背景
注:この実験は査読され、ジャーナル”生理学教育の進歩”にアメリカ生理学協会によって出版された-論文、intrepidサイエンティストを読んで、以下に記載されている実験のより詳細な治療のために。
以前は、ミミズの神経線維系から伝導速度を測定する方法を学びました。 あなたは、ワームは、その体の長さを実行する三つの大きなニューロン、内側巨大神経（MGN）と二つの融合外側巨大神経（LGN）を持っていることを覚えています。
これらの内側および外側の巨大な神経を含む腹側、または「底部」の神経コードを詳しく見てみましょう。 無脊椎動物（昆虫、虫など）と脊椎動物（犬、トカゲ、私たち）の違いの1つは、無脊椎動物には腹側神経索（腹に沿って走る）があり、背側神経索（脊髄は裏側に沿って走る）
MGNとLGNの両方が、ワームの感覚がその筋肉と通信することを確実にする上で重要な役割を果たす（Drewes et al. 1978). MGNは、ワームの前部または前部（陰核に最も近い端部）に関する感覚情報を送信します。 対照的に、LGNは、ワームの後部または後部（陰核から最も遠い端）に関する感覚情報を送信します。 これら2つのシステムの間にも物理的なサイズの違いがあります。 内側巨大神経は、直径0.07mmで、外側巨大神経（0.07mm）よりもわずかに広い。直径の05のmm）（Kladt et。 アル2010）。
前回のミミズ実験では、ミミズの後端または後端から記録し、LGNの伝導速度を決定しました。 この実験では、ワームの後部（LGN）と前端（MGN）の両方から記録します。 2つの神経の間に伝導速度に違いがあるかどうかを調べたいと思います。 あなたは何か違いがあると思いますか？ いくつか考えてみましょう。….
活動電位がニューロンの軸索をどのように移動するかを考えるとき、テレビの音量のアナロジーについて考えることは有用である。 お使いのテレビをオンにし、ゆっくりとそれから離れて歩いて考えてみてください。 あなたはさらに、さらに離れて歩くように何が起こりますか？
スピーカーから来る音は、あなたが離れてソースから離れているさらに静かで静かになります。 この例は、ニューロンの軸索を流れる電圧変化（活動電位の基礎）に類似している。 活性イオンチャネルが除去された仮説的なニューロンでは、細胞体の電圧を変化させ、軸索に沿って三つの測定を行いましょう。 あなたは測定値がどのように見えると思いますか？
信号が減衰することに注意してください。 この減衰の強さは、時定数と長さ定数の二つのことによって決定されます。 いくつかの数学と電子工学のための時間、私たちの好きな科目（もちろんニューロン以外）。
rとcの意味は何ですか？ rは電流に対する「抵抗」であり、cは「容量」であり、絶縁障壁を横切る電荷の貯蔵の尺度である。
まず、長さ定数について話しましょう（これは”空間定数”とも呼ばれます）。 長さ定数（λ、またはλ）は、電圧がゼロに減衰する前に軸索をどれだけ下に移動するかの尺度です。 あなたが1mmの長さ定数を持っているならば、それは軸索の細胞体から1mm離れていることを意味します、電圧の大きさの37％が残ります。 軸索の細胞体から2mm離れたところでは、大きさの14％が残り、3mm離れたところでは5％が残る。 これは「指数関数的減衰」関数の代表です。
長さ定数はrmとriから計算されます。 rmは、ニューロンの膜の電気抵抗、またはそれがどのように「電気的に漏れやすい」かです。 Rm(“less leaky”)が大きいほど、長さ定数は大きくなります。 riは軸索の中の細胞内の液体（axoplasmと呼出される）の抵抗です。 逆に、ｒｉが低いほど、長さ定数が大きくなる。
時定数（Τ、またはtau）は長さ定数に似ていますが、時間に適用されます。 電圧変化がニューロンの内部に印加されると、ニューロンが安定した電圧に完全に”充電”するのに時間がかかります。 時定数式において、cmは神経膜の静電容量であり、これは膜が電荷を貯蔵する能力の尺度である。 容量が高いほど、コンデンサが完全に充電（または放電）するのにかかる時間が長くなり、突然の電圧変化に対する「バッファ」として機能します。
したがって、rmとcmの両方が小さくなるほど、時定数が小さくなり、軸索の電圧を変更するのに必要な時間が短くなります。
「理想的なニューロン」は、無限に高い長さ定数と無限に低い時定数を持つでしょう。 したがって、ニューロン内の任意の電圧変化は、ニューロン内の他のどこでも即座に電圧を変化させる。
時定数と長さ定数の両方がニューロンの”受動的な”特性です。 だから、あなたのニューロンはどのようにゼロに減衰から電気信号を停止しますか？ “アクティブ”になり、イオンチャネルを使用することによ あなたのニューロンは、長さと時定数のために起こる”崩壊と戦う”ために軸索を流れる活動電位を再生するためにナトリウムとカリウムチャネルを使 活動電位があなたの軸索の下で発射すると同時に、ナトリウムおよびカリウムチャネルは活動電位を再充電し、軸索の下の”伝播”するために絶えず開
あなたが以前のミミズの実験から知っているように、ニューロンの下のこの活動電位の伝播は有限の速度を持っています。 イオンチャネルが活動電位を再充電するために開く必要があるたびに、これは活動電位の伝播を〜1ms遅らせます。 どのようにして長さを定数に増やすことができますか？ Rmを増やすことでこれを行うことができます。 これを行う方法はありますか？
はい！ ニューロンをラップすることでrmを増やすことができます。…
ミエリンは、シュワン細胞とオリゴデンドロサイトと呼ばれる特殊な細胞によって産生される脂肪被覆である。 このカバーは、軸索がホットドッグロールに似て見えるようにするものであり、なぜ脳は時々”脂肪の塊”と呼ばれています。”この脂肪被覆は、神経膜を漏れにくくし、rmを実質的に増加させる。
しかし、あなたはミエリンの軸索全体をカバーした場合、どうなると思いますか？ 残念ながら、長さ定数はあなたがこれを取り除くのに十分に増加していません。 活動電位はまだ軸索に沿って再生する必要がありますが、無髄軸索ほど何度も再生する必要はありません。
これがミエリン鞘が不連続であり、”Ranvierのノード”と呼ばれる神経膜の周期的な露出したビットである理由です。「これらの節では、ミエリンが膜を覆っておらず、そこにはたくさんの活性イオンチャネルが存在します。 ランヴィエの節におけるミエリンの長さの間の活動電位の離散的な再生は”塩伝導”と呼ばれる。”
しかし、待って！ ミエリンでニューロンを覆うことは、神経膜の内側と外側を互いに遠く離れています。 このような場合には、相手の体の大きさに応じて、相手の体の大きさが変化していきますので、自分の体の大きさに応じて、自分の体の大きさが変化していくのです。 これは時定数の減少を引き起こすのでしょうか？ まあ、おそらく、私たちが以前に言ったように、ミエリンもrmを大幅に増加させるので、そうではありません。
cmのこの同時減少とrmの増加の結果は、文献の直接的な実験的証拠が欠けているが、時定数の正味の変化を引き起こさないと仮定されている。 あなたが2つの等しい直径の軸索を持っていて、1つが厚さ1mmのミエリン鞘を持っていて、もう1つが厚さ2mmのミエリン鞘を持っているならば、2番目の軸索はどれくらい速くなるでしょうか? 残念なことに、この答えは、ミエリンの厚さが増加したニューロンも同時に軸索の直径が増加しているため、実験的には不明であるように見えます。 一般的にコンピュータシミュレーションで負担されていることは、他の有髄ニューロンの二倍の厚さの有髄ニューロンは、二倍の速さの伝導速度を有するこ
神経細胞を脂肪で被覆するこれらの特殊な細胞全てに煩わされることなく、伝導速度を上げる別の方法がある。 この方法は、多くの無脊椎動物が使用するものでもあります。..
軸索の半径が大きいほど、riとrmの両方が小さくなります。 私たちの長さ定数方程式の状態を覚えておいてください :
上部と下部の両方が半径に応じて変化する場合。.. 軸索の大きさは全く違いがないようです！ しかし、これらの2つの値が軸索のサイズによってどのように変化するかを慎重に見てみましょう。 膜抵抗（rm）は、軸索の周囲（膜がある場所）によって次のように変化します:
内部抵抗は軸索の面積とともに変化する。
RiとRmはどちらもサイズに関係なくニューロンから測定できる定数であり（riとrmはサイズを考慮に入れます）、λは3.14であり、半径は軸索の半径です。 だから今のは、再びその方程式を見てみましょう:
軸索（半径）のサイズを変更したときに何が変化するかを見ることに興味があるので、定数であるものを削除し、その変更が残っているものを確認し RmとRiは両方とも定数であり、2とπも定数であり、1つの半径が相殺されます。 私たちは単にそれを残しています:
したがって、長さ定数と伝導速度は、半径の平方根でスケーリングされます。
ミエリンの利点は、軸索径サイズの利点を大幅に上回ることに注意してください。 ミエリンの厚さを三倍にすると伝導速度が3倍になりますが、軸索の直径を三倍にすると伝導速度が3の平方根、つまり1.7倍になります。 しかし、ミエリンを作ることには代謝コストがあります（ニューロンを脂肪で覆う特別な細胞を生きたままにする必要があります）ので、すべての動物に しかし。..動物界でミエリンのない最大の軸索でさえ、直径1mmのイカの巨大な軸索のように、伝導速度は20-25m/s秒しかありません！ あなたは直径がわずか13-20μ m（イカ軸索の大きさの1/100）であるあなたの体（aアルファ繊維）の軸索を有髄していますが、80-120m/sの伝導速度を持っています！ ミエリンは素晴らしい生物学的発明であり、ニューロンが小さくて速くなることを可能にするが、それは高価である。
心配しないで、それは私達の教育の間に私達のために余りに混乱していた。 エンジニアが長距離の電信ラインを渡る信号伝達を理解することを試みていたときに最初に1800年代に開発された”ケーブル理論”への歓迎。 神経科学者はその後、20世紀初頭にニューロンにこの理論を適用しました。
しかし、このすべてのケーブル理論は、ミミズの2つの神経タイプに関して何を意味していますか？ MGNはLGNよりも1.4倍大きいので、1.18倍高速になると予想する必要があります。 我々は以前にLGNを〜10-14m/sと測定したので、MGNは12-17m/sであると予想するでしょう。 それは私たちの機器が検出するための小さな違いですが、私たちの結果が理論と一致するかどうかを確認するために実験を試してみましょう！
ビデオ
注:以下のビデオは、私たちのワームストレッチ実験に関するより最近のJuly2015ビデオですが、私たちの新しいソフトウェアを使用するためのチュート オリジナルの2012年12月のビデオを見ることができますここに。
ビデオ
手順
この研究室に必要な材料は実験とまったく同じです: 伝導速度（神経速度）の紹介)
- 前の実験で行ったように、ワームの後端の記録を麻酔して撮影します。
- あなたはいくつかのスパイクを取得したら、ワームを180度回転させ、電極の位置を変更します。 今回はワームの前端から測定します。
- 今度は、木製のプローブでワームの頭に触れることによって、前端からいくつかのスパイクを記録します。 あなたはいくつかのスパイクを持っていたら、あなたは記録を停止し、その土壌にワームを返すことができます。 ミミズは非常に弾力性があり、この実験からよく回復します。
- これでデータを見る準備が整いました。 電極を反転させたときに、平らな線や過度のノイズが表示されるはずです。 これは、ワームを反転したときの時間マーカーとして機能し、どのスパイクが後端に属し、どのスパイクが前端に属しているかを知ることができます。 下の図は、下部の電極1と上部の電極2の記録を示しています。
- これで、あなたのスパイクにズームインし、伝導速度を測定することができます。 5-6スパイクの測定値を取る。
- いくつかのワームで実験を数回繰り返します。 これにより、作業するのに適したデータセットが得られます。 各ワームの後にいくつかのアルコールや水とペーパータオルであなたの電極をきれいにすることを忘れないでください。
- ここで、2つの神経の伝導速度が異なるかどうかを調べるために、統計的検定、すなわちT検定を実行する必要があります。 あなたはまだこれを行う方法がわからない場合は、あなたのデータセットを取り、私たちの統計レッスンプランに沿って従うことができます。 あなたはこのレッスンプランを行っているか、統計でいくつかの経験を持っている場合は、先に行くと、以下の計算を実行することができます。
- あなたのMGNとLGNの記録の平均と標準偏差を取ります。
- 最後に、t統計量とp値を計算しましょう。
何を見つけましたか？ 2つの伝導速度は互いに異なっていますか？
ディスカッション
あなたの実験が成功した場合、あなたはMGN（前端）伝導速度は確かに有意に高速であったが、1ではなかったことを発見してい2倍速く、しかし、より速く2-4倍のような！ これはなぜですか？ あなたはミミズのニューロンが実際に有髄化されていることを思い出すかもしれません！ いくつかのエビやいくつかのワームなどのいくつかの無脊椎動物は、実際にミエリンを持っています。
通常、軸索の直径が大きくなると、ミエリンの厚さも増加します。 おそらく、MGNは同様に厚いミエリン鞘を有する。 これは見つけるために優秀な組織学のプロジェクトのために作る。 あなたが挑戦している場合は、私たちに知らせて、私たちはあなたが見つけるものを知ってみましょう！
この予想外に大きな違いの原因について考えているなら、それについて聞いてみたいと思います。 たぶんあなたの教授は知っていますか？ 生物学および予想外の調査結果への歓迎! また、より長い時定数を持つことが伝導速度を増加させる理由を理解している場合は、それもお知らせください。
考慮すべき質問
- 麻酔薬はMGNとLGNの伝導速度に影響を与えますか？
- ワームの一般的なサイズは伝導速度に影響を与えますか？
- また、代替麻酔薬として40%-60%炭酸水溶液中で5-9分間麻酔することもできます。 これは伝導速度の測定値を変更します。
- ワームLumbriculus variegatus（California Blackworm）は実際にはMGNよりも大きなLGNを持っているので、私たちの結果は私たちのLumbricus terrestris nightcrawlersでここで観察したものとは反対であることを期待します。 この実験を行い、私たちはあなたが見つけるものを知ってみましょう！
- ミエリンの厚さは？ 私たちは、広範な組織学のリソースへのアクセス権を持っていませんが、あなたは可能性があります。 なぜミミズのいくつかのスライスを取り、両方の神経の軸索の直径とミエリンの厚さを測定し、私たちに報告してみませんか？
トラブルシューティング
ワームは、使用される麻酔薬の量と時間、およびワームの一般的な健康状態によってはスパイクを生成しない可能性があるため、これは困難な実験になることがあります。 約3-6分の10%のアルコール解決に付ければ、みみずは始まるとすぐスパイクをほとんどの時間作り出すべきです（それを麻酔した後水のみみずを洗浄す
あなたはまた、多かれ少なかれ圧力でワームに触れてみてくださいすることができます。 時には非常に小さなタップが動作し、他の回はより強力なプレスが必要になる場合があります。 いくつかのワームは、自分の体の最後に刺激によく反応し、他のものは数センチメートル内側の刺激によく反応します。
最後に、ワームに触れるとアーティファクトが発生することがあります。 アーティファクト波形をよく見ると、アーティファクトは両方のチャンネルでまったく同じに表示されます。 これは偽のスパイクであり、生理学的ではありません！ 時々、あなたの調査を周期的に乾燥することは助けます; また、あまりにも多くの水でワームを再水和しないでください（また、ワームを乾燥させないように注意してください）。 それは注意深いバランスであり、経験を積むと同時にあなた自身の様式および技術を開発する。
偽のスパイクが多すぎる場合は、プラスチック、木製、またはガラスのチップの代わりに空気缶からの空気刺激を使用することもできます。 また、腹側または下側が上を向いているように、ワームを裏返しておくこともできます。 これをすることはあなたの調査が付いているみみずに触れるとき接触が神経に近い方にあることを意味する。