Tło
uwaga: ten eksperyment został zweryfikowany i opublikowany przez American Physiological Society w czasopiśmie „Advances in Physiology Education”-przeczytaj artykuł, nieustraszeni naukowcy, aby uzyskać bardziej dogłębną analizę eksperymentu opisanego poniżej.
wcześniej nauczyłeś się mierzyć prędkość przewodzenia z układu włókien nerwowych dżdżownicy. Pamiętacie, że robak ma trzy duże neurony, które przebiegają wzdłuż jego ciała, przyśrodkowy olbrzymi nerw (MGN) i dwa zrośnięte boczne gigantyczne nerwy (LGN).
przyjrzyjmy się bliżej brzusznemu lub” dolnemu ” przewodowi nerwowemu zawierającemu te przyśrodkowe i boczne nerwy olbrzymie. Jedną z różnic między bezkręgowcami (owady, robaki, i tak dalej) i kręgowców (psy, jaszczurki, nas) jest to, że Bezkręgowce mają brzuszny przewód nerwowy (biegnący wzdłuż ich „brzuch”), podczas gdy mamy grzbietowy przewód nerwowy (nasz rdzeń kręgowy biegnie wzdłuż naszego tyłu).
zarówno MGN, jak i LGN odgrywają ważną rolę w zapewnieniu, że zmysły robaka komunikują się z jego mięśniami (Drewes et al. 1978). MGN przekazuje informacje sensoryczne o przedniej lub przedniej części robaka (koniec najbliższy łechtaczce). Natomiast LGN przekazuje informacje sensoryczne o tylnej lub tylnej części robaka (koniec najdalej od łechtaczki). Istnieje również fizyczna różnica wielkości między tymi dwoma systemami. Nerw olbrzymi przyśrodkowy o średnicy 0,07 mm jest nieco szerszy niż nerw olbrzymi boczny (0.05 mm średnicy) (Kladt et. al 2010).
w poprzednim eksperymencie dżdżownic, zarejestrowałeś z tyłu lub z tyłu robaka i określiłeś prędkość przewodzenia dla LGN. W tym eksperymencie będziesz nagrywał zarówno z tylnego (LGN), jak i przedniego końca robaka (MGN). Chcemy się dowiedzieć, czy jest jakaś różnica w prędkości przewodzenia między dwoma nerwami. Myślisz, że będzie jakaś różnica? Zastanówmy się…..
myśląc o tym, jak potencjał działania przemieszcza się w dół aksonu neuronu, warto pomyśleć o analogii głośności telewizora. Pomyśl o włączeniu telewizora, a następnie powoli odejdź od niego. Jak idziesz dalej i dalej, co się dzieje?
dźwięk dochodzący z głośnika staje się ciszej i ciszej, im dalej jesteś od źródła. Przykład ten jest analogiczny do zmiany napięcia (podstawy potencjału czynnościowego) spływającego po aksonie neuronu. W hipotetycznym neuronie z usuniętymi aktywnymi kanałami jonowymi zmieńmy napięcie w ciele komórkowym i wykonajmy trzy pomiary wzdłuż aksonu. Jak myślisz, jak będą wyglądać pomiary?
zauważ, że sygnał zanika. Siła tego rozpadu jest określona przez dwie rzeczy, stałą czasową i stałą długości. Czas na matematykę i elektronikę, nasze ulubione przedmioty (oczywiście poza neuronami).
co oznaczają r I c? r jest ” opornością „na przepływ prądu, A c jest” pojemnością”, miarą magazynowania ładunku przez barierę izolacyjną.
najpierw porozmawiajmy o stałej długości (czasami jest to również nazywane „stałą przestrzenną”). Stała długości (λ lub lambda) jest miarą tego, jak daleko napięcie przemieszcza się w dół aksonu, zanim rozpadnie się do zera. Jeśli masz stałą długości 1 mm, oznacza to, że w odległości 1 mm od ciała komórki w aksonie pozostaje 37% wielkości napięcia. W odległości 2 mm od ciała komórki w aksonie pozostaje 14% wielkości, a w odległości 3 mm pozostaje 5%. Jest to przedstawiciel funkcji „rozkładu wykładniczego”.
stała długości jest obliczana z rm i ri. rm to opór elektryczny błony neuronu, czyli jak „elektrycznie nieszczelny” jest. Im większe jest rm („mniej nieszczelne”), tym większa będzie stała długości. ri jest opornością wewnątrzkomórkowego płynu (zwanego aksoplazmą) wewnątrz aksonu. Odwrotnie, im niższa wartość ri, tym większa będzie stała długości.
stała czasowa (Τ lub tau) jest podobna do stałej długości, ale dotyczy czasu. Jeśli zmiana napięcia jest zastosowana wewnątrz neuronu, potrzeba czasu, aby neuron w pełni „naładował” do stabilnego napięcia. W równaniu stałej czasowej cm jest pojemnością błony neuronowej, która jest miarą zdolności membrany do przechowywania ładunku. Im wyższa pojemność, tym więcej czasu zajmuje kondensator do pełnego naładowania (lub rozładowania), działając jako „bufor” do każdej nagłej zmiany napięcia.
im mniejsze stają się rm I cm, tym mniejsza jest stała czasowa i tym mniej czasu potrzeba na zmianę napięcia aksonu.
„idealny neuron” miałby nieskończenie dużą stałą długości i nieskończenie niską stałą czasową. Tak więc każda zmiana napięcia w dowolnym miejscu neuronu natychmiast zmieniłaby napięcie wszędzie indziej w neuronie.
zarówno stała czasowa, jak i stała długości są „pasywnymi” właściwościami neuronów. Jak więc neurony powstrzymują zanik sygnałów elektrycznych do zera? Stając się „aktywnym” i wykorzystując kanały jonowe! Twoje Neurony wykorzystują kanały sodowe i potasowe do regeneracji potencjału czynnościowego spływającego po aksonie, aby „walczyć z rozpadem”, który występuje ze względu na stałe długości i czasu. Gdy potencjał czynnościowy wystrzeliwuje Akson, kanały sodowe i potasowe stale otwierają się i zamykają, aby naładować potencjał czynnościowy i” rozprzestrzeniać go ” w aksonie.
jak wiecie z poprzedniego eksperymentu dżdżownic, ten potencjał działania propagacji w dół neuronu ma skończoną prędkość. Za każdym razem, gdy kanał jonowy musi się otworzyć, aby naładować potencjał czynnościowy, opóźnia to rozprzestrzenianie się potencjału czynnościowego o ~1 ms. a im mniejsza jest stała długości, tym bardziej trzeba regenerować potencjał czynnościowy, otwierając kanały jonowe wzdłuż długości aksonu. Jak możemy zwiększyć stałą długości? Możemy to zrobić zwiększając rm. Możemy to jakoś zrobić?
tak! Możemy zwiększyć rm przez zawinięcie neuronu….
mielina jest tłuszczowym pokryciem wytwarzanym przez specjalne komórki zwane komórkami Schwanna i oligodendrocytami. To pokrycie sprawia, że aksony wyglądają podobnie do bułek z hot dogiem i dlaczego mózg jest czasami nazywany ” bryłą tłuszczu.”Ta tłusta powłoka sprawia, że błona nerwowa jest mniej nieszczelna i znacznie zwiększa rm.
ale jak myślisz, co by się stało, gdybyś zakrył cały Akson mieliną? Niestety, stała długości nie jest wystarczająco zwiększona, aby ujść ci to na sucho. Potencjał czynnościowy nadal musi być zregenerowany wzdłuż aksonu, choć nie tyle razy, co niezmielony Akson.
dlatego osłonka mielinowa jest nieciągła, z okresowymi odsłoniętymi fragmentami błony neuronowej nazywanymi ” węzłami Ranviera.”W tych węzłach Żadna mielina nie pokrywa błony i znajduje się tam wiele aktywnych kanałów jonowych. Dyskretna regeneracja potencjałów czynnościowych między długościami mieliny w węzłach Ranviera nazywana jest ” przewodzeniem solnym.”
ale czekaj! Pokrycie neuronów mieliną sprawia, że wnętrze i na zewnątrz błony neuronowej oddalają się od siebie. Ponieważ na pojemność wpływa odległość separacji między naładowanymi ciałami (patrz Haliday i Resnick), mielina zmniejszy cm. Czy powoduje to również spadek stałej czasowej? Cóż, być może nie, ponieważ, jak powiedzieliśmy wcześniej, mielina również znacznie zwiększa rm.
przypuszcza się, że wynik tego jednoczesnego zmniejszenia cm i wzrostu rm nie spowoduje żadnych zmian netto w stałej czasowej, chociaż brakuje bezpośrednich dowodów doświadczalnych w literaturze. Jeśli masz dwa aksony o jednakowej średnicy i jeden ma osłonę mielinową o grubości 1 mm, a drugi ma osłonę mielinową o grubości 2 mm, o ile szybszy będzie drugi Akson? Niestety, odpowiedź ta wydaje się być eksperymentalnie nieznana, ponieważ neurony o zwiększonej grubości mieliny również jednocześnie mają zwiększoną średnicę aksonu. Symulacje komputerowe dowodzą, że mielinizowany neuron dwa razy grubszy niż inny mielinizowany neuron będzie miał prędkość przewodzenia dwa razy szybszą.
istnieje inny sposób na zwiększenie prędkości przewodzenia bez zawracania sobie głowy tymi wszystkimi specjalnymi komórkami, które pokrywają neurony tłuszczem. Metoda ta jest również tym, czego używa wiele bezkręgowców…
im większy promień aksonu, tym mniejsze będą ri I rm. Pamiętajmy, że nasze równanie stałej długości stwierdza, że :
jeśli zarówno Góra, jak i dół różnią się promieniem… wydaje się, że rozmiar aksonu nie zrobiłby żadnej różnicy! Przyjrzyjmy się jednak uważnie, jak te dwie wartości różnią się w zależności od wielkości aksonu. Rezystancja membrany (RM) zmienia się wraz z obwodem aksonu (gdzie znajduje się membrana) w ten sposób:
podczas gdy opór wewnętrzny zmienia się wraz z obszarem aksonu.
zarówno ri, jak i Rm są stałymi, które można zmierzyć z neuronu niezależnie od jego wielkości (podczas gdy ri I RM biorą pod uwagę Rozmiar), π wynosi 3,14, a promień jest promieniem aksonu. Spójrzmy teraz na to równanie jeszcze raz:
interesuje nas, co się zmienia, gdy zmienimy rozmiar aksonu (promień), więc chcemy usunąć rzeczy, które są stałymi i zobaczyć, co się zmienia. Zarówno Rm, jak i Ri są stałymi, więc są to 2 i π, a jeden promień się zmniejsza. Pozostaje nam po prostu to:
tak więc stała długości i prędkość przewodzenia skalują się z pierwiastkiem kwadratowym promienia.
należy zauważyć, że korzyści płynące ze stosowania mieliny znacznie przewyższają korzyści płynące z zastosowania rozmiaru axon diameter. Potrojenie grubości mieliny zwiększa prędkość przewodzenia 3x, podczas gdy potrojenie średnicy aksonu zwiększa prędkość przewodzenia tylko o pierwiastek kwadratowy z 3, czyli 1,7 razy. Istnieje jednak koszt metabolizmu mieliny (musisz utrzymać przy życiu specjalne komórki, które pokrywają neurony w tłuszczu), więc nie jest to idealne rozwiązanie dla wszystkich zwierząt. Ale…nawet największe aksony bez mieliny w królestwie zwierząt, takie jak gigantyczny Akson kałamarnicy o średnicy 1 mm, mają tylko prędkość przewodzenia 20-25 m/s sekundy! Mielinizowane aksony w organizmie (włókna a alfa), które mają tylko 13-20 µm średnicy (1/100 wielkości aksonu kałamarnicy), ale mają prędkości przewodzenia, które wynoszą 80-120 m/s! Mielina jest wspaniałym wynalazkiem biologicznym, pozwalającym neuronom uzyskać zarówno małe, jak i szybkie, ale jest droga.
dźwięk mylący? Nie martw się, to było mylące dla nas również podczas naszej edukacji. Witamy w „teorii kabli”, która została pierwotnie opracowana w 1800 roku, kiedy inżynierowie próbowali zrozumieć transmisję sygnału przez dalekobieżne linie telegraficzne. Neurolodzy zastosowali tę teorię do neuronów na początku XX wieku.
ale co ta cała teoria kabli oznacza w odniesieniu do dwóch typów nerwów u dżdżownic? Ponieważ MGN jest 1,4 razy większy niż LGN, powinniśmy się spodziewać, że będzie 1,18 razy szybszy. Wcześniej mierzyliśmy LGN na ~10-14 m/s, Więc spodziewalibyśmy się, że MGN wyniesie 12-17 m / s. To niewielka różnica dla naszego sprzętu do wykrycia, ale spróbujmy eksperyment, aby sprawdzić, czy nasze wyniki pasują do teorii!
pobrań
wideo
Uwaga: poniższy film jest nowszym filmem z lipca 2015 r.na temat naszego eksperymentu rozciągania robaka, ale służy jako samouczek do korzystania z naszego nowego oprogramowania, a procedura jest bardzo podobna. Oryginalny film z grudnia 2012 można obejrzeć tutaj.
Wideo
Procedura
Materiały Wymagane Do Tego Laboratorium Są Dokładnie Takie Same Jak Eksperyment: Wprowadzenie do prędkości przewodzenia (Neural Speed)
- znieczulenie i nagranie tylnego końca robaka, tak jak w poprzednim eksperymencie.
- gdy otrzymasz kilka kolców, obróć robaka o 180 stopni i zmień pozycję elektrod. Tym razem będziesz mierzył od przedniego końca robaka.
- teraz Nagraj kilka kolców z przedniego końca, dotykając głowy robaka drewnianą sondą. Gdy masz kilka kolców, możesz zatrzymać nagrywanie i przywrócić robaka do gleby. Dżdżownica jest dość odporna i dobrze odzyskuje siły po tym eksperymencie.
- teraz jesteś gotowy, aby spojrzeć na swoje dane. Powinieneś zobaczyć płaską linię lub nadmierny hałas podczas obracania elektrod. Służy to jako znak czasu, kiedy przewróciłeś robaka, a teraz wiesz, które kolce należą do tylnego końca, a które kolce należą do przedniego końca. Poniższy rysunek pokazuje zapis elektrody 1 na dole i elektrody 2 na górze.
- możesz teraz powiększyć kolce i zmierzyć prędkość przewodzenia. Odczyt 5-6 kolców.
- powtórz eksperyment kilka razy z niektórymi robakami. Zapewni to dobry zestaw danych do pracy. Nie zapomnij wyczyścić elektrod alkoholem lub wodą i ręcznikiem papierowym po każdym robaku.
- teraz trzeba uruchomić test statystyczny, a mianowicie t-test, aby sprawdzić, czy prędkości przewodzenia są różne dla dwóch nerwów. Jeśli jeszcze nie wiesz, jak to zrobić, możesz wziąć swój zestaw danych i postępować zgodnie z naszym planem lekcji statystyki. Jeśli wykonałeś ten plan lekcji lub masz doświadczenie w statystyce, możesz wykonać poniższe obliczenia.
- weź średnie i standardowe odchylenie nagrań MGN i LGN.
- Na koniec, obliczmy naszą statystykę t i wartość P.
co znalazłeś? Czy dwie prędkości przewodzenia różnią się od siebie?
dyskusja
Jeśli Twój eksperyment się powiódł, powinieneś odkryć, że prędkość przewodzenia MGN (przedniego końca) była istotnie znacznie szybsza, ale nie 1.2x szybciej, ale bardziej jak 2-4x szybciej! Dlaczego? Możecie sobie przypomnieć, że neurony dżdżownic są mielinizowane! Niektóre bezkręgowce, takie jak niektóre krewetki i niektóre robaki, mają mielinę.
zazwyczaj, gdy Akson zwiększa swoją średnicę, zwiększa się również grubość mieliny. Być może MGN ma również grubszą osłonę mielinową. Byłoby to doskonałym projektem histologicznym, aby dowiedzieć się. Daj nam znać, jeśli jesteś w stanie podjąć wyzwanie i daj nam znać, co znajdziesz!
jeśli masz pomysł, co powoduje tę nieoczekiwanie dużą różnicę, chcielibyśmy o tym usłyszeć. Może twój profesor wie? Witamy w biologii i nieoczekiwanych odkryciach! Ponadto, jeśli rozumiesz, dlaczego posiadanie dłuższej stałej czasowej zwiększa prędkość przewodzenia, daj nam znać, że również.
pytania do rozważenia
- Czy znieczulenie ma wpływ na prędkości przewodzenia MGN i LGN?
- czy ogólny rozmiar robaka ma wpływ na prędkość przewodzenia?
- możesz również znieczulać robaka w 40% – 60% gazowanym roztworze wodnym przez 5-9 minut jako alternatywny środek znieczulający. Czy to zmieni pomiary prędkości przewodzenia.
- robak Lumbriculus variegatus (California Blackworm) w rzeczywistości ma większy LGN niż MGN, więc spodziewalibyśmy się, że nasze wyniki będą odwrotne do tego, co zaobserwowaliśmy u naszych Lumbricus terrestris nightcrawlers. Zrób ten eksperyment i daj nam znać, co znajdziesz!
- jak gruba jest mielina? Nie mamy dostępu do obszernych zasobów histologicznych, ale ty możesz. Dlaczego nie wziąć kilku plastrów dżdżownicy, zmierzyć średnicę aksonu i grubość mieliny na obu nerwach i zgłosić się do nas?
Rozwiązywanie problemów
czasami może to być trudny eksperyment, ponieważ robak może nie wytwarzać kolców w zależności od ilości i czasu zastosowanego środka znieczulającego, a także ogólnego stanu zdrowia robaka. Jeśli trzymaj się 10% roztworu alkoholu przez około 3-6 minut, robak powinien wytwarzać kolce przez większość czasu, gdy tylko zaczniesz (nie zapomnij umyć robaka w wodzie po znieczuleniu).
Możesz również spróbować dotknąć robaka z mniejszym lub większym naciskiem. Czasami działa bardzo mały kran, innym razem może być potrzebna mocniejsza prasa. Niektóre robaki lepiej reagują na bodziec na samym końcu ich ciała, podczas gdy inne lepiej reagują na bodziec kilka centymetrów do wewnątrz.
wreszcie, czasami spowodujesz artefakt, gdy dotkniesz robaka. Przyglądając się kształtom fal artefaktu, artefakty pojawią się dokładnie tak samo na obu kanałach. To sztuczny szpikulec, a nie fizjologiczny! Czasami suszenie sondy okresowo pomaga; również nie nawodnić robaka w wodzie zbyt dużo (choć należy również uważać, aby nie wysuszyć robaka). Jest to ostrożna równowaga, a w miarę zdobywania doświadczenia będziesz rozwijać swój własny styl i technikę.
Możesz również użyć bodźca powietrznego z puszki powietrznej zamiast plastikowej, drewnianej lub szklanej końcówki, jeśli masz zbyt wiele fałszywych kolców. Możesz również odwrócić robaka, aby brzuszna lub dolna strona była skierowana do góry. Oznacza to, że po dotknięciu robaka sondą dotyk będzie bliżej nerwu.