Eksperiment: Sammenligning Av Hastigheter På To Nervefiberstørrelser

Bakgrunn

Merk: dette eksperimentet ble peer-reviewed og publisert av American Physiological Society i tidsskriftet «Advances in Physiology Education» – Les papiret, intrepid scientists, for en mer grundig behandling av eksperimentet beskrevet nedenfor.

tidligere lærte du hvordan du måler ledningshastighet fra jordmaskens nervefibersystem. Du husker at ormen har tre store nevroner som kjører kroppens lengde, den mediale gigantnerven (MGN) og de to smeltede laterale gigantnerven (LGN).

La oss ta en nærmere titt på den ventrale eller» bunn » nervestrengen som inneholder disse mediale og laterale gigantiske nerver. En av forskjellene mellom virvelløse dyr (insekter, ormer, og så videre) og virveldyr (hunder, øgler, oss) er at virvelløse dyr har en ventral nerve ledningen (kjører langs deres «magen») mens vi har en dorsal nerve ledningen (vår ryggmargen går langs vår bakside).

Både MGN og LGN spiller en viktig rolle for å sikre at ormens sanser kommuniserer med musklene (Drewes et al. 1978). MGN overfører sensorisk informasjon om den fremre eller fremre delen av ormen(enden nærmest clitellum). I kontrast overfører LGN sensorisk informasjon om den bakre eller baksiden av ormen(enden lengst fra clitellum). Det er også en fysisk størrelsesforskjell mellom disse to systemene. Den mediale kjempenerven, med en diameter på 0,07 mm, er litt bredere enn den laterale kjempenerven (0.05 mm i diameter) (Kladt et. al 2010).

i det forrige jordmaskeksperimentet registrerte du fra den bakre eller bakre enden av ormen og bestemte ledningshastigheten for LGN. For dette eksperimentet vil du registrere fra både bakre (LGN) og fremre ender av ormen (MGN). Vi vil finne ut om det er noen forskjell i ledningshastigheten mellom de to nerver. Tror du det vil være noen forskjell? La oss vurdere noen…..

når du tenker på hvordan et handlingspotensial reiser ned en neurons axon, er det nyttig å tenke på en analogi av et tv-volum. Tenk på å slå PÅ TVEN din og deretter sakte gå bort fra den. Når du går lenger og lenger bort, hva skjer?

lyden som kommer fra høyttaleren blir roligere og roligere jo lenger du er borte fra kilden. Dette eksemplet er analogt med en spenningsendring (grunnlag for et handlingspotensial) som strømmer ned i en neurons axon. I en hypotetisk nevron med de aktive ionkanalene fjernet, la oss endre spenningen i cellekroppen og ta tre målinger langs axonen. Hvordan tror du målingene vil se ut?

Legg Merke til at signalet faller. Styrken av dette forfallet bestemmes av to ting, tidskonstanten og lengdekonstanten. Tid for litt matte og elektronikk, våre favorittfag (foruten nevroner selvfølgelig).

Hva betyr r og c? r er «Motstand» mot strømmen, og c er «Kapasitans», et mål på lagring av ladning over en isolerende barriere.

La Oss først snakke om lengdekonstanten(dette kalles noen ganger også «romkonstanten»). Lengdekonstanten (λ eller lambda) er et mål på hvor langt spenningen går ned i axonen før den faller til null. Hvis du har en lengdekonstant på 1 mm, betyr det at 1 mm fra cellekroppen i en axon, forblir 37% av spenningsstørrelsen. Ved 2 mm fra cellekroppen i en axon forblir 14% av størrelsen, og ved 3 mm unna forblir 5%. Dette er representativt for en» eksponentiell forfall » – funksjon.

lengdekonstanten beregnes ut fra rm og ri. rm er den elektriske motstanden til nevronens membran, eller hvor «elektrisk lekkert» det er. Jo større rm («mindre lekk») er, jo større lengde konstant vil være. ri er motstanden til det intracellulære væsken (kalt axoplasma) inne i axonen. Omvendt, jo lavere ri er, desto større vil lengdekonstanten være.

tidskonstanten (Τ, eller tau) er lik lengdekonstanten, men gjelder tid. Hvis en spenningsendring påføres inne i en nevron, tar det tid for nevronen å «lade» helt til en stabil spenning. I tidskonstantligningen er cm kapasitansen til nevrale membranen, som er et mål på membranets evne til å lagre ladning. Jo høyere kapasitans, jo mer tid det tar for kondensatoren å lade opp (eller utladning), som fungerer som en «buffer» til en plutselig spenningsendring.

jo mindre både rm og cm blir, desto mindre er tidskonstanten og jo mindre tid er nødvendig for å endre en aksons spenning.

En «ideell nevron» ville ha en uendelig høy lengdekonstant og en uendelig lav tidskonstant. Dermed vil enhver spenningsendring hvor som helst i nevronen umiddelbart endre spenningen overalt i nevronen.

både tidskonstanten og lengdekonstanten er «passive» egenskaper til nevronene. Så, hvordan stopper nevronene dine elektriske signaler fra forfall til null? Ved å bli «aktiv» og bruke Ionekanaler! Nevronene dine bruker natrium – og kaliumkanaler for å regenerere handlingspotensialet som strømmer ned i axonen for å «bekjempe forfallet» som oppstår på grunn av lengden og tidskonstantene. Som et handlingspotensial brenner ned axonen din, åpner natrium-og kaliumkanaler kontinuerlig og lukker for å lade opp handlingspotensialet og «forplante det» ned axonen.

Som du vet fra forrige meitemark eksperiment, denne handlingen potensial forplantning ned en nevron har en endelig hastighet. Hver gang en ionekanal må åpne for å lade opp handlingspotensialet, forsinker dette utbredelsen av handlingspotensialet med ~1 ms. Og jo mindre lengdekonstanten din er, desto mer må du regenerere handlingspotensialet ved å ha ionkanaler åpne langs axonens lengde. Hvordan kan vi øke lengden konstant? Vi kan gjøre dette ved å øke rm. Er det en måte vi kan gjøre dette på?

Ja! Vi kan øke rm ved å pakke inn nevronet….

Myelin er et fettbelegg produsert av spesielle celler kalt Schwann-Celler og Oligodendrocytter. Dette dekker er det som gjør axons ligne hot dog ruller, og hvorfor hjernen er noen ganger kalt en » klump av fett.»Dette fete dekket gjør nevrale membranen mindre lekkende og øker rm vesentlig.

men hva tror du ville skje hvis du dekket hele axonen i myelin? Dessverre er lengden konstant ikke økt nok for deg å komme unna med dette. Handlingspotensialet må fortsatt regenereres langs aksonen, men ikke så mange ganger som en unmyelinated axon.

dette er grunnen til at myelinlaget er diskontinuerlig, med periodiske eksponerte biter av nevrale membran kalt » Noder Av Ranvier.»I disse nodene dekker ingen myelin membranen, og mange aktive ionkanaler bor der. Den diskrete regenerering av handlingspotensialer mellom lengder av myelin Ved Nodene Til Ranvier kalles » saltatorisk ledning.»

Relatert Faktum: Saltar er spansk for » å hoppe.»En gresshopper som bor I Andesfjellene, for eksempel, kalles «Saltamontes» eller » mountain jumper.»

men vent! Dekker nevronene med myelin gjør innsiden og utsiden av nevrale membranen lenger fra hverandre. Ettersom kapasitans påvirkes av avstanden mellom de ladede legemene (se Haliday og Resnick), vil myelin reduseres cm. Betyr dette også en reduksjon i tidskonstant? Vel, kanskje ikke, siden, som vi sa tidligere, øker myelin også betydelig rm.

resultatet av denne samtidige reduksjonen i cm og økning i rm antas å forårsake ingen netto endring i tidskonstanten, selv om direkte eksperimentelle bevis i litteraturen mangler. Hvis du har to like diameter aksoner og en har en myelinskjede med 1 mm tykkelse, og den andre har en myelinskjede med 2 mm tykkelse, hvor mye raskere vil den andre axonen være? Dessverre, igjen, synes dette svaret å være eksperimentelt ukjent, da nevroner med økt myelin tykkelse også samtidig har økt aksondiameter. Hva har vært generelt båret ut med datasimuleringer er at en myelinated neuron dobbelt så tykk som en annen myelinated neuron vil ha en ledningshastighet dobbelt så fort.

Det er en annen måte å øke ledningshastigheten uten å plage med alle disse spesielle cellene som belegger nevronene med fett. Denne metoden er også hva mange hvirvelløse dyr bruker…

jo større radius av axonen, desto mindre vil både ri og rm være. Husk vår lengde konstant ligning sier at :

hvis både topp og bunn varierer med radius… det virker som størrelsen på axon ikke ville gjøre noen forskjell i det hele tatt! Men la oss ta en nøye titt på hvordan disse to verdiene varierer med størrelsen på axonen. Membranmotstanden (rm) endres med omkretsen av axonen (hvor membranen er) slik:

mens den indre motstanden endres med området av axonen.

Både Ri og Rm er konstanter som kan måles fra nevronet uansett størrelse, (mens ri og rm tar hensyn til størrelse), π er 3,14, og radius er aksonets radius. Så nå la oss se på den ligningen igjen:

Vi er interessert i å se hvilke endringer når vi endrer størrelsen på axonen( radius), så vi vil fjerne ting som er konstanter og se hva som er igjen som endres. Både Rm og Ri er konstanter, så er 2 og π, og en radius kanselleres ut. Vi er igjen med bare det:

dermed skal lengden konstant, og ledningshastigheten, skaleres med kvadratroten av radiusen.

Merk at fordelene med myelin vesentlig oppveier fordelene med axon diameter størrelse. Tripling av myelin tykkelsen øker ledningshastigheten 3x, mens tredobling av aksondiameteren bare øker ledningshastigheten ved kvadratroten av 3 eller 1,7 ganger. Det er imidlertid en metabolsk kostnad for å lage myelin (du må holde de spesielle cellene i live som belegger nevronene i fett), så det er ikke den perfekte løsningen for alle dyr. Men…selv de største aksonene uten myelin i dyreriket, som 1 mm diameter blekksprut gigantisk axon, har bare en ledningshastighet på 20-25 m / s sekund! Du har myelinerte aksoner i kroppen din (a-alfa-fibrene) som bare er 13-20 µ i diameter (1/100 av størrelsen på blekksprutaksonen), men har ledningshastigheter som er 80-120 m/s! Myelin er en fantastisk biologisk oppfinnelse, slik at nevroner blir både små og raske, men det er dyrt.

Høres forvirrende ut? Ikke bekymre deg, det var forvirrende for oss også under vår utdanning. Velkommen til «Kabelteori», som opprinnelig ble utviklet på 1800-tallet da ingeniører prøvde å forstå signaloverføring over langdistanse telegraflinjer. Neuroscientists brukte deretter denne teorien til nevroner i begynnelsen av det 20. århundre.

Men hva betyr all denne kabelteorien med hensyn til de to nervetypene i regnmassen? SIDEN MGN er 1,4 ganger større i størrelse ENN LGN, bør vi forvente at DEN skal være 1,18 ganger raskere. Vi har tidligere målt LGN til å være ~10-14 m / s, så dermed forventer VI AT MGN skal være 12 – 17 m/s. Det er en liten forskjell for utstyret vårt å oppdage, men la oss prøve eksperimentet for å se om resultatene våre samsvarer med teorien!

Nedlastinger

Video

Merk: videoen nedenfor er en nyere juli 2015 video på vår worm stretch eksperiment, men fungerer som en tutorial for å bruke vår nye programvare, og prosedyren er svært lik. Du kan se den originale videoen fra desember 2012 her.

Video

Prosedyre

Materialene Som Kreves For Dette Laboratoriet, Er Nøyaktig Det Samme Som Eksperimentet: Introduksjon Til Ledningshastighet (Neural Speed)

1. Bedøv Og ta et opptak av den bakre enden av ormen som du gjorde i det forrige eksperimentet.
   
2. når du får flere pigger, roter ormen 180 grader og plasser elektrodene. Du vil måle fra den fremre enden av ormen denne gangen.
   
3. registrer nå flere pigger fra den fremre enden ved å berøre ormens hode med en tresonde. Når du har flere pigger, kan du stoppe opptaket og returnere ormen til jorden. Jordmasken er ganske elastisk og gjenoppretter godt fra dette eksperimentet.
4. nå er du klar til å se på dataene dine. Du bør se en flat linje eller overdreven støy når du vendte elektrodene rundt. Dette tjener som tidsmarkør for når du vendte ormen, og nå vet du hvilke pigger som tilhører den bakre enden og hvilke pigger som tilhører den fremre enden. Figuren under viser et opptak av elektrode 1 på bunnen og elektrode 2 på toppen.
   
5. Du kan nå zoome inn på pigger og måle ledningshastigheten. Ta avlesninger på 5-6 pigger.
   
6. Gjenta eksperimentet flere ganger med noen ormer. Dette vil gi deg et godt datasett å jobbe med. Ikke glem å rengjøre elektrodene med litt alkohol eller vann og et papirhåndkle etter hver orm.
   
7. Du må nå kjøre en statistisk test, nemlig T-testen, for å undersøke om ledningshastighetene er forskjellige for de to nervene. Hvis du ennå ikke vet hvordan du gjør dette, kan du ta datasettet ditt og følge med i vår statistikkleksjonsplan. Hvis du har gjort denne leksjonen plan eller har litt erfaring i statistikk så kan du gå videre og utføre beregningene nedenfor.
8. Ta gjennomsnittet og standardavviket for mgn-og LGN-opptakene dine.
   
9. til slutt, la oss beregne vår t-statistikk og p-verdi.
   

   Hva fant du? Er de to ledningshastighetene forskjellige fra hverandre?

Diskusjon

hvis eksperimentet ditt var vellykket, burde du ha funnet UT AT mgn (anterior end) ledningshastigheten faktisk var betydelig raskere, men ikke 1.2x raskere, men mer som 2 – 4x raskere! Hvorfor er dette? Du husker kanskje at meitemark nevroner er faktisk myelinated! Noen virvelløse dyr, som noen reker og noen ormer, faktisk har myelin.

typisk, som axon øker sin diameter, dens myelin tykkelse øker også. KANSKJE HAR MGN en tykkere myelinskjede også. Dette ville gjøre for en utmerket histologi prosjekt for å finne ut. Gi oss beskjed hvis du er klar for utfordringen, og la oss få vite hva du finner!

hvis du har en ide om hva som forårsaker denne uventet store forskjellen, vil vi gjerne høre om det. Kanskje læreren din vet det? Velkommen til biologi og uventede funn! Også, hvis du forstår hvorfor å ha en lengre tid konstant øker ledningshastigheten, gi oss beskjed om det også.

Spørsmål Å Vurdere

1. har bedøvelsen en effekt på ledningshastighetene TIL MGN og LGN?
2. har en orms generelle størrelse en effekt på ledningshastigheten?
3. du kan også bedøve ormen i en 40% – 60% karbonisert vannoppløsning i 5-9 minutter som en alternativ bedøvelse. Vil dette endre ledningshastighetsmålinger.
4. ormen Lumbriculus variegatus (California Blackworm) har faktisk en større LGN enn MGN, så vi forventer at resultatene våre skal være motsatt av det vi observerte her med Våre Lumbricus terrestris nightcrawlers. Gjør dette eksperimentet og la oss få vite hva du finner!
5. Hvor tykk er myelin? Vi har ikke tilgang til omfattende histologiske ressurser, men du kan. Hvorfor ikke ta noen skiver av meitemark, måle axon diameter og myelin tykkelse på begge nerver, og rapportere tilbake til oss?

Feilsøking

dette kan noen ganger være et vanskelig eksperiment, fordi ormen ikke kan produsere pigger avhengig av mengden og tiden for bedøvelse som brukes, samt den generelle helsen til ormen. Hvis du holder deg til 10% alkohol løsning i ca 3-6 minutter, bør ormen produsere pigger mesteparten av tiden så snart du starter (ikke glem å vaske ormen i vann etter at du bedøve den).

du kan også prøve å berøre ormen med mer eller mindre trykk. Noen ganger vil en veldig liten trykk fungere, andre ganger kan en sterkere trykk være nødvendig. Noen ormer reagerer bedre på en stimulus i slutten av kroppen, mens andre reagerer bedre på en stimulus noen få centimeter innover.

til slutt, noen ganger vil du forårsake en artefakt når du berører ormen. Ser nøye på artefaktbølgeformene, vil artefaktene vises på nøyaktig det samme på begge kanalene. Dette er en falsk spike og ikke fysiologisk! Noen ganger hjelper tørking av sonden din med jevne mellomrom; ikke rehydrere ormen i vann for mye (men vær også forsiktig så du ikke tørker ormen ut). Det er en forsiktig balanse, og du vil utvikle din egen stil og teknikk som du får erfaring.

Du kan også bruke en luftstimulus fra en luftkanne i stedet for en plast -, tre-eller glassspiss hvis du får for mange falske pigger. Du kan også være lurt å snu ormen over så ventral eller undersiden vender opp. Å gjøre dette betyr at når du berører ormen med sonden, vil kontakten være nærmere nerven.