Expérience: Comparaison des vitesses de Deux tailles de fibres nerveuses

Contexte

Remarque: Cette expérience a été évaluée par des pairs et publiée par l’American Physiological Society dans la revue « Advances in Physiology Education » – Lisez l’article, intrepid scientists, pour un traitement plus approfondi de l’expérience décrite ci-dessous.

Auparavant, vous avez appris à mesurer la vitesse de conduction à partir du système de fibres nerveuses du ver de Terre. Vous vous souvenez que le ver a trois gros neurones qui s’étendent sur toute la longueur de son corps, le nerf géant médial (MGN) et les deux nerfs géants latéraux fusionnés (LGN).

Regardons de plus près le cordon nerveux ventral, ou « inférieur », contenant ces nerfs géants médiaux et latéraux. Une des différences entre les invertébrés (insectes, vers, etc.) et les vertébrés (chiens, lézards, nous) est que les invertébrés ont un cordon nerveux ventral (qui longe leur « ventre ») alors que nous avons un cordon nerveux dorsal (notre moelle épinière longe notre dos).

Le MGN et le LGN jouent tous deux un rôle important pour s’assurer que les sens du ver communiquent avec ses muscles (Drewes et al. 1978). Le MGN transmet des informations sensorielles sur l’avant ou l’avant du ver (l’extrémité la plus proche du clitellum). En revanche, le LGN transmet des informations sensorielles sur le postérieur ou l’arrière du ver (l’extrémité la plus éloignée du clitellum). Il existe également une différence de taille physique entre ces deux systèmes. Le nerf géant médial, d’un diamètre de 0,07 mm, est légèrement plus large que le nerf géant latéral (0.05 mm de diamètre) (Kladt et. al 2010).

Dans l’expérience précédente sur les vers de terre, vous avez enregistré de l’arrière ou de l’extrémité postérieure du ver et déterminé la vitesse de conduction du LGN. Pour cette expérience, vous enregistrerez à la fois les extrémités postérieure (LGN) et antérieure du ver (MGN). Nous voulons savoir s’il y a une différence de vitesse de conduction entre les deux nerfs. Pensez-vous qu’il y aura une différence? Considérons quelques-uns…..

Lorsqu’on pense à la façon dont un potentiel d’action se déplace dans l’axone d’un neurone, il est utile de penser à une analogie du volume d’un téléviseur. Pensez à allumer votre téléviseur, puis à vous en éloigner lentement. Alors que vous vous éloignez de plus en plus, que se passe-t-il?

Le son provenant du haut-parleur devient de plus en plus silencieux plus vous vous éloignez de la source. Cet exemple est analogue à un changement de tension (base d’un potentiel d’action) s’écoulant dans l’axone d’un neurone. Dans un neurone hypothétique avec les canaux ioniques actifs supprimés, changeons la tension dans le corps cellulaire et prenons trois mesures le long de l’axone. À quoi ressembleront les mesures selon vous?

Notez que le signal se désintègre. La force de cette désintégration est déterminée par deux choses, la constante de temps et la constante de longueur. Le temps pour les mathématiques et l’électronique, nos sujets de prédilection (en plus des neurones bien sûr).

Que signifient les r et les c? r est la « résistance » au flux de courant, et c est la « capacité », une mesure du stockage de charge à travers une barrière isolante.

Tout d’abord, parlons de la constante de longueur (on l’appelle parfois aussi la « constante d’espace »). La constante de longueur (λ, ou lambda) est une mesure de la distance dans laquelle la tension descend de l’axone avant qu’elle ne se désintègre à zéro. Si vous avez une constante de longueur de 1 mm, cela signifie qu’à 1 mm du corps de la cellule dans un axone, il reste 37% de l’amplitude de tension. À 2 mm du corps cellulaire dans un axone, il reste 14% de la magnitude et à 3 mm, il reste 5%. Ceci est représentatif d’une fonction de « décroissance exponentielle ».

La constante de longueur est calculée à partir de rm et ri. rm est la résistance électrique de la membrane du neurone, ou à quel point elle « fuit électriquement ». Plus rm (« moins de fuites ») est grand, plus la constante de longueur sera grande. ri est la résistance du liquide intracellulaire (appelé axoplasme) à l’intérieur de l’axone. Inversement, plus ri est bas, plus la constante de longueur sera grande.

La constante de temps (Τ, ou tau) est similaire à la constante de longueur, mais s’applique au temps. Si un changement de tension est appliqué à l’intérieur d’un neurone, il faut du temps pour que le neurone se « charge » complètement à une tension stable. Dans l’équation de la constante de temps, cm est la capacité de la membrane neurale, qui est une mesure de la capacité de la membrane à stocker une charge. Plus la capacité est élevée, plus il faut de temps pour que le condensateur se charge (ou se décharge) complètement, agissant comme un « tampon » à tout changement soudain de tension.

Ainsi, plus rm et cm deviennent petits, plus la constante de temps est petite et moins il faut de temps pour changer la tension d’un axone.

Un « neurone idéal » aurait une constante de longueur infiniment élevée et une constante de temps infiniment basse. Ainsi, tout changement de tension n’importe où dans le neurone changerait instantanément la tension partout ailleurs dans le neurone.

La constante de temps et la constante de longueur sont toutes deux des propriétés « passives » des neurones. Alors, comment vos neurones empêchent-ils les signaux électriques de se décomposer à zéro? En devenant « actif » et en utilisant des canaux ioniques! Vos neurones utilisent les canaux sodiques et potassiques pour régénérer le potentiel d’action qui coule dans l’axone pour « lutter contre la désintégration » qui se produit en raison des constantes de longueur et de temps. En tant que potentiel d’action, les canaux de sodium et de potassium s’ouvrent et se ferment continuellement pour recharger le potentiel d’action et le « propager » dans l’axone.

Comme vous le savez dans l’expérience précédente sur les vers de terre, cette propagation du potentiel d’action sur un neurone a une vitesse finie. Chaque fois qu’un canal ionique doit s’ouvrir pour recharger le potentiel d’action, cela retarde la propagation du potentiel d’action de ~ 1 ms. Et plus votre constante de longueur est petite, plus vous devez régénérer le potentiel d’action en ayant des canaux ioniques ouverts le long de l’axone. Comment pouvons-nous augmenter la constante de longueur? Nous pouvons le faire en augmentant rm. Y a-t-il un moyen de le faire?

Oui! Nous pouvons augmenter la rm en enveloppant le neurone….

La myéline est un revêtement gras produit par des cellules spéciales appelées cellules de Schwann et Oligodendrocytes. Cette couverture est ce qui fait que les axones ressemblent aux rouleaux de hot-dog, et pourquoi le cerveau est parfois appelé un « morceau de graisse. »Ce revêtement gras rend la membrane neurale moins étanche et augmente considérablement la rm.

Mais que pensez-vous qu’il se passerait si vous couvriez tout l’axone dans la myéline? Malheureusement, la constante de longueur n’est pas suffisamment augmentée pour que vous puissiez vous en sortir. Le potentiel d’action doit encore être régénéré le long de l’axone, mais pas autant de fois qu’un axone non myélinisé.

C’est pourquoi la gaine de myéline est discontinue, avec des morceaux de membrane neurale exposés périodiques appelés « Nœuds de Ranvier. »Dans ces nœuds, aucune myéline ne recouvre la membrane et de nombreux canaux ioniques actifs y résident. La régénération discrète des potentiels d’action entre les longueurs de myéline au niveau des nœuds de Ranvier est appelée « conduction saltatoire. »

Fait connexe : Saltar signifie  » sauter  » en espagnol. » Une sauterelle qui vit dans la cordillère des Andes, par exemple, s’appelle  » Saltamontes » ou « sauteur de montagne. »

Mais attendez! Couvrir les neurones avec de la myéline éloigne l’intérieur et l’extérieur de la membrane neurale l’un de l’autre. Comme la capacité est affectée par la distance de séparation entre les corps chargés (voir votre Haliday et Resnick), la myéline diminuera cm. Cela provoque-t-il également une diminution de la constante de temps? Eh bien, peut-être pas, car, comme nous l’avons dit plus tôt, la myéline augmente également considérablement rm.

Le résultat de cette réduction simultanée de cm et de l’augmentation de rm est supposé ne provoquer aucun changement net de la constante de temps, bien que les preuves expérimentales directes dans la littérature manquent. Si vous avez deux axones de diamètre égal et que l’un a une gaine de myéline de 1 mm d’épaisseur et l’autre une gaine de myéline de 2 mm d’épaisseur, à quelle vitesse le deuxième axone sera-t-il? Malheureusement, encore une fois, cette réponse semble être expérimentalement inconnue, car les neurones avec une épaisseur de myéline accrue ont également simultanément un diamètre d’axone accru. Ce qui a généralement été confirmé par des simulations informatiques, c’est qu’un neurone myélinisé deux fois plus épais qu’un autre neurone myélinisé aura une vitesse de conduction deux fois plus rapide.

Il existe un autre moyen d’augmenter la vitesse de conduction sans se soucier de toutes ces cellules spéciales qui enduisent les neurones de graisse. Cette méthode est également utilisée par de nombreux invertébrés…

Plus le rayon de l’axone est grand, plus ri et rm seront petits. Rappelez-vous que notre équation de la constante de longueur stipule que :

Si le haut et le bas varient avec le rayon… il semble que la taille de l’axone ne ferait aucune différence! Mais regardons attentivement comment ces deux valeurs varient avec la taille de l’axone. La résistance de la membrane (rm) change avec la circonférence de l’axone (où se trouve la membrane) comme suit:

alors que la résistance interne change avec la zone de l’axone.

Ri et Rm sont toutes deux des constantes qui peuvent être mesurées à partir du neurone quelle que soit sa taille (alors que ri et rm prennent en compte la taille), π est 3,14 et radius est le rayon de l’axone. Alors maintenant, regardons à nouveau cette équation:

Nous sommes intéressés à voir ce qui change lorsque nous changeons la taille de l’axone (rayon), nous voulons donc supprimer les choses qui sont des constantes et voir ce qui reste qui change. Rm et Ri sont des constantes, de même que 2 et π, et un rayon s’annule. Il nous reste simplement cela:

Ainsi, la constante de longueur et la vitesse de conduction évoluent avec la racine carrée du rayon.

Notez que les avantages de la myéline l’emportent largement sur les avantages de la taille du diamètre de l’axone. Tripler l’épaisseur de la myéline augmente la vitesse de conduction 3x, alors que tripler le diamètre de l’axone n’augmente la vitesse de conduction que de la racine carrée de 3, soit 1,7 fois. Cependant, la fabrication de la myéline a un coût métabolique (il faut garder en vie les cellules spéciales qui recouvrent les neurones de graisse), ce n’est donc pas la solution parfaite pour tous les animaux. Mais…même les plus gros axones sans myéline du règne animal, tels que l’axone géant du calmar de 1 mm de diamètre, n’ont qu’une vitesse de conduction de 20 à 25 m / s seconde! Vous avez des axones myélinisés dans votre corps (les fibres alpha A) qui ne mesurent que 13-20 µm de diamètre (1/100 de la taille de l’axone du calmar), tout en ayant des vitesses de conduction de 80-120 m / s! La myéline est une merveilleuse invention biologique, permettant aux neurones de devenir à la fois petits et rapides, mais elle coûte cher.

Cela semble déroutant? Ne vous inquiétez pas, c’était déroutant pour nous aussi pendant notre éducation. Bienvenue dans la « Théorie du câble », qui a été développée à l’origine dans les années 1800 lorsque les ingénieurs essayaient de comprendre la transmission du signal sur les lignes télégraphiques longue distance. Les neuroscientifiques ont ensuite appliqué cette théorie aux neurones au début du 20e siècle.

Mais que signifie toute cette théorie du câble en ce qui concerne les deux types de nerfs du ver de Terre? Puisque le MGN est 1,4 fois plus grand que le LGN, nous devrions nous attendre à ce qu’il soit 1,18 fois plus rapide. Nous avons précédemment mesuré le LGN à ~ 10-14 m / s, nous nous attendons donc à ce que le MGN soit de 12-17 m / s. C’est une petite différence à détecter pour notre équipement, mais tentons l’expérience pour voir si nos résultats correspondent à la théorie!

Téléchargements

Vidéo

Remarque: La vidéo ci-dessous est une vidéo plus récente de juillet 2015 sur notre expérience worm stretch, mais sert de tutoriel pour utiliser notre nouveau logiciel, et la procédure est très similaire. Vous pouvez visionner la vidéo originale de décembre 2012 ici.

Vidéo

Procédure

Les Matériaux Requis Pour Ce Laboratoire Sont Exactement Les Mêmes Que L’Expérience: Introduction à la Vitesse de Conduction (Vitesse Neurale)

1. Anesthésiez et prenez un enregistrement de l’extrémité postérieure du ver comme vous l’avez fait dans l’expérience précédente.
   
2. Une fois que vous avez plusieurs pointes, faites pivoter la vis sans fin de 180 degrés et repositionnez les électrodes. Vous mesurerez à partir de l’extrémité antérieure du ver cette fois.
   
3. Enregistrez maintenant plusieurs pointes de l’extrémité antérieure en touchant la tête du ver avec une sonde en bois. Une fois que vous avez plusieurs pointes, vous pouvez arrêter l’enregistrement et renvoyer le ver dans son sol. Le ver de terre est assez résistant et se remet bien de cette expérience.
4. Maintenant, vous êtes prêt à regarder vos données. Vous devriez voir une ligne plate ou un bruit excessif lorsque vous retournez les électrodes. Cela sert de marqueur temporel du moment où vous avez retourné le ver, et maintenant vous savez quelles pointes appartiennent à l’extrémité postérieure et quelles pointes appartiennent à l’extrémité antérieure. La figure ci-dessous montre un enregistrement de l’électrode 1 en bas et de l’électrode 2 en haut.
   
5. Vous pouvez maintenant zoomer sur vos pointes et mesurer la vitesse de conduction. Prenez des lectures de 5-6 pointes.
   
6. Répétez l’expérience plusieurs fois avec des vers. Cela vous donnera un bon ensemble de données avec lesquelles travailler. N’oubliez pas de nettoyer vos électrodes avec de l’alcool ou de l’eau et une serviette en papier après chaque ver.
   
7. Vous devez maintenant exécuter un test statistique, à savoir le test T, pour examiner si les vitesses de conduction sont différentes pour les deux nerfs. Si vous ne savez pas encore comment procéder, vous pouvez prendre votre ensemble de données et suivre notre plan de leçon sur les statistiques. Si vous avez fait ce plan de leçon ou si vous avez une certaine expérience en statistiques, vous pouvez continuer et effectuer les calculs ci-dessous.
8. Prenez la moyenne et l’écart type de vos enregistrements MGN et LGN.
   
9. Enfin, calculons notre statistique t et notre valeur p.
   

   Qu’avez-vous trouvé ? Les deux vitesses de conduction sont-elles différentes l’une de l’autre ?

Discussion

Si votre expérience a réussi, vous auriez dû constater que la vitesse de conduction MGN (extrémité antérieure) était en effet beaucoup plus rapide, mais pas 1.2x plus rapide, mais plus comme 2- 4x plus rapide! Pourquoi est-ce? Vous vous souvenez peut-être que les neurones du ver de terre sont en fait myélinisés! Certains invertébrés, comme certaines crevettes et certains vers, ont en fait de la myéline.

Typiquement, lorsque l’axone augmente son diamètre, son épaisseur de myéline augmente également. Peut-être que le MGN a également une gaine de myéline plus épaisse. Cela ferait un excellent projet d’histologie à découvrir. Faites-nous savoir si vous êtes à la hauteur du défi, et faites-nous savoir ce que vous trouvez!

Si vous avez une idée des causes de cette différence inattendue, nous aimerions en entendre parler. Peut-être que votre professeur le sait? Bienvenue à la biologie et aux découvertes inattendues! De plus, si vous comprenez pourquoi une constante de temps plus longue augmente la vitesse de conduction, faites-le nous savoir également.

Questions à considérer

1. L’anesthésique a-t-il un effet sur les vitesses de conduction du MGN et du LGN?
2. La taille générale d’un ver a-t-elle un effet sur la vitesse de conduction?
3. Vous pouvez également anesthésier le ver dans une solution d’eau gazeuse à 40% – 60% pendant 5 à 9 minutes comme anesthésique alternatif. Cela modifiera-t-il les mesures de vitesse de conduction?
4. Le ver Lumbriculus variegatus (ver noir de Californie) a en fait un LGN plus grand que le MGN, nous nous attendons donc à ce que nos résultats soient à l’opposé de ce que nous avons observé ici avec nos noctambules Lumbricus terrestris. Faites cette expérience et faites-nous savoir ce que vous trouvez!
5. Quelle est l’épaisseur de la myéline? Nous n’avons pas accès à de vastes ressources en histologie, mais vous pouvez le faire. Pourquoi ne pas prendre quelques tranches du ver de terre, mesurer le diamètre de l’axone et l’épaisseur de la myéline sur les deux nerfs et nous en rendre compte?

Dépannage

Cela peut parfois être une expérience difficile, car le ver peut ne pas produire de pics en fonction de la quantité et de la durée de l’anesthésique utilisé ainsi que de la santé générale du ver. Si vous vous en tenez à la solution d’alcool à 10% pendant environ 3 à 6 minutes, le ver devrait produire des pointes la plupart du temps dès que vous commencez (n’oubliez pas de laver le ver à l’eau après l’avoir anesthésié).

Vous pouvez également essayer de toucher le ver avec plus ou moins de pression. Parfois, un très petit robinet fonctionnera, d’autres fois, une presse plus forte pourrait être nécessaire. Certains vers réagissent mieux à un stimulus à la toute fin de leur corps, tandis que d’autres réagissent mieux à un stimulus de quelques centimètres vers l’intérieur.

Enfin, parfois vous provoquerez un artefact lorsque vous toucherez le ver. En regardant de près les formes d’onde des artefacts, les artefacts apparaîtront exactement de la même manière sur les deux canaux. C’est un faux pic et non physiologique! Parfois, le séchage périodique de votre sonde aide; ne réhydratez pas trop le ver dans l’eau (mais veillez également à ne pas le sécher). C’est un équilibre prudent, et vous développerez votre propre style et technique à mesure que vous gagnerez de l’expérience.

Vous pouvez également utiliser un stimulus d’air provenant d’une boîte à air au lieu d’une pointe en plastique, en bois ou en verre si vous obtenez trop de fausses pointes. Vous pouvez également retourner le ver pour que le côté ventral ou inférieur soit orienté vers le haut. Cela signifie que lorsque vous touchez le ver avec votre sonde, le toucher sera plus proche du nerf.