háttér
Megjegyzés: Ezt a kísérletet az American Physiological Society lektorálta és publikálta az “advances in Physiology Education” folyóiratban-olvassa el az intrepid scientists című cikket az alábbiakban ismertetett kísérlet mélyebb kezeléséhez.
korábban megtanulta, hogyan kell mérni a vezetési sebességet a földigiliszták idegrostrendszeréből. Ne feledje, hogy a féregnek három nagy idegsejtje van, amelyek a test hosszában futnak, a mediális óriás ideg (MGN) és a két összeolvadt oldalsó óriás ideg (LGN).
vessünk egy közelebbi pillantást a ventrális vagy” alsó ” idegzsinórra, amely ezeket a mediális és laterális óriás idegeket tartalmazza. Az egyik különbség a gerinctelenek (rovarok, férgek stb.) és a gerincesek (kutyák, gyíkok, mi) között az, hogy a gerincteleneknek van egy ventrális idegzsinórja (a “hasuk” mentén fut), míg nekünk van egy háti idegzsinórunk (a gerincvelőnk a hátunk mentén fut).
mind az MGN, mind az LGN fontos szerepet játszik annak biztosításában, hogy a féreg érzékei kommunikáljanak izmaival (Drewes et al. 1978). Az MGN szenzoros információkat továbbít a féreg elülső vagy elülső részéről (a clitellumhoz legközelebb eső vég). Ezzel szemben az LGN szenzoros információkat továbbít a féreg hátuljáról vagy hátuljáról (a clitellumtól legtávolabbi vég). Van egy fizikai méret különbség a két rendszer között is. A mediális óriás ideg, 0,07 mm átmérőjű, kissé szélesebb, mint az oldalsó óriás ideg (0.05 mm átmérőjű) (Kladt et. al 2010).
az előző földigilisztakísérletben rögzítette a féreg hátsó vagy hátsó végét, és meghatározta az LGN vezetési sebességét. Ehhez a kísérlethez mind a féreg hátsó (LGN), mind az elülső végéről (MGN) rögzít. Meg akarjuk tudni, hogy van-e különbség a vezetési sebességben a két ideg között. Gondolod, hogy lesz különbség? Nézzünk meg néhányat…..
amikor arra gondolunk, hogy egy akciós potenciál hogyan halad le egy idegsejt axonján, hasznos a televízió hangerejének analógiájára gondolni. Gondoljon arra, hogy bekapcsolja a tévét, majd lassan elsétál tőle. Ahogy egyre messzebb mész, mi történik?
a hangszóróból érkező hang egyre csendesebb lesz, minél távolabb van a forrástól. Ez a példa analóg a feszültségváltozás (az akciós potenciál alapja), amely egy idegsejt axonján folyik le. Egy hipotetikus neuronban, ahol az aktív ioncsatornákat eltávolítják, változtassuk meg a feszültséget a sejttestben, és végezzünk három mérést az axon mentén. Mit gondol, hogyan fognak kinézni a mérések?
figyeljük meg, hogy a jel bomlik. Ennek a bomlásnak az erejét két dolog határozza meg, az időállandó és a hosszállandó. Itt az ideje egy kis mateknak és elektronikának, kedvenc témáink (természetesen a neuronok mellett).
mit jelent az r és c? r az áram áramlásának “ellenállása”, c pedig” kapacitás”, a töltés szigetelő akadályon keresztüli tárolásának mértéke.
először beszéljünk a hosszúsági állandóról (ezt néha “térállandónak”is nevezik). A hosszállandó (6db, vagy lambda) annak mértéke, hogy a feszültség milyen messzire halad le az axonon, mielőtt nullára bomlik. Ha hossza állandó 1 mm, ez azt jelenti, hogy 1 mm-re van a sejttesttől egy axonban, a feszültség nagyságának 37% – A megmarad. A sejttesttől 2 mm-re egy axonban a nagyságrend 14% – a, 3 mm-re pedig 5% marad. Ez egy “exponenciális bomlás” függvényt reprezentál.
a hosszállandót rm-ből és ri-ből kell kiszámítani. rm az idegsejt membránjának elektromos ellenállása, vagy mennyire “elektromosan szivárog”. Minél nagyobb az rm (“kevésbé szivárgó”), annál nagyobb lesz a hosszúsági állandó. ri az intracelluláris folyadék (úgynevezett axoplazma) ellenállása az axonon belül. Ezzel szemben minél alacsonyabb ri, annál nagyobb lesz a hosszúsági állandó.
az időállandó (Tau) hasonló a hosszállandóhoz, de az időre vonatkozik. Ha feszültségváltozást alkalmaznak egy idegsejt belsejében, időbe telik, amíg az idegsejt teljesen “feltöltődik” egy stabil feszültségre. Az időállandó egyenletben cm az idegmembrán kapacitása, amely a membrán töltéstárolási képességének mértéke. Minél nagyobb a kapacitás, annál több időbe telik a kondenzátor teljes feltöltése (vagy kisülése), “pufferként” hatva bármilyen hirtelen feszültségváltozásra.
tehát minél kisebb lesz mind az rm, mind a cm, annál kisebb az időállandó, és annál kevesebb idő szükséges az axon feszültségének megváltoztatásához.
egy “ideális neuronnak” végtelenül hosszú és végtelenül alacsony időállandója lenne. Így bármilyen feszültségváltozás bárhol az idegsejtben azonnal megváltoztatja a feszültséget mindenhol máshol az idegsejtben.
mind az időállandó, mind a hosszállandó a neuronok “passzív” tulajdonságai. Szóval, hogyan állítják meg az idegsejtek az elektromos jelek nullára bomlását? Azáltal, hogy” aktívvá ” válik, és ioncsatornákat használ! A neuronok nátrium – és káliumcsatornákat használnak az axonon lefolyó akciós potenciál regenerálására, hogy “harcoljanak a bomlás ellen”, amely a hosszúság és az időállandók miatt következik be. Amint egy akciós potenciál kilövi az axonját, a nátrium-és káliumcsatornák folyamatosan nyílnak és közel vannak, hogy feltöltsék az akciós potenciált és” terjesszék ” az axonon.
mint az előző földigilisztakísérletből tudják, ennek az akciópotenciálnak az idegsejten történő terjedése véges sebességgel rendelkezik. Minden alkalommal, amikor egy ioncsatornának ki kell nyitnia az akciós potenciál feltöltéséhez, ez késlelteti az akciós potenciál terjedését ~1 ms-mal. és minél kisebb a hosszúsági állandója, annál többet kell regenerálnia az akciós potenciált azáltal, hogy az ioncsatornák az axon hosszában nyitva vannak. Hogyan növelhetjük a hossz állandóját? Ezt az rm növelésével tehetjük meg. Meg tudjuk csinálni valahogy?
Igen! Növelhetjük az rm-et, ha becsomagoljuk az idegsejtet….
a mielin egy zsíros borítás, amelyet speciális sejtek, úgynevezett Schwann-sejtek és oligodendrociták termelnek. Ez a burkolat teszi az axonokat hasonlóvá a hot dog tekercsekhez, és miért nevezik az agyat néha “zsírcsomónak”.”Ez a zsíros borítás az idegi membránt kevésbé szivárogtatja, és jelentősen növeli az rm-t.
de mit gondolsz, mi történne, ha az egész axont lefedné a mielinben? Sajnos a hosszállandó nem növekszik eléggé ahhoz, hogy megússza ezt. Az akciós potenciált még mindig regenerálni kell az axon mentén, bár nem annyiszor, mint egy nem myelinizált axon.
ezért a mielinhüvely szakaszos, periodikusan kitett idegmembrán bitekkel, amelyeket “Ranvier csomópontjainak” neveznek.”Ezekben a csomópontokban nincs mielin, amely lefedi a membránt, és rengeteg aktív ioncsatorna található ott. A Ranvier csomópontjaiban a mielin hossza közötti akciós potenciálok diszkrét regenerálódását “sós vezetésnek” nevezzük.”
de várj! A neuronok mielinnel történő lefedése az idegmembrán belsejét és külsejét távolabb helyezi egymástól. Mivel a kapacitást befolyásolja a töltött testek közötti távolság (lásd Haliday és Resnick), a mielin cm-rel csökken. Ez az idő állandó csökkenését is okozza? Nos, talán nem, mivel, mint korábban mondtuk, a mielin is jelentősen növeli az rm-t.
a cm és az rm egyidejű csökkenésének eredménye feltételezések szerint nem okoz nettó változást az időállandóban, bár a szakirodalomban nincs közvetlen kísérleti bizonyíték. Ha két egyenlő átmérőjű axonja van, az egyiknek 1 mm vastagságú mielinhüvelye van, a másiknak 2 mm vastagságú mielinhüvelye van, mennyivel gyorsabb lesz a második axon? Sajnos ez a válasz ismét kísérletileg ismeretlennek tűnik, mivel a megnövekedett mielinvastagságú neuronok egyidejűleg megnövelték az axonátmérőt is. Amit a számítógépes szimulációkkal általában alátámasztottak, az az, hogy egy mielinizált neuron kétszer olyan vastag, mint egy másik mielinizált neuron, vezetési sebessége kétszer olyan gyors lesz.
van egy másik módja annak, hogy növeljük a vezetési sebességet anélkül, hogy zavarnánk ezeket a speciális sejteket, amelyek zsírral bevonják az idegsejteket. Ezt a módszert sok gerinctelen is használja…
minél nagyobb az axon sugara, annál kisebb lesz mind ri, mind rm. Ne feledje, hogy a hosszúsági állandó egyenletünk kimondja, hogy :
ha mind a felső, mind az alsó sugár változik… úgy tűnik,hogy az axon mérete egyáltalán nem változtatna! De nézzük meg alaposan, hogy ez a két érték hogyan változik az axon méretétől függően. A membránellenállás (rm) az axon kerületével (ahol a membrán van) így változik:
míg a belső ellenállás az axon területével változik.
mind az Ri, mind az Rm konstansok, amelyek mérettől függetlenül mérhetők az idegsejtből (míg az ri és az rm figyelembe veszi a méretet), a 6,14-es szám, a sugár pedig az axon sugara. Tehát most nézzük meg újra ezt az egyenletet:
kíváncsiak vagyunk, hogy mi változik, amikor megváltoztatjuk az axon (sugár) méretét, ezért el akarjuk távolítani a konstans dolgokat, és látni, hogy mi marad, ami megváltozik. Mind az Rm, mind az Ri konstansok, így a 2 és a 6, és az egyik sugár kiesik. Mi maradt egyszerűen, hogy:
így a hosszúság állandó, a vezetési sebesség pedig a sugár négyzetgyökével skálázódik.
vegye figyelembe, hogy a mielin előnyei lényegesen meghaladják az axonátmérő méretének előnyeit. A mielin vastagságának megháromszorozása növeli a vezetési sebességet 3x, míg az axon átmérőjének megháromszorozása csak a 3 négyzetgyökével, vagy 1,7-szeresével növeli a vezetési sebességet. A mielin előállításának azonban metabolikus költsége van (életben kell tartania azokat a speciális sejteket, amelyek zsírban bevonják az idegsejteket), tehát nem minden állat számára tökéletes megoldás. De…még az állatvilágban a mielin nélküli legnagyobb axonok, például az 1 mm átmérőjű tintahal óriás axon, vezetési sebessége csak 20-25 m/s másodperc! Mielinizált axonok vannak a testedben (az a alfa rostok), amelyek átmérője csak 13-20 MHz (a squid axon méretének 1/100-A), mégis vezetési sebességük 80-120 m/s! A mielin egy csodálatos biológiai találmány, amely lehetővé teszi a neuronok számára, hogy mind kicsiek, mind gyorsak legyenek, de drága.
zavaró hang? Ne aggódj, nekünk is zavaró volt az oktatás során. Üdvözöljük a “Kábelelmélet” – ben, amelyet eredetileg az 1800-as években fejlesztettek ki, amikor a mérnökök megpróbálták megérteni a jelátvitelt a távolsági távíró vonalakon. Az idegtudósok ezt az elméletet a 20.század elején alkalmazták az idegsejtekre.
de mit jelent ez a kábelelmélet a földigiliszták két idegtípusa tekintetében? Mivel az MGN mérete 1,4-szer nagyobb, mint az LGN, arra kell számítanunk, hogy 1,18-szor gyorsabb lesz. Korábban az LGN – t ~10-14 m/s-nak mértük, így tehát azt várnánk, hogy az MGN 12-17 m/s legyen. Ez egy kis különbség a felszerelésünk észleléséhez, de próbáljuk ki a kísérletet, hogy lássuk, eredményeink megfelelnek-e az elméletnek!
Letöltések
videó
megjegyzés: az alábbi videó egy újabb, 2015. júliusi videó a worm stretch kísérletünkről, de oktatóanyagként szolgál az új szoftverünk használatához, és az eljárás nagyon hasonló. Az eredeti, 2012. decemberi videót itt tekintheti meg.
Videó
Eljárás
A Laboratóriumhoz Szükséges Anyagok Pontosan Ugyanazok, Mint A Kísérlet: Bevezetés a vezetési sebességbe (neurális sebesség)
- Érzéstelenítsétek És készítsetek egy felvételt a féreg hátsó végéről, ahogy az előző kísérletben is csináltátok.
- ha több tüskét kap, forgassa el a férget 180 fokkal, és helyezze át az elektródákat. Ezúttal a féreg elülső végéből fog mérni.
- most rögzítsen több tüskét az elülső végről úgy, hogy egy fa szondával megérinti a féreg fejét. Ha több tüskéje van, leállíthatja a felvételt, és visszaadhatja a férget a talajába. A földigiliszta elég rugalmas és jól felépül ebből a kísérletből.
- most már készen áll az adatok megtekintésére. Látnia kell egy lapos vonalat vagy túlzott zajt, amikor megfordította az elektródákat. Ez időjelzőként szolgál arra, hogy mikor fordította meg a férget, és most már tudja, melyik tüskék tartoznak a hátsó véghez, és melyik tüskék az elülső véghez. Az alábbi ábra alul az 1 elektróda, felül pedig a 2 elektróda rögzítését mutatja.
- most már nagyíthatja a tüskéit, és megmérheti a vezetési sebességet. Vegyünk 5-6 tüskét.
- ismételje meg a kísérletet többször néhány féreggel. Ez ad egy jó adathalmaz dolgozni. Ne felejtse el tisztítani az elektródákat alkohollal vagy vízzel, valamint papírtörlővel minden féreg után.
- most statisztikai tesztet kell futtatnia, nevezetesen a T-tesztet, hogy megvizsgálja, hogy a vezetési sebesség különbözik-e a két idegnél. Ha még nem tudja, hogyan kell ezt megtenni, akkor vegye be az adatkészletet, és kövesse a statisztikai óraterv. Ha ezt az óravázlatot elvégezte, vagy van némi tapasztalata a statisztikákban, akkor folytathatja az alábbi számításokat.
- Vegyük az MGN és LGN felvételek átlagát és szórását.
- végül számoljuk ki a T-statisztikát és a p-értéket.
mit találtál? A két vezetési sebesség különbözik egymástól?
Vita
ha a kísérlet sikeres volt, akkor azt kellett volna megállapítania, hogy az MGN (elülső vég) vezetési sebessége valóban szignifikánsan gyorsabb volt, de nem 1.2x gyorsabb, de inkább 2-4x gyorsabb! Miért van ez? Emlékeztethet arra, hogy a földigiliszták neuronjai valójában mielinizáltak! Néhány gerinctelen állat, mint például néhány garnélarák és néhány féreg, valójában mielint tartalmaz.
jellemzően, ahogy az axon növeli átmérőjét, a mielin vastagsága is növekszik. Talán az MGN vastagabb mielinhüvellyel is rendelkezik. Ez lenne egy kiváló szövettani projekt, hogy megtudja. Tudassa velünk, ha megfelel a kihívásnak, és tudassa velünk, mit talál!
ha van ötlete arról, hogy mi okozza ezt a váratlanul nagy különbséget, szívesen hallanánk róla. Talán a professzor tudja? Üdvözöljük a biológia és a váratlan eredmények! Továbbá, ha megérti, hogy a hosszabb időállandó miért növeli a vezetési sebességet, tudassa velünk ezt is.
megfontolandó kérdések
- az érzéstelenítő hatással van-e az MGN és az LGN vezetési sebességére?
- a féreg általános mérete befolyásolja a vezetési sebességet?
- alternatív érzéstelenítőként 40-60% – os szénsavas vízoldatban is érzéstelenítheti a férget 5-9 percig. Ez megváltoztatja a vezetési sebesség méréseit.
- a Lumbriculus variegatus (California Blackworm) féreg valójában nagyobb LGN-vel rendelkezik, mint az MGN, ezért azt várnánk, hogy eredményeink ellentétesek legyenek azzal, amit itt megfigyeltünk a Lumbricus terrestris nightcrawlers-szel. Végezze el ezt a kísérletet, és tudassa velünk, mit talál!
- milyen vastag a mielin? Nekünk nincs hozzáférésünk kiterjedt szövettani anyagokhoz, de neked igen. Miért nem vesz néhány szeletet a földigilisztából, méri meg az axon átmérőjét és a mielin vastagságát mindkét idegen, és jelentést tesz nekünk?
hibaelhárítás
ez néha nehéz kísérlet lehet, mert a féreg nem termel tüskéket az alkalmazott érzéstelenítő mennyiségétől és idejétől, valamint a féreg általános egészségi állapotától függően. Ha körülbelül 3-6 percig ragaszkodik a 10% – os alkoholos oldathoz, akkor a féregnek legtöbbször tüskéket kell produkálnia, amint elkezdi (ne felejtse el lemosni a férget vízben, miután érzéstelenítette).
Ön is szeretné, hogy megpróbálja megérinteni a féreg többé-kevésbé nyomást. Néha egy nagyon kis csap fog működni, máskor erősebb sajtóra lehet szükség. Egyes férgek jobban reagálnak egy ingerre testük legvégén, míg mások jobban reagálnak egy néhány centiméter befelé irányuló ingerre.
végül néha műtárgyat okoz, amikor megérinti a férget. A műtárgy hullámformáit alaposan megvizsgálva a műtárgyak mindkét csatornán pontosan ugyanúgy jelennek meg. Ez egy hamis tüske, nem fiziológiai! Néha a szonda rendszeres szárítása segít; ne hidratálja túl sokat a férget vízben (bár vigyázzon arra is, hogy ne szárítsa ki a férget). Ez egy gondos egyensúly, és akkor fejleszteni a saját stílusát és technikáját, ahogy tapasztalatokat szereznek.
műanyag, fa vagy üvegcsúcs helyett levegő stimulust is használhat egy levegőből, ha túl sok hamis tüskét kap. Érdemes megfordítani a férget is, hogy a ventrális vagy az alsó oldal felfelé nézzen. Ez azt jelenti, hogy amikor megérinti a férget a szondával, az érintés közelebb lesz az ideghez.