Experiment: vergelijking van snelheden van twee Zenuwvezelgroottes

Achtergrond

Opmerking: Dit experiment werd door de American Physiological Society peer-reviewed en gepubliceerd in het tijdschrift “Advances in Physiology Education” – lees de paper, intrepid scientists, voor een meer diepgaande behandeling van het hieronder beschreven experiment.

eerder leerde u de geleidingssnelheid te meten van het zenuwvezelsysteem van de regenworm. Je herinnert je dat de worm drie grote neuronen heeft die over de lengte van zijn lichaam lopen, de mediale reuzenzenuw (MGN) en de twee fused laterale reuzenzenuw (LGN).

laten we eens een kijkje nemen op de ventrale, of “bodem” zenuwkoord met deze mediale en laterale gigantische zenuwen. Een van de verschillen tussen ongewervelde dieren (insecten, wormen, enz.) en gewervelde dieren (honden, hagedissen, ons) is dat ongewervelde dieren een ventrale zenuw hebben (die langs hun “buik” loopt) terwijl wij een dorsale zenuw hebben (ons ruggenmerg loopt langs onze achterkant).

zowel de MGN als de LGN spelen een belangrijke rol in het verzekeren van de zintuigen van de worm communiceren met zijn spieren (Drewes et al. 1978). De MGN zendt sensorische informatie over de voor-of voorkant van de worm (het uiteinde het dichtst bij het clitellum). In tegenstelling, de LGN zendt sensorische informatie over de achterste, of achterkant van de worm (het uiteinde verste van het clitellum). Er is ook een fysiek grootteverschil tussen deze twee systemen. De mediale reuzenzenuw, met een diameter van 0,07 mm, is iets breder dan de laterale reuzenzenuw (0.05 mm in diameter) (Kladt et. al 2010).

in het vorige earthworm-experiment hebt u van achter of achter de worm de geleidingssnelheid van de LGN bepaald. Voor dit experiment zult u zowel van de achterste (LGN) als van de voorste uiteinden van de worm (MGN) opnemen. We willen weten of er een verschil is in geleidingssnelheid tussen de twee zenuwen. Denk je dat er een verschil zal zijn? Laten we er eens over nadenken…..

bij het denken over hoe een actiepotentiaal zich door het axon van een neuron verplaatst, is het nuttig om na te denken over een analogie van het volume van een televisie. Denk eraan om je TV aan te zetten en er dan langzaam van weg te lopen. Als je verder en verder weg loopt, wat gebeurt er dan?

het geluid van de luidspreker wordt stiller en stiller naarmate je verder weg bent van de bron. Dit voorbeeld is analoog aan een spanningsverandering (basis van een actiepotentiaal) die langs het axon van een neuron stroomt. In een hypothetisch neuron met de actieve ionenkanalen verwijderd, laten we de spanning in het cellichaam veranderen en drie metingen langs het axon doen. Hoe denk je dat de metingen eruit zullen zien?

merk op dat het signaal vervalt. De kracht van dit verval wordt bepaald door twee dingen, de tijdconstante en de lengte constante. Tijd voor wat wiskunde en elektronica, onze favoriete onderwerpen (naast neuronen natuurlijk).

Wat betekenen de r ’s en c’ s? r is “weerstand” tegen stroom, en c is “capaciteit”, Een maat voor de opslag van lading over een isolerende barrière.

laten we het eerst hebben over de lengteconstante (dit wordt ook wel de “ruimteconstante”genoemd). De lengteconstante (λ, Of lambda) is een maat voor hoe ver de spanning naar beneden het axon gaat voordat het vervalt tot nul. Als je een lengteconstante van 1 mm hebt, betekent dat op 1 mm afstand van het cellichaam in een axon, 37% van de spanningsmagnitude blijft. Op 2 mm afstand van het cellichaam in een axon, 14% van de magnitude blijft, en op 3 mm Afstand, 5% blijft. Dit is representatief voor een” exponentiële verval ” functie.

de lengteconstante wordt berekend uit rm en ri. rm is de elektrische weerstand van het membraan van het neuron, of hoe “elektrisch lekkend” het is. Hoe groter rm (“minder lekkende”) is, hoe groter de lengte constante zal zijn. ri is de resistentie van de intracellulaire vloeistof (axoplasma genoemd) in het axon. Omgekeerd, hoe lager ri is, hoe groter de lengte constante zal zijn.

de tijdconstante (Τ, Of tau) is gelijk aan de lengteconstante, maar is van toepassing op de tijd. Als een spanningsverandering wordt toegepast binnen een neuron, duurt het tijd voor het neuron volledig “opladen” tot een stabiele spanning. In de tijdconstante vergelijking, is cm de capaciteit van het neurale membraan, die een maat van het membraan capaciteit is om lading op te slaan. Hoe hoger de capaciteit, hoe meer tijd het kost voor de condensator om volledig op te laden (of te ontladen), als een “buffer” voor een plotselinge spanningsverandering.

dus hoe kleiner rm en cm worden, hoe kleiner de tijdconstante is en hoe minder tijd nodig is om de spanning van een axon te veranderen.

een “ideaal neuron” zou een oneindig hoge lengteconstante en een oneindig lage tijdsconstante hebben. Dus elke spanningsverandering ergens in het neuron zou onmiddellijk de spanning overal anders in het neuron veranderen.

zowel de tijdconstante als de lengteconstante zijn “passieve” eigenschappen van de neuronen. Hoe stoppen je neuronen elektrische signalen om te vervallen tot nul? Door “actief” te worden en ionenkanalen te gebruiken! Uw neuronen gebruiken natrium-en kaliumkanalen om de actiepotentiaal te regenereren die langs het axon stroomt om “het verval te bestrijden” dat optreedt als gevolg van de lengte-en tijdconstanten. Als een actiepotentiaal uw axon afvuurt, openen en sluiten natrium-en kaliumkanalen voortdurend om het actiepotentiaal op te laden en het axon te “verspreiden”.

zoals je weet van het vorige aardworm experiment, heeft deze actiepotentiaal voortplanting langs een neuron een eindige snelheid. Elke keer dat een ionenkanaal moet worden geopend om het actiepotentiaal op te laden, vertraagt dit de voortplanting van het actiepotentiaal met ~1 ms. en hoe kleiner je lengteconstante is, hoe meer je het actiepotentiaal moet regenereren door ionenkanalen te openen langs de lengte van het axon. Hoe kunnen we de lengteconstante verhogen? We kunnen dit doen door RM te verhogen. Is er een manier om dit te doen?

Ja! We kunnen rm verhogen door het neuron in te wikkelen….

myeline is een vetbedekking geproduceerd door speciale cellen genaamd Schwann cellen en oligodendrocyten. Deze bedekking is wat maakt de axonen lijken op hotdog broodjes, en waarom de hersenen soms een “brok vet.”Deze vette bekleding maakt het neurale membraan minder lekkend en verhoogt RM aanzienlijk.

maar wat denk je dat er gebeurt als je het hele axon bedekt met myeline? Helaas is de lengteconstante niet genoeg verhoogd om hiermee weg te komen. Het actiepotentieel moet nog steeds worden geregenereerd langs het axon, maar niet zo vaak als een ongemyelineerd axon.

dit is de reden waarom de myeline discontinu is, met periodiek blootgestelde stukjes neuraal membraan die “knooppunten van Ranvier” worden genoemd.”In deze knooppunten geen myeline bedekt het membraan, en tal van actieve ionenkanalen wonen er. De discrete regeneratie van actiepotentialen tussen lengtes van myeline bij de knooppunten van Ranvier wordt “zouthoudende geleiding genoemd.”

gerelateerd feit: Saltar is Spaans voor ” springen.”Een sprinkhaan die in het Andesgebergte leeft, wordt bijvoorbeeld “Saltamontes” of “bergspringer” genoemd.”

maar wacht! Het behandelen van de neuronen met myeline maakt de binnenkant en de buitenkant van het neurale membraan verder uit elkaar. Aangezien de capaciteit wordt beïnvloed door de afstand tussen de geladen lichamen (zie je Haliday en Resnick), zal myeline cm afnemen. Veroorzaakt dit dan ook een afname van de tijdsconstante? Nou, misschien niet, omdat, zoals we eerder zeiden, de myeline ook aanzienlijk verhoogt rm.

het resultaat van deze gelijktijdige vermindering van cm en toename van rm wordt verondersteld geen netto verandering in de tijdconstante te veroorzaken, hoewel direct experimenteel bewijs in de literatuur ontbreekt. Als je twee axonen met gelijke diameter hebt en de ene heeft een myeline schede van 1 mm dikte, en de andere heeft een myeline schede van 2 mm dikte, hoeveel sneller zal de tweede axon zijn? Helaas blijkt ook dit antwoord experimenteel onbekend te zijn, omdat neuronen met verhoogde myeline dikte tegelijkertijd ook een verhoogde Axon diameter hebben. Wat is over het algemeen bevestigd met computersimulaties is dat een gemyelineerd neuron twee keer zo dik als een ander gemyelineerd neuron een geleidingssnelheid twee keer zo snel zal hebben.

er is een andere manier om de geleidingssnelheid te verhogen zonder al deze speciale cellen die de neuronen met vet bedekken, lastig te vallen. Deze methode is ook wat veel ongewervelde dieren gebruiken…

hoe groter de radius van het axon, hoe kleiner de RI en rm zullen zijn. Vergeet niet dat onze lengte constante vergelijking stelt dat :

als zowel de boven-en onderkant variëren met de straal… het lijkt erop dat de grootte van het axon geen verschil zou maken! Maar laten we eens goed kijken hoe deze twee waarden variëren met de grootte van het axon. De membraanweerstand (rm) verandert met de omtrek van het axon (waar het membraan zich bevindt) zoals zo:

terwijl de interne weerstand verandert met de oppervlakte van het axon.

zowel Ri als Rm zijn constanten die van het neuron ongeacht zijn grootte kunnen worden gemeten, (terwijl ri en rm grootte in aanmerking nemen), π is 3.14, en straal is de straal van het axon. Laten we die vergelijking nog eens bekijken.:

We zijn geïnteresseerd in wat verandert als we de grootte van het axon (straal) veranderen, dus we willen dingen verwijderen die constanten zijn en zien wat er over is dat verandert. Zowel Rm als Ri zijn constanten, zo zijn 2 en π, en één straal annuleert. We blijven gewoon over met dat:

zo schaalt de lengteconstante en geleidingssnelheid met de vierkantswortel van de straal.

merk op dat de voordelen van myeline aanzienlijk opwegen tegen de voordelen van de grootte van de Axon-diameter. Het verdrievoudigen van de myeline dikte verhoogt de geleidingssnelheid 3x, terwijl het verdrievoudigen van de Axon diameter alleen de geleidingssnelheid verhoogt met de vierkantswortel van 3, of 1,7 keer. Er zijn echter metabolische kosten aan het maken van myeline (je moet de speciale cellen in leven houden die de neuronen in vet bedekken), dus het is niet de perfecte oplossing voor alle dieren. Maar…zelfs de grootste axonen zonder myeline in het dierenrijk, zoals de 1 mm diameter pijlinktvis reuzenaxon, heeft slechts een geleidingssnelheid van 20-25 m / s seconde! U heeft myelinated axonen in uw lichaam (de A alpha vezels) die slechts 13-20 µm in diameter (1/100 van de grootte van de pijlinktvis axon), maar hebben geleidingssnelheden die 80-120 m/s! Myeline is een prachtige biologische uitvinding, waardoor neuronen zowel klein als snel te krijgen, maar het is duur.

klinkt verwarrend? Maak je geen zorgen, het was ook verwarrend voor ons tijdens onze opleiding. Welkom bij” Cable Theory”, die oorspronkelijk werd ontwikkeld in de 1800 ‘ s toen ingenieurs probeerden om signaaloverdracht over lange afstand telegraaflijnen te begrijpen. Neurowetenschappers paste deze theorie vervolgens toe op neuronen in het begin van de 20e eeuw.

maar wat betekent al deze kabeltheorie met betrekking tot de twee zenuwtypen in de aardworm? Aangezien de MGN 1,4 keer groter is dan de LGN, mogen we verwachten dat het 1,18 keer sneller is. We hebben eerder gemeten dat de LGN ~10-14 m/s was, dus we zouden dus verwachten dat de MGN 12-17 m/s zou zijn. Dat is een klein verschil voor onze apparatuur om te detecteren, maar laten we het experiment proberen om te zien of onze resultaten overeenkomen met de theorie!

Downloads

Video

opmerking: de video hieronder is een meer recente video van juli 2015 over ons worm stretch experiment, maar dient als een handleiding voor het gebruik van onze nieuwe software, en de procedure is zeer vergelijkbaar. U kunt de originele video van December 2012 hier bekijken.

Video

Procedure

De Voor Dit Laboratorium Vereiste Materialen Zijn Precies Hetzelfde Als Het Experiment: Inleiding tot geleidingssnelheid (neurale snelheid))

1. Verdoof en neem een opname van het achterste uiteinde van de worm zoals je deed in het vorige experiment.
   
2. zodra je meerdere spikes hebt, draai je de worm 180 graden en verplaats je de elektroden. U zult meten vanaf het voorste uiteinde van de worm deze keer.
   
3. neem nu een aantal pieken van het voorste uiteinde door het aanraken van de kop van de worm met een houten sonde. Zodra u meerdere spikes hebt, kunt u stoppen met opnemen en de worm terug naar zijn bodem. De regenworm is vrij veerkrachtig en herstelt goed van dit experiment.
4. nu bent u klaar om uw gegevens te bekijken. U zou een vlakke lijn of overmatig lawaai moeten zien wanneer u de elektroden omdraaide. Dit dient als je tijd marker van wanneer je de worm omgedraaid, en nu weet je welke pieken behoren tot het achterste uiteinde en welke pieken behoort tot het voorste uiteinde. De afbeelding hieronder toont een opname van elektrode 1 Aan de onderkant en elektrode 2 aan de bovenkant.
   
5. u kunt nu inzoomen op uw spikes en de geleidingssnelheid meten. Neem metingen van 5-6 spikes.
   
6. herhaal het experiment meerdere malen met wat wormen. Dit geeft je een goede dataset om mee te werken. Vergeet niet om uw elektroden te reinigen met wat alcohol of water en een papieren handdoek na elke worm.
   
7. u moet nu een statistische test uitvoeren, namelijk de T-test, om te onderzoeken of de geleidingssnelheden verschillend zijn voor de twee zenuwen. Als u nog niet weet hoe u dit moet doen, kunt u uw dataset meenemen en volgen in ons lesplan statistieken. Als je dit lesplan hebt gedaan of ervaring hebt met statistieken, dan kun je de onderstaande berekeningen uitvoeren.
8. neem de gemiddelde en standaardafwijking van uw MGN-en LGN-opnamen.
   
9. laten we tenslotte onze t-statistiek en p-waarde berekenen.
   

   Wat hebt u gevonden? Zijn de twee geleidingssnelheden verschillend van elkaar?

discussie

als uw experiment succesvol was, had u moeten vaststellen dat de geleidingssnelheid van MGN (anterior end) inderdaad aanzienlijk sneller was, maar niet 1.2x sneller, maar meer als 2-4x sneller! Waarom is dit? U kunt zich herinneren dat de aardworm neuronen zijn eigenlijk gemyelineerd! Sommige ongewervelde dieren, zoals sommige garnalen en sommige wormen, hebben myeline.

naarmate axon zijn diameter verhoogt, neemt de myeline-dikte ook toe. Misschien heeft de MGN ook een dikkere myeline schede. Dit zou zorgen voor een uitstekende histologie project om uit te vinden. Laat het ons weten als je klaar bent voor de uitdaging, en laat ons weten wat je vindt!

als u een idee heeft over wat dit onverwacht grote verschil veroorzaakt, horen we dat graag. Misschien weet je professor het? Welkom bij biology and unexpected findings! Ook, als je begrijpt waarom het hebben van een langere tijd constante verhoogt geleidingssnelheid, laat ons dat ook weten.

vragen om

1. heeft het verdovingsmiddel een effect op de geleidingssnelheden van MGN en LGN?
2. heeft de algemene grootte van een worm een effect op de geleidingssnelheid?
3. u kunt de worm ook 5-9 minuten verdoven in een 40% – 60% koolzuurhoudende wateroplossing als alternatief verdovingsmiddel. Zal dit de metingen van de geleidingssnelheid veranderen.
4. de worm lumbriculus variegatus (Californische Zwartworm) heeft eigenlijk een grotere LGN dan MGN, dus we zouden verwachten dat onze resultaten het tegenovergestelde zijn van wat we hier waargenomen hebben met onze Lumbricus terrestris nachtkrakers. Doe dit experiment en laat ons weten wat je vindt!
5. hoe dik is myeline? We hebben geen toegang tot uitgebreide histologie bronnen, maar jij wel. Waarom neem je niet wat plakjes van de regenworm, meet je de Axon diameter en myeline dikte op beide zenuwen, en rapporteer je aan ons?

problemen oplossen

dit kan soms een moeilijk experiment zijn, omdat de worm mogelijk geen pieken produceert, afhankelijk van de hoeveelheid en de tijd van het gebruikte verdovingsmiddel en de algemene gezondheid van de worm. Als u zich ongeveer 3-6 minuten aan de 10% alcoholoplossing houdt, moet de worm het grootste deel van de tijd pieken produceren zodra u begint (vergeet niet om de worm in water te wassen nadat u hem verdoofd hebt).

u kunt ook proberen de worm met meer of minder druk aan te raken. Soms werkt een kleine kraan, soms is een sterkere pers nodig. Sommige wormen reageren beter op een stimulus aan het einde van hun lichaam, terwijl andere beter reageren op een stimulus een paar centimeter naar binnen.

ten slotte zal u soms een artefact veroorzaken wanneer u de worm aanraakt. Kijkend naar de golfvormen van het artefact, zullen de artefacten op precies hetzelfde verschijnen op beide kanalen. Dit is een valse piek en niet fysiologisch! Soms helpt het drogen van uw sonde periodiek; hydrateer de worm ook niet te veel in water (maar pas ook op dat je de worm niet uitdroogt). Het is een zorgvuldige balans, en je zult je eigen stijl en techniek te ontwikkelen als je ervaring op te doen.

u kunt ook een luchtprikkel uit een luchtbus gebruiken in plaats van een plastic, houten of glazen punt als u te veel valse spikes krijgt. U kunt ook de worm omdraaien zodat de ventrale of onderkant naar boven is gericht. Dit betekent dat wanneer u de worm met uw sonde aanraakt, de aanraking dichter bij de zenuw zal zijn.