Koe: kahden Hermokuitukoon nopeuksien vertaaminen

Tausta

huomaa: American Physiological Society julkaisi tämän kokeen vertaisarvioidussa julkaisussa ”Advances in Physiology Education”-lue artikkeli, intrepid scientists, jäljempänä kuvatun kokeen syvällisemmästä käsittelystä.

aiemmin opittiin mittaamaan johtumisnopeutta kastematojen hermokuitujärjestelmästä. Muista, että madolla on kolme suurta hermosolua, jotka kulkevat sen ruumiin pituudelta, mediaalinen jättiläishermo (MGN) ja kaksi fuusioitua lateraalista jättiläishermoa (LGN).

Tarkastellaanpa lähemmin ventraalista eli” alimmaista ” hermoketjua, joka sisältää nämä mediaaliset ja lateraaliset jättiläishermot. Yksi ero selkärangattomien (hyönteiset, madot, ja niin edelleen) ja selkärankaisten (koirat, liskot, me) on, että selkärangattomien on ventraalinen hermo johto (kulkee pitkin niiden ”vatsa”) kun taas meillä on selkä hermo johto (selkäydin kulkee pitkin meidän takapuoli).

sekä MGN: llä että LGN: llä on tärkeä rooli varmistettaessa, että madon aistit kommunikoivat lihaksiensa kanssa (Drewes et al. 1978). MGN välittää aistinvaraista tietoa madon etu-tai etuosasta (klitellumia lähinnä olevasta päästä). Sen sijaan LGN välittää aistinvaraista tietoa madon takaosasta eli selästä (Pää kauimpana klitellumista). Näiden kahden järjestelmän välillä on myös fyysinen kokoero. Mediaalinen jättiläishermo, jonka halkaisija on 0,07 mm, on hieman leveämpi kuin lateraalinen jättiläishermo (0.Läpimitta 05 mm) (Kladt et. al 2010).

edellisessä kastematokokeessa tallensitte madon takaosasta tai takapäästä ja määrititte LGN: n johtumisnopeuden. Tätä koetta varten tallennat madon posteriorista (LGN) ja etupäistä (MGN). Haluamme selvittää, onko hermojen johtumisnopeudessa eroa. Luuletko, että siinä on mitään eroa? Mietitäänpä joitakin…..

kun ajatellaan, miten toimintapotentiaali kulkee neuronin aksonia pitkin, on hyödyllistä ajatella analogiaa television äänenvoimakkuudesta. Ajattele, että avaat TV: n ja kävelet hitaasti pois sen luota. Mitä tapahtuu, kun kävelet yhä kauemmas?

kaiuttimesta tuleva ääni hiljenee ja hiljenee, mitä kauempana lähteestä ollaan. Tämä esimerkki on analoginen jännitemuutokselle (toimintapotentiaalin perusteella), joka virtaa hermosolun aksonia pitkin. Hypoteettisessa hermosolussa, jossa aktiiviset ionikanavat on poistettu, muutetaan solurungon jännitettä ja otetaan kolme mittausta aksonia pitkin. Miltä luulet mittausten näyttävän?

huomaa, että signaali heikkenee. Tämän hajoamisen voimakkuuteen vaikuttaa kaksi asiaa, aikavakio ja pituusvakio. Aika matematiikkaa ja elektroniikkaa, lempiaineitamme (neuronien lisäksi tietenkin).

mitä r ja c tarkoittavat? r on” resistanssi ”virralle ja c on” Kapasitanssi”, joka mittaa varauksen varastointia eristävän esteen yli.

puhutaan ensin pituusvakiosta (tätä kutsutaan joskus myös ”avaruusvakioksi”). Pituusvakio (λ eli lambda) on mitta siitä, kuinka pitkälle jännite kulkee aksonia pitkin ennen kuin se hajoaa nollaan. Jos pituusvakio on 1 mm, se tarkoittaa 1 mm: n päässä solun rungosta aksonissa, 37% jännitteen suuruudesta säilyy. 2 mm: n päässä solun rungosta aksonissa on jäljellä 14% magnitudista ja 3 mm: n päässä 5%. Tämä edustaa ”eksponentiaalista hajoamisfunktiota”.

pituusvakio lasketaan RM: stä ja ri: stä. rm on hermosolun kalvon sähkövastus eli kuinka ”sähköisesti vuotava” se on. Mitä suurempi rm (”vähemmän vuotava”) on, sitä suurempi on pituusvakio. ri on aksonin sisällä olevan solunsisäisen nesteen eli aksoplasman resistanssi. Kääntäen, mitä pienempi ri on, sitä suurempi pituusvakio on.

aikavakio (Τ eli tau) on samanlainen kuin pituusvakio, mutta pätee aikaan. Jos hermosolun sisällä tapahtuu jännitteen muutos, kestää aikansa ennen kuin hermosolu ”latautuu” täysin vakaaseen jännitteeseen. Aikavakion yhtälössä cm on hermokalvon kapasitanssi, joka mittaa kalvon kykyä varastoida varausta. Mitä suurempi kapasitanssi on, sitä enemmän aikaa kuluu kondensaattorin täyteen latautumiseen (tai purkamiseen), joka toimii ”puskurina” mihin tahansa äkilliseen jännitemuutokseen.

näin ollen mitä pienemmiksi sekä rm että cm tulevat, sitä pienempi aikavakio on ja sitä vähemmän aikaa tarvitaan aksonin jännitteen muuttamiseen.

”ihanteellisella neuronilla” olisi äärettömän suuri pituusvakio ja äärettömän pieni aikavakio. Siten mikä tahansa jännitteen muutos missä tahansa hermosolussa muuttaisi välittömästi jännitteen kaikkialla muualla hermosolussa.

sekä aikavakio että pituusvakio ovat neuronien ”passiivisia” ominaisuuksia. Miten neuronit estävät sähkösignaalien heikkenemisen nollaan? Tulemalla ”aktiiviseksi” ja käyttämällä ionikanavia! Neuronisi käyttävät natrium-ja kaliumkanavia uudistaakseen aksonia pitkin virtaavan toimintapotentiaalin ”torjumaan hajoamista”, joka johtuu pituus-ja aikavakioista. Kun toimintapotentiaali ampuu aksonisi alas, natrium-ja kaliumkanavat avautuvat ja sulkeutuvat jatkuvasti lataamaan toimintapotentiaalia ja ”levittämään sitä” aksonia pitkin.

kuten tiedätte aiemmasta kastematokokeesta, – tällä vaikutuspotentiaalilla on rajallinen nopeus. Joka kerta, kun ionikanava on avattava aktiopotentiaalin lataamiseksi, tämä viivästyttää toimintapotentiaalin etenemistä ~1 ms: llä. ja mitä pienempi pituusvakio on, sitä enemmän aktiopotentiaalia on uudistettava ottamalla ionikanavia auki aksonin pituudelta. Miten voimme lisätä pituus vakio? Voimme tehdä tämän lisäämällä rm. Voimmeko tehdä tämän jotenkin?

Yes! Voimme lisätä rm: ää kietomalla neuronin sisään….

myeliini on rasvapeite, jota tuottavat Schwannin solut ja oligodendrosyytit. Tämä peite on se, mikä saa aksonit näyttämään samanlaisilta kuin Nakkisämpylät,ja miksi aivoja kutsutaan joskus ” läskiksi.”Tämä rasvainen peite tekee hermokalvosta vähemmän vuotavan ja lisää rm: ää huomattavasti.

mitä tapahtuisi, jos myeliinissä olisi koko aksoni? Valitettavasti pituusvakio ei ole kasvanut tarpeeksi, jotta tästä selviäisi. Aktiopotentiaali on vielä regeneroitava aksonia pitkin, joskaan ei niin monta kertaa kuin myeliinittömällä aksonilla.

tämän vuoksi myeliinituppi on epäjatkuva, ja siinä on ajoittain paljastuneita hermokalvon palasia, joita kutsutaan ” Ranvierin solmuiksi.”Näissä solmukohdissa mikään myeliini ei peitä kalvoa, ja siellä on runsaasti aktiivisia ionikanavia. Aktiopotentiaalien diskreetti regeneraatio myeliinin pituuksien välillä Ranvierin solmukohdissa on nimeltään ” saltatorinen johtuminen.”

aiheeseen liittyvä fakta: Saltar on espanjaksi ” hypätä.”Esimerkiksi Andien vuoristossa asuvaa heinäsirkkaa kutsutaan” Saltamontesiksi ”tai ” mäkihyppääjäksi”.”

mutta odota! Neuronien peittäminen myeliinillä tekee hermokalvon sisä-ja ulkopuolelta kauempana toisistaan. Koska kapasitanssiin vaikuttaa varattujen kappaleiden välinen etäisyys (katso haliday ja Resnick), myeliini pienenee cm. Aiheuttaako tämä myös aikavakion vähenemisen silloin? No, ehkä ei, koska, kuten aiemmin totesimme, myeliini lisää myös huomattavasti rm: ää.

tämän yhtäaikaisen cm: n pienenemisen ja rm: n lisääntymisen on arveltu aiheuttavan aikavakiossa ei nettomuutosta, vaikka kirjallisuudessa ei ole suoraa kokeellista näyttöä. Jos sinulla on kaksi yhtä halkaisijaltaan olevaa aksonia ja toisessa on 1 mm: n paksuinen myeliinivaippa ja toisessa 2 mm: n paksuinen myeliinivaippa, kuinka paljon nopeampi toinen aksoni on? Valitettavasti tämäkin vastaus näyttää kokeellisesti tuntemattomalta, sillä myeliinin paksuutta kasvattavilla neuroneilla on myös samanaikaisesti suurentunut aksonihalkaisija. Tietokonesimulaatioissa on yleensä todettu, että myelinisoidun hermosolun kantonopeus on kaksi kertaa niin paksu kuin toisen myelinisoidun hermosolun.

on toinenkin tapa lisätä johtumisnopeutta häiritsemättä kaikkia näitä erityissoluja, jotka peittävät hermosoluja rasvalla. Tätä menetelmää käyttävät myös monet selkärangattomat…

mitä suurempi aksonin säde on, sitä pienempiä sekä ri että rm ovat. Muista meidän pituus vakio yhtälö toteaa, että :

jos sekä ylä-että alaosa vaihtelevat säteellä… näyttää siltä, että aksonin koolla ei olisi mitään merkitystä! Mutta katsotaanpa huolellisesti, miten nämä kaksi arvoa vaihtelevat aksonin koon mukaan. Kalvoresistanssi (rm) muuttuu aksonin (jossa kalvo on) ympärysmitalla näin:

kun taas sisäinen vastus muuttuu alueen aksoni.

sekä ri että Rm ovat vakioita, jotka voidaan mitata hermosolusta sen koosta riippumatta (kun taas ri ja rm ottavat koon huomioon), π on 3,14 ja säde on aksonin säde. Katsotaan nyt sitä yhtälöä uudestaan.:

olemme kiinnostuneita näkemään, mitä muuttuu, kun muutamme aksonin kokoa (säde), joten haluamme poistaa asioita, jotka ovat vakioita ja nähdä, mitä jää, joka muuttuu. Sekä Rm ja Ri ovat vakioita, niin ovat 2 ja π, ja yksi säde kumoaa pois. Meille jää vain se, että:

siten pituusvakio ja johtumisnopeus skaalautuvat säteen neliöjuurella.

huomaa, että myeliinin hyödyt ovat huomattavasti suuremmat kuin aksonihalkaisijan koon edut. Myeliinin paksuuden kolminkertaistaminen lisää johtumisnopeutta 3x, kun taas aksonin halkaisijan kolminkertaistaminen lisää johtumisnopeutta vain neliöjuurella 3 eli 1,7 kertaa. Myeliinin valmistamiseen liittyy kuitenkin metabolisia kustannuksia (sinun on pidettävä elossa erityisiä soluja, jotka peittävät hermosolut rasvassa), joten se ei ole täydellinen ratkaisu kaikille eläimille. Mutta…jopa eläinkunnan suurimmilla aksoneilla, joilla ei ole myeliiniä, kuten Kalmarin jättiläisaksonilla, jonka halkaisija on 1 mm, johtumisnopeus on vain 20-25 m/s sekunnissa! Sinulla on myelinated aksonit elimistössä (A alfa kuidut), jotka ovat vain 13-20 µm halkaisijaltaan (1/100 koko Kalmarin aksoni), mutta johtuminen nopeudet, jotka ovat 80-120 m/s! Myeliini on loistava biologinen keksintö, jonka avulla neuronit voivat saada sekä pieniä että nopeita, mutta se on kallista.

sound confusing? Älä huoli, se oli hämmentävää meillekin opiskeluaikana. Tervetuloa ”Cable Theoryyn”, joka kehitettiin alun perin 1800-luvulla, kun insinöörit yrittivät ymmärtää signaalin siirtoa pitkän matkan lennätinlinjoilla. Neurotieteilijät sovelsivat sitten tätä teoriaa neuroneihin 1900-luvun alussa.

mutta mitä tämä kaapeliteoria tarkoittaa kastematojen kahden hermotyypin suhteen? Koska MGN on kooltaan 1,4 kertaa suurempi kuin LGN, meidän pitäisi odottaa sen olevan 1,18 kertaa nopeampi. Aiemmin mittasimme LGN: n olevan ~10-14 m/s, joten odotimme MGN: n olevan 12-17 m/s. Se on pieni ero meidän laitteiden havaita, mutta kokeillaan kokeen nähdä, jos tulokset vastaavat teoriaa!

Latauksia

Video

Huom: alla oleva video on tuoreempi heinäkuussa 2015 kuvattu video matojen venytyskokeestamme, mutta toimii opetusvideona uuden ohjelmistomme käyttöön, ja menettely on hyvin samankaltainen. Voit katsoa alkuperäisen joulukuun 2012 videon täältä.

Video

Menettely

Tässä Laboratoriossa Tarvittavat Materiaalit Ovat Täsmälleen Samat Kuin Kokeessa: Johdanto Johtumisnopeuteen (Neuraalinopeus)

1. nukuta ja nauhoita madon takapää kuten edellisessä kokeessa.
   
2. kun saat useita piikkejä, kierrä matoa 180 astetta ja aseta elektrodit uudelleen. Tällä kertaa mittaatte madon etupuolelta.
   
3. nyt tallentaa useita piikkejä etupuolelta koskettamalla madon päätä puisella anturilla. Kun sinulla on useita piikkejä, voit lopettaa tallennuksen ja palauttaa madon maaperään. Kastemato on melko sitkeä ja toipuu hyvin tästä kokeesta.
4. nyt olet valmis katsomaan tietojasi. Sinun pitäisi nähdä tasainen viiva tai liiallinen melu, kun käännät elektrodit ympäri. Tämä toimii aikamerkkinä siitä, kun käänsit matoa, ja nyt tiedät, mitkä piikit kuuluvat takapäähän ja mitkä etupuolelle. Alla olevassa kuvassa näkyy elektrodin 1 tallennus pohjassa ja elektrodin 2 yläosassa.
   
5. voit zoomata piikkeihin ja mitata johtumisnopeuden. Ota lukemat 5-6 piikkiä.
   
6. toista koe useita kertoja joidenkin matoja. Tämä antaa sinulle hyvä tietojoukko työskennellä. Älä unohda puhdistaa elektrodeja alkoholilla tai vedellä ja paperipyyhkeellä jokaisen madon jälkeen.
   
7. sinun täytyy nyt suorittaa tilastollinen testi, eli t-testi, tutkia, onko johtuminen nopeudet ovat erilaisia kahden hermoja. Jos et vielä tiedä, miten tämä tehdään, voit ottaa tietokokonaisuutesi ja seurata sitä tilastotuntisuunnitelmassamme. Jos olet tehnyt tämän tuntisuunnitelman tai sinulla on jonkin verran kokemusta tilastoista, voit mennä eteenpäin ja suorittaa alla olevat laskelmat.
8. ota MGN-ja LGN-tallenteiden keskiarvo ja keskihajonta.
   
9. lopuksi lasketaan t-statistiikka ja p-arvo.
   

   mitä löysit? Ovatko nämä kaksi johtumisnopeutta erilaisia?

Keskustelu

jos koe oli onnistunut, sinun olisi pitänyt huomata, että MGN (etupään) johtumisnopeus oli todellakin huomattavasti nopeampi, mutta ei 1.2x nopeammin, mutta enemmänkin 2-4x nopeammin! Mistä tämä johtuu? Saatat muistaa, että kastematojen hermosolut ovat todellisuudessa myelinoituneita! Joillakin selkärangattomilla, kuten katkaravuilla ja madoilla, on myeliiniä.

tyypillisesti aksonin kasvattaessa halkaisijaansa myös sen myeliinipaksuus kasvaa. Ehkä MGN: llä on myös paksumpi myeliinituppi. Tämä olisi erinomainen histologiaprojekti selvittää. Kerro meille, jos olet valmis haasteeseen, ja kerro meille, mitä löydät!

jos sinulla on käsitys siitä, mistä tämä odottamattoman suuri ero johtuu,haluaisimme kuulla siitä. Ehkä professorisi tietää? Tervetuloa biology and unexpected findings! Myös, jos ymmärrät, miksi ottaa pidemmän ajan vakio lisää johtumisnopeutta, kerro meille, että samoin.

kysymyksiä

1. vaikuttaako anestesia MGN: n ja LGN: n johtumisnopeuksiin?
2. onko madon yleiskoolla vaikutusta johtumisnopeuteen?
3. matoa voi myös puuduttaa 40 – 60-prosenttisessa hiilihapotetussa vesiliuoksessa 5-9 minuutin ajan vaihtoehtoisena puudutusaineena. Muuttaako tämä johtumisnopeusmittauksia.
4. madolla Lumbricus variegatus (Kalifornianmustamato) on itse asiassa suurempi LGN kuin MGN, joten odottaisimme tuloksemme olevan päinvastainen kuin mitä havaitsimme täällä Lumbricus terrestris nightcrawlereilla. Tee tämä koe ja kerro meille, mitä löydät!
5. kuinka paksu myeliini on? Meillä ei ole pääsyä laajaan histologiaan, mutta sinulla voi olla. Miksi et ottaisi kastematosta viipaleita, mittaisi aksonin halkaisijaa ja myeliinin paksuutta molemmista hermoista ja raportoisi meille?

vianmääritys

tämä voi joskus olla vaikea koe, koska mato ei välttämättä tuota piikkejä riippuen käytetyn puudutuksen määrästä ja ajasta sekä madon yleisestä terveydentilasta. Jos pysyt 10-prosenttisessa alkoholiliuoksessa noin 3-6 minuuttia, madon pitäisi tuottaa piikkejä suurimman osan ajasta heti aloitettuasi (älä unohda pestä matoa vedessä sen jälkeen, kun olet puuduttanut sen).

voit myös yrittää koskettaa matoa enemmän tai vähemmän paineella. Joskus hyvin pieni näpäytys toimii, toisinaan saatetaan tarvita vahvempaa prässiä. Jotkut madot reagoivat paremmin aivan kehonsa päässä olevaan ärsykkeeseen, kun taas toiset reagoivat paremmin muutaman sentin sisäänpäin tulevaan ärsykkeeseen.

lopuksi joskus aiheuttaa artefaktin, kun koskettaa matoa. Kun tutkimme artefaktin aaltomuotoja, – artefaktit näkyvät täsmälleen samoina molemmilla kanavilla. Tämä on valepiikki eikä fysiologinen! Joskus, kuivaus anturi säännöllisesti auttaa; älä myöskään nesteytä matoa liikaa vedessä (varo kuitenkin myös kuivaamasta matoa). Se on varovainen tasapaino, ja voit kehittää oman tyylin ja tekniikan saat kokemusta.

voit käyttää myös ilmakanisterista saatavaa ärsykettä muovisen, puisen tai lasisen kärjen sijasta, jos saat liian monta valepiikkiä. Voit myös kääntää mato yli niin ventraalinen tai pohja puoli on ylöspäin. Tämä tarkoittaa, että kun kosketat matoa koettimella, kosketus on lähempänä hermoa.