo, dovresti aver scoperto che la velocità di conduzione MGN (anterior end) era davvero significativamente più veloce, ma non 1.2x più veloce, ma più come 2-4x più veloce! Perché è questo? Forse ricorderete che i neuroni del lombrico sono in realtà mielinizzati! Alcuni invertebrati, come alcuni gamberetti e alcuni vermi, in realtà hanno la mielina.

Tipicamente, quando l’assone aumenta il suo diametro, aumenta anche lo spessore della mielina. Forse il MGN ha una guaina mielinica più spessa pure. Questo renderebbe un eccellente progetto di istologia per scoprirlo. Fateci sapere se siete all’altezza della sfida, e fateci sapere cosa trovate!

Se hai un’idea di cosa causa questa differenza inaspettatamente grande, ci piacerebbe sentirne parlare. Forse il tuo professore lo sa? Benvenuti in biologia e scoperte inaspettate! Inoltre, se capisci perché avere una costante di tempo più lunga aumenta la velocità di conduzione, faccelo sapere anche questo.

Domande da considerare

1. L’anestetico ha un effetto sulle velocità di conduzione del MGN e LGN?
2. Le dimensioni generali di un worm hanno un effetto sulla velocità di conduzione?
3. È anche possibile anestetizzare il verme in una soluzione di acqua gassata al 40% – 60% per 5-9 minuti come anestetico alternativo. Questo cambierà le misurazioni della velocità di conduzione.
4. Il verme Lumbriculus variegatus (California Blackworm) ha in realtà un LGN più grande di MGN, quindi ci aspetteremmo che i nostri risultati siano l’opposto di quello che abbiamo osservato qui con i nostri Lumbricus terrestris nightcrawlers. Fai questo esperimento e facci sapere cosa trovi!
5. Quanto è spessa la mielina? Non abbiamo accesso a vaste risorse di istologia, ma tu puoi. Perché non prendere alcune fette del lombrico, misurare il diametro dell’assone e lo spessore della mielina su entrambi i nervi e riferire a noi?

Risoluzione dei problemi

Questo a volte può essere un esperimento difficile, perché il worm potrebbe non produrre picchi a seconda della quantità e del tempo di anestetico utilizzato, nonché della salute generale del worm. Se ti attacchi alla soluzione alcolica al 10% per circa 3-6 minuti, il verme dovrebbe produrre picchi la maggior parte del tempo non appena inizi (non dimenticare di lavare il verme in acqua dopo averlo anestetizzato).

Potresti anche provare a toccare il worm con più o meno pressione. A volte un rubinetto molto piccolo funzionerà, altre volte potrebbe essere necessaria una stampa più forte. Alcuni vermi rispondono meglio a uno stimolo alla fine del loro corpo, mentre altri rispondono meglio a uno stimolo di pochi centimetri verso l’interno.

Infine, a volte si causerà un artefatto quando si tocca il worm. Osservando da vicino le forme d’onda dell’artefatto, gli artefatti appariranno esattamente allo stesso modo su entrambi i canali. Questo è un picco falso e non fisiologico! A volte, asciugare periodicamente la sonda aiuta; inoltre, non reidratare troppo il verme in acqua (anche se fai attenzione a non asciugare il verme). È un equilibrio attento e svilupperai il tuo stile e la tua tecnica man mano che acquisisci esperienza.

Puoi anche usare uno stimolo d’aria da una lattina d’aria al posto di una punta di plastica, di legno o di vetro se hai troppi picchi falsi. Potresti anche voler capovolgere il verme in modo che il lato ventrale o inferiore sia rivolto verso l’alto. Facendo questo significa che quando si tocca il verme con la sonda il tocco sarà più vicino al nervo.