배경
참고:이 실험은 미국 생리 학회에서”생리학 교육의 발전”저널에 동료 검토 및 출판되었습니다.
이전에는 지렁이의 신경 섬유 시스템에서 전도 속도를 측정하는 방법을 배웠습니다. 당신은 웜이 몸의 길이를 실행하는 세 개의 큰 뉴런을 가지고 기억,내측 거대 신경(거대 신경)두 융합 측면 거대 신경(거대 신경).
이 내측 및 외측 거대 신경을 포함하는 복부 또는”바닥”신경 코드를 자세히 살펴 보겠습니다. 무척추 동물(곤충,벌레 등)과 척추 동물(개,도마뱀,우리)의 차이점 중 하나는 무척추 동물은 복부 신경 코드(“배”를 따라 달리기)를 가지고있는 반면 우리는 등쪽 신경 코드(우리의 척수는 뒷면을 따라 달린다).
웜의 감각이 근육과 소통하는 데 중요한 역할을 합니다. 1978). 이 정보는 웜의 앞쪽 또는 앞쪽(음핵에 가장 가까운 끝)에 대한 감각 정보를 전달합니다. 이와는 대조적으로,성소성소독증은 웜의 뒤쪽 또는 뒤쪽(음핵에서 가장 먼 끝)에 대한 감각 정보를 전송합니다. 이 두 시스템 사이에는 물리적 크기 차이가 있습니다. 내측 거대 신경은 직경이 0.07 밀리미터 인 외측 거대 신경(0.2018 년 10 월 15 일 알 2010).
이전 지렁이 실험에서 웜의 뒤쪽 또는 뒤쪽 끝에서 기록하고 성소 전도 속도를 결정했습니다. 이 실험의 경우,웜의 후부(자궁 경부)와 앞쪽 끝(자궁 경부)모두에서 기록합니다. 우리는 두 신경 사이에 전도 속도에 차이가 있는지 알아보고 싶습니다. 당신은 어떤 차이가있을 것입니다 생각하십니까? 몇 가지를 고려해 봅시다…..
활동 잠재력이 뉴런의 축삭 아래로 어떻게 이동하는지 생각할 때,텔레비전의 볼륨에 대한 비유를 생각하는 것이 유용합니다. 너의 텔레비젼을 켜고 그때 천천히 그것에서 멀리 걷기에 관하여 생각하십시요. 당신이 더 멀리 걸어 어떻게됩니까?
스피커에서 나오는 소리가 더 조용하고 조용한 얻을 더 멀리 소스에서입니다. 이 예는 뉴런의 축삭 아래로 흐르는 전압 변화(활동 전위의 기초)와 유사합니다. 활성 이온 채널이 제거 된 가상의 뉴런에서 세포체의 전압을 변경하고 축삭을 따라 세 번 측정 해 봅시다. 측정값이 어떻게 보일 것이라고 생각하십니까?
신호가 붕괴되는 것을 알 수 있습니다. 이 붕괴의 강도는 시간 상수와 길이 상수의 두 가지에 의해 결정됩니다. 일부 수학 및 전자,(물론 신경 세포 외에)우리가 제일 좋아하는 과목을위한 시간.
이 두 가지 주요 기능은 다음과 같습니다. 아르 자형 이다”저항”전류 흐름,및 씨 이다”커패시턴스,”절연 장벽을 가로 지르는 전하 저장 측정.
먼저 길이 상수에 대해 이야기 해 봅시다(“공간 상수”라고도 함). 그만큼 길이 상수(제 2,또는 람다)는 전압이 축삭 아래로 얼마나 멀리 이동하는지 측정 한 것입니다. 축삭의 세포체로부터 1 밀리미터 떨어진 곳에서 전압 크기의 37%가 남아 있습니다. 축삭에서 세포 체로부터 2 밀리미터 떨어진 곳에서는 크기의 14%가 남아 있고,3 밀리미터 떨어진 곳에서는 5%가 남아 있습니다. 이것은”지수 붕괴”함수를 나타냅니다.
길이 상수는 다음과 같이 계산됩니다. 아르 자형 아르 자형 이다 전기 저항 의 뉴런 막,또는 얼마나”전기적으로 새는”그것입니다. 더 큰 아르 자형(“덜 새는”)는 길이 상수가 더 클 것입니다. 이 세포 내 유체의 저항이다(라고 축색 돌기)축삭 내부. 반대로,낮은 리입니다,더 큰 길이 상수가 될 것입니다.
시간 상수(9945)는 길이 상수와 비슷하지만 시간에 적용됩니다. 전압 변화가 뉴런 내부에 적용되면 뉴런이 안정적인 전압으로 완전히”충전”되는 데 시간이 걸립니다. 시간 상수 방정식에서 센티미터 이다 용량 의 신경 막,이는 막의 전하 저장 능력의 척도입니다. 커패시턴스가 높을수록 커패시터가 완전히 충전(또는 방전)하는 데 더 많은 시간이 걸리며 갑작스런 전압 변화에 대한”버퍼”역할을합니다.
따라서 축삭 전압과 축삭 전압이 작을수록 시간 상수는 작아지고 축삭 전압은 작아진다.
“이상적인 뉴런”은 무한히 높은 길이 상수와 무한히 낮은 시간 상수를 갖습니다. 따라서 뉴런의 어느 곳에서나 전압 변화는 뉴런의 다른 모든 곳에서 전압을 즉시 변경합니다.
시간 상수와 길이 상수는 모두 뉴런의”수동적”속성입니다. 그렇다면 어떻게 뉴런이 전기 신호가 0 으로 부패하는 것을 막을 수 있습니까? “활성”되 고 이온 채널을 사용 하 여! 당신의 뉴런은 나트륨과 칼륨 채널을 사용하여 축삭 아래로 흐르는 활동 잠재력을 재생성하여 길이와 시간 상수로 인해 발생하는”붕괴와 싸우십시오”. 활동 잠재력이 당신의 축삭의 아래 발사하기 때문에,나트륨과 칼륨 수로는 활동 잠재력을 재충전하고 축삭의 아래”그것을”전파하기 위하여 계속해서 열리고 닫힙니다.
이전 지렁이 실험에서 알다시피,이 활동 전위 전파는 뉴런 아래로 유한 한 속도를 가지고 있습니다. 그리고 길이 상수가 작을수록 축삭의 길이를 따라 이온 채널을 열어 활동 전위를 재생성해야 합니다. 길이 상수를 어떻게 늘릴 수 있습니까? 우리는 이것을 증가시켜서 할 수 있습니다. 우리가 이것을 할 수 있는 방법 있는가?
예! 우리는 신경 세포를 감싸서 루피엠을 증가시킬 수 있습니다….
미엘린은 슈반 세포와 희소 돌기 아교 세포라는 특수 세포에 의해 생성 된 지방 덮개입니다. 이 덮개는 축삭을 핫도그 롤과 비슷하게 보이게하고 뇌가 때때로”지방 덩어리”라고 불리는 이유입니다.”이 지방 덮개는 신경 막을 덜 새지 않게 만들고 실질적으로 루멘을 증가시킵니다.
하지만 수초 안에 축삭 전체를 덮으면 어떤 일이 일어날 것이라고 생각하십니까? 불행히도,길이 상수는 당신이 이것을 벗어날 수있을만큼 충분히 증가하지 않습니다. 활동 전위는 여전히 축삭을 따라 재생 될 필요가 있지만,수초가없는 축삭만큼 여러 번 재생되지는 않습니다.
이것이 미엘린이 불연속적인 이유이며,주기적인 노출 된 신경 막의 비트가”랜 비어의 노드”라고 불립니다.”이 노드에서는 미엘린이 막을 덮지 않으며 많은 활성 이온 채널이 거기에 있습니다. 랜 비어의 노드에서 수초의 길이 사이의 활동 전위의 이산 재생은”염분 전도”라고합니다.”
하지만 기다려! 뉴런을 미엘린으로 덮으면 신경 막의 내부와 외부가 서로 멀리 떨어져 있습니다. 커패시턴스는 충전 된 몸체 사이의 분리 거리에 의해 영향을 받기 때문에(당신의 할리데이와 레스 닉 참조),미엘린은 센티미터 감소 할 것이다. 이것 또한 시간 상수의 감소를 유발합니까? 글쎄,아마도 우리가 앞서 말했듯이,미엘린은 또한 실질적으로 증가하기 때문에 아닙니다.
문학에서 직접 실험 증거가 부족 하지만 상수에 순 변화를 일으킬 가설 이다. 두 개의 동일한 직경의 축삭이 있고 하나는 1 밀리미터 두께의 미엘린을 가지고 있고 다른 하나는 2 밀리미터 두께의 미엘린을 가지고 있다면 두 번째 축삭은 얼마나 빨라질 것입니까? 불행히도,다시,이 대답은 증가 된 미엘린 두께를 가진 뉴런이 동시에 축삭 직경을 증가시키기 때문에 실험적으로 알려지지 않은 것으로 보입니다. 무엇 일반적으로 컴퓨터 시뮬레이션으로 부담 된 것은 다른 유수초 뉴런의 두 배 두께 유수초 뉴런은 두 배 빠른 전도 속도를 가질 것입니다.
뉴런을 지방으로 코팅하는 이러한 모든 특수 세포를 귀찮게하지 않고 전도 속도를 높이는 또 다른 방법이 있습니다. 이 방법은 또한 많은 무척추 동물이 사용하는 것입니다…
축삭 반경이 클수록 리와 리엠 모두 작아 질 것입니다. 우리의 길이 상수 방정식 상태를 기억 :
상단 및 하단 모두 반지름에 따라 다릅니다… 축삭의 크기가 전혀 차이를 만들지 않을 것 같습니다! 이 두 값이 축삭의 크기에 따라 어떻게 달라지는지 자세히 살펴보겠습니다. 막 저항은 축삭(막이 있는 곳)의 둘레에 따라 다음과 같이 변화합니다:
내부 저항은 축삭의 영역으로 변경하는 동안.
둘 다 리 과 아르 자형 에 관계없이 뉴런에서 측정 할 수있는 상수입니다 크기,(반면 리 과 아르 자형 엠 고려 크기),3.14 이고 반경은 축삭의 반경입니다. 이제 그 방정식을 다시 살펴 보겠습니다:
우리는 축삭(반지름)의 크기를 바꿀 때 어떤 변화가 일어나는지 보는 것에 관심이 있습니다.그래서 우리는 상수 인 것들을 제거하고 그 변화가 무엇이 남아 있는지보고 싶습니다. 두 아르 자형 미디엄 과 리 상수이므로 2 와 1 과 1 과 1 의 반지름이 없어집니다. 우리는 단순히 왼쪽:
따라서 길이 상수 및 전도 속도는 반경의 제곱근과 함께 확장됩니다.
미엘린의 이점은 축삭 직경 크기의 이점보다 훨씬 큽니다. 미엘린 두께를 3 배로 늘리면 전도 속도가 3 배 증가하는 반면 축삭 직경을 3 배로 늘리면 전도 속도가 3 의 제곱근 또는 1.7 배 증가합니다. 그러나 미엘린을 만드는 데는 신진 대사 비용이 들며(지방에있는 뉴런을 코팅하는 특수 세포를 살아있게 유지해야 함)모든 동물에게 완벽한 해결책은 아닙니다. 하지만…동물의 왕국에서 수초없이 심지어 가장 큰 축삭,같은 1 밀리미터 직경 오징어 거대한 축삭으로,단지 20-25 미터/초의 전도 속도를 가지고! 당신은 당신의 몸에있는 축삭을 수초화 한(알파 섬유)단지있는 13-20 000 직경(1/100 오징어 축삭의 크기),아직있는 전도 속도를 가지고 80-120 000/초! 미엘린은 뉴런이 작고 빠른 모두 얻을 수 있도록,멋진 생물학적 발명품이다,그러나 그것은 비싸다.
소리가 혼란 스럽습니까? 걱정하지 마세요,그것은 우리의 교육 기간 동안 너무 우리를 위해 혼란이었다. 에 오신 것을 환영합니다”케이블 이론”,이는 원래 엔지니어가 장거리 전신 라인을 통해 신호 전송을 이해하려고 할 때 1800 년대에 개발되었다. 그런 다음 신경 과학자들은 20 세기 초에이 이론을 뉴런에 적용했습니다.
그러나이 모든 케이블 이론은 지렁이의 두 가지 신경 유형과 관련하여 무엇을 의미합니까? 경기도지사가 경기도지사보다 1.4 배 더 크기 때문에,경기도지사가 1.18 배 더 빨라질 것으로 예상해야 한다. 우리는 이전에 성소수자를~10-14 미디엄/초로 측정 했으므로 미디엄자가 12-17 미디엄/초가 될 것으로 기대합니다. 즉 감지 할 수있는 우리의 장비에 대한 작은 차이,하지만 우리의 결과가 이론과 일치하는지 확인하기 위해 실험을 해보자!
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비디오
참고:아래의 비디오는 우리의 웜 스트레치 실험에 대한 최근 2015 년 7 월 비디오이지만,우리의 새로운 소프트웨어를 사용하는 튜토리얼 역할을하고,절차는 매우 유사하다. 여기에서 2012 년 12 월 비디오를 볼 수 있습니다.
비디오
절차
이 실험실에 필요한 재료는 실험과 정확히 동일합니다: 전도 속도 소개(신경 속도)
- 마취하고 이전 실험에서 그랬던 것처럼 웜의 뒤쪽 끝의 기록을.
- 여러 스파이크를 얻으면 웜을 180 도 회전시키고 전극의 위치를 변경하십시오. 당신은 웜의 앞쪽 끝에서이 시간을 측정한다.
- 이제 나무 프로브로 웜의 머리를 만져 전방 끝에서 여러 스파이크를 기록하십시오. 당신은 여러 스파이크가 있으면,당신은 기록을 중지하고 토양에 웜을 반환 할 수 있습니다. 지렁이는 매우 탄력적이며이 실험에서 잘 회복됩니다.
- 이제 데이터를 볼 준비가되었습니다. 당신이 주위에 전극을 이성을 상실 할 때 당신은 평평한 선이나 과도한 소음을 볼 수 있습니다. 이것은 당신이 웜을 뒤집어 때의 시간 마커 역할,그리고 지금 당신은 스파이크가 후방 끝에 속하고 앞쪽 끝에 속하는 스파이크 알고. 아래 그림은 바닥에 전극 1 과 상단에 전극 2 의 기록을 보여줍니다.
- 당신은 지금 당신의 스파이크를 확대하고 전도 속도를 측정 할 수 있습니다. 5-6 스파이크를 측정하십시오.
- 일부 웜으로 실험을 여러 번 반복하십시오. 이것은 당신에게 작업 할 수있는 좋은 데이터 세트를 제공 할 것입니다. 각 벌레 후에 약간 알콜 물 및 종이 타월로 당신의 전극을 청소하는 것을 잊지 말라.
- 전도 속도가 두 신경에 대해 다른지 여부를 검사하기 위해 통계적 테스트,즉 티 테스트를 실행해야합니다. 아직이 작업을 수행하는 방법을 모르는 경우에 당신은 당신의 데이터 세트를 가지고 우리의 통계 수업 계획에 따라 수행 할 수 있습니다. 이 수업 계획을 수행하거나 통계에 경험이있는 경우에 당신은 가서 아래의 계산을 수행 할 수 있습니다.
- 녹음의 평균 및 표준 편차를 가져옵니다.
- 마지막으로 티-통계 및 피-값.
당신은 무엇을 찾았습니까? 두 전도 속도가 서로 다른가요?
토론
실험이 성공적이었다면 전도 속도가 실제로 상당히 빨랐지만 1 이 아니라는 것을 발견했을 것입니다.2 배 빠르지 만 2~4 배 빠릅니다! 왜 그럴까요? 지렁이 뉴런이 실제로 수초화되었다는 것을 기억할 수 있습니다! 일부 새우 및 일부 벌레와 같은 일부 무척추 동물은 실제로 미엘린을 가지고 있습니다.
일반적으로 축삭의 직경이 증가함에 따라 미엘린 두께도 증가합니다. 아마 매그니칸은 더 두꺼운 미엘린 칼집을 또한 비치하고 있을 것이다. 이 찾을 수있는 훌륭한 조직학 프로젝트를 만들 것입니다. 당신이 도전까지 있다면 저희에게 알려,우리는 당신이 무엇을 발견 알려!
이 예기치 않게 큰 차이를 일으키는 원인에 대한 아이디어가 있다면,우리는 그것에 대해 듣고 싶습니다. 어쩌면 당신의 교수는 알고? 생물학 및 예기치 않은 결과에 오신 것을 환영합니다! 더 긴 시간 상수를 갖는 것이 왜 전도 속도를 증가 시키는지 이해한다면,그 또한 알려주십시오.
고려해야 할 질문
- 마취제가 전도 속도에 영향을 미칩니 까?
- 웜의 일반적인 크기가 전도 속도에 영향을 줍니까?
- 또한 대체 마취제로 5-9 분 동안 40%-60%탄산수 물 용액으로 웜을 마취 할 수 있습니다. 이 전도 속도 측정을 변경합니다.
- 캘리포니아 흑충은 실제로 거대 벌레보다 더 큰 성소수자를 가지고 있기 때문에,우리는 우리의 결과가 우리가 여기에서 관찰 한 것과 반대 일 것으로 기대할 것입니다. 이 실험을 수행하고 우리가 당신이 무엇을 발견 알려!
- 미엘린은 얼마나 두꺼운가? 우리는 광범위한 조직학 리소스에 액세스 할 수 없습니다,하지만 당신은 할 수있다. 왜 지렁이의 일부 조각을 모두 신경에 축삭 직경과 수초 두께를 측정하고,우리에게 다시보고하지?
문제 해결
웜이 사용되는 마취의 양과 시간 및 웜의 일반적인 건강 상태에 따라 스파이크를 생성하지 않을 수 있기 때문에 때로는 어려운 실험이 될 수 있습니다. 약 3-6 분 동안 10%알코올 용액에 충실하면 웜이 시작 되 자마자 대부분의 시간 동안 스파이크를 생성해야합니다(마취 후 웜을 물 속에 씻는 것을 잊지 마십시오).
당신은 또한 더 많거나 적은 압력으로 웜을 만져 시도 할 수 있습니다. 때로는 아주 작은 탭이 작동합니다,다른 시간 강한 프레스가 필요할 수 있습니다. 일부 웜은 신체의 맨 끝에 자극에 더 잘 반응하는 반면 다른 웜은 몇 센티미터 안쪽으로 자극에 더 잘 반응합니다.
당신이 벌레를 터치 할 때 마지막으로,때때로 당신은 아티팩트의 원인이됩니다. 아티팩트 파형을 자세히 살펴보면 아티팩트는 두 채널에서 정확히 동일하게 나타납니다. 이 가짜 스파이크 아니라 생리! 때로는 프로브를 주기적으로 건조하면 도움이됩니다; 물안에 벌레를 너무 많이 재수화하지 말라(또한 벌레를 밖으로 말리지 않 주의하십시요 이긴 하지만). 주의깊은 균형 이고,너가 경험을 얻는 때 너는 너의 자신의 작풍 및 기술을 개발할 것이다.
가짜 스파이크가 너무 많은 경우 플라스틱,나무 또는 유리 팁 대신 공기 캔의 공기 자극을 사용할 수도 있습니다. 또한 복부 또는 바닥면이 위로 향하도록 벌레를 뒤집어 할 수 있습니다. 이렇게하면 당신이 당신의 프로브와 웜을 터치 할 때 터치가 신경에 가까운 것을 의미한다.