Fundo
Nota: Este experimento foi revisada por pares e publicado pelo American Physiological Society no jornal “Avanços na Fisiologia Educação” – Ler o papel, intrépidos cientistas, para mais um tratamento em profundidade do experimento descrito abaixo.Anteriormente, aprendeu a medir a velocidade de condução a partir do sistema de fibras nervosas da minhoca. Você lembra que o verme tem três grandes neurônios que correm o comprimento de seu corpo, o nervo gigante medial (MGN) e os dois nervos gigantes laterais fundidos (LGN).
vamos dar uma olhada mais de perto no ventral, ou “fundo”, cordão nervoso contendo estes nervos gigantes mediais e laterais. Uma das diferenças entre invertebrados (insetos, vermes, e assim por diante) e vertebrados (cães, lagartos, EUA) é que os invertebrados têm uma medula ventral nervo (correndo ao longo de sua “barriga”), enquanto nós temos uma medula dorsal nervo (nossa medula espinhal corre ao longo de nosso traseiro).
tanto o MGN quanto o LGN desempenham um papel importante em garantir que os sentidos do verme se comuniquem com seus músculos (Drewes et al. 1978). O MGN transmite informações sensoriais sobre a parte anterior ou frontal do verme (o fim mais próximo ao clitellum). Em contraste, a LGN transmite informações sensoriais sobre o posterior, ou atrás do verme (o extremo mais distante do clitellum). Há também uma diferença de tamanho físico entre estes dois sistemas. O nervo gigante medial, com 0,07 mm de diâmetro, é ligeiramente mais largo que o nervo gigante lateral (0.05 mm de diâmetro) (Kladt et. al 2010).
no experimento anterior da minhoca, você gravou a partir da extremidade posterior do verme, e determinou a velocidade de condução para a LGN. Para este experimento, você registrará tanto as extremidades posterior (LGN) quanto anterior do verme (MGN). Queremos descobrir se há alguma diferença na velocidade de condução entre os dois nervos. Achas que haverá alguma diferença? Vamos considerar algumas…..
ao pensar sobre como um potencial de ação viaja pelo axon de um neurônio, é útil pensar sobre uma analogia do volume de uma televisão. Pensa em ligar a televisão e depois, lentamente, afastares-te dela. À medida que caminha mais e mais longe, o que acontece?
o som que vem do alto-falante fica mais silencioso e mais silencioso quanto mais longe você estiver da fonte. Este exemplo é análogo a uma mudança de voltagem (base de um potencial de ação) fluindo pelo axônio de um neurônio. Num neurônio hipotético com os canais iônicos ativos removidos, vamos mudar a voltagem no corpo celular e fazer três medições ao longo do axônio. Como achas que as medidas serão?
repare que o sinal decai. A força deste decaimento é determinada por duas coisas, a constante de tempo e a constante de comprimento. Hora de matemática e eletrônica, nossos temas favoritos (além de neurônios, é claro).
o que significam os ” r ” E “c”? r é ” resistência “ao fluxo de corrente, e c é” capacitância”, uma medida do armazenamento de carga através de uma barreira isolante.
primeiramente, vamos falar sobre a constante de comprimento (isto às vezes também é chamado de “constante de espaço”). A constante de comprimento (λ, ou lambda) é uma medida de quão longe a tensão percorre o eixo antes de decair para zero. Se você tem uma constante de comprimento de 1 mm, isso significa a 1 mm de distância do corpo celular em um axon, 37% da magnitude da tensão permanece. A 2 mm de distância do corpo celular em um axônio, 14% da magnitude permanece, e a 3 mm de distância, 5% permanece. Isto é representativo de uma função de” decaimento exponencial”.
a constante de comprimento é calculada a partir de rm e ri. rm é a resistência elétrica da membrana do neurônio, ou como “vaza eletricamente” é. O rm maior (“menos Vazante”) é, quanto maior a constante de comprimento será. ri é a resistência do fluido intracelular (chamado axoplasma) dentro do axon. Inversamente, o ri inferior é, quanto maior a constante de comprimento será.
a constante de Tempo (Τ, Ou tau) é semelhante à constante de comprimento, mas aplica-se ao tempo. Se uma mudança de tensão é aplicada dentro de um neurônio, leva tempo para que o neurônio “carregue” completamente para uma tensão estável. Na equação constante de tempo, cm é a capacitância da membrana neural, que é uma medida da capacidade da membrana para armazenar carga. Quanto maior a capacitância, mais tempo leva para o capacitor carregar completamente (ou descarregar), agindo como um “buffer” para qualquer mudança súbita de tensão.
assim, quanto menor a rm e cm, menor a constante de tempo é e menor a quantidade de tempo é necessária para mudar a tensão de um axon.
um “neurônio ideal” teria uma constante de comprimento infinitamente alto e uma constante de tempo infinitamente baixo. Assim, qualquer mudança de voltagem em qualquer lugar do neurônio mudaria instantaneamente a voltagem em todos os outros lugares do neurônio.Tanto a constante de tempo como a constante de comprimento são propriedades “passivas” dos neurônios. Então, como é que os teus neurónios impedem os sinais eléctricos de se deteriorarem para zero? Tornando-se” ativo ” e usando canais iônicos! Seus neurônios usam canais de sódio e potássio para regenerar o potencial de ação fluindo pelo axônio para “combater o decaimento” que ocorre devido à duração e constantes de tempo. Como um potencial de ação dispara para baixo seu axon, canais de sódio e potássio continuamente abrir e perto de recarregar o potencial de ação e “propagá-lo” para baixo do axon.
como sabem da experiência anterior da minhoca, esta propagação potencial de acção num neurónio tem uma velocidade finita. Cada vez que um canal de iões precisa abrir para recarregar o potencial de ação, isto retarda a propagação do potencial de ação por ~1 ms. E quanto menor o seu comprimento constante é, mais você tem para gerar o potencial de ação por ter canais iônicos abertos ao longo do comprimento do axônio. Como podemos aumentar a constante de comprimento? Podemos fazê-lo aumentando a rm. Há alguma maneira de fazermos isto? Sim! Podemos aumentar a rm ao envolver o neurónio….
a mielina é uma cobertura de gordura produzida por células especiais denominadas células Schwann e oligodendrócitos. Esta cobertura é o que faz os axons parecer semelhante aos rolos de cachorro-quente, e por que o cérebro é às vezes chamado de um “pedaço de gordura.”Esta cobertura de gordura faz a membrana neural menos vazante e aumenta a rm substancialmente.
mas o que achas que aconteceria se cobrisses todo o axon de mielina? Infelizmente, a constante de comprimento não é aumentada o suficiente para você escapar com isso. O potencial de ação ainda precisa ser regenerado ao longo do axon, embora não tantas vezes como um axon não-mielinado.
é por isso que a bainha de mielina é descontínua, com pedaços periódicos de membrana neural expostos chamados “nós de Ranvier”.”Nestes nós nenhuma mielina cobre a membrana, e muitos canais iônicos ativos residem lá. A regeneração discreta dos potenciais de ação entre comprimentos de mielina nos nós de Ranvier é chamada de “condução saltatória”.”
mas espera! Cobrir os neurônios com mielina faz o interior e o exterior da membrana neural mais distante um do outro. Como a capacitância é afetada pela distância de separação entre os corpos carregados (veja seu Haliday e Resnick), a mielina vai diminuir cm. Isso também causa uma diminuição no tempo constante? Bem, talvez não, uma vez que, como dissemos anteriormente, a mielina também aumenta substancialmente a rm.
o resultado desta redução simultânea de cm e aumento de rm é hipotético para causar nenhuma mudança líquida na constante de tempo, embora faltem evidências experimentais diretas na literatura. Se você tem dois axônios de diâmetro igual e um tem uma bainha de mielina de 1 mm de espessura, e o outro tem uma bainha de mielina de 2 mm de espessura, quanto mais rápido será o segundo axon? Infelizmente, novamente, esta resposta parece ser experimentalmente desconhecida, como neurônios com maior espessura de mielina também simultaneamente têm maior diâmetro axônio. O que tem sido geralmente confirmado com simulações de computador é que um neurônio mielinado duas vezes mais espesso que outro neurônio mielinado terá uma velocidade de condução duas vezes mais rápida.Há outra maneira de aumentar a velocidade de condução sem se preocupar com todas estas células especiais que cobrem os neurônios com gordura. Este método é também o que muitos invertebrados usam…
quanto maior o raio do axon, menor será o RI e o rm. Lembre-se da nossa equação constante de comprimento diz que :
se o topo e o fundo variarem com o raio… parece que o tamanho do machado não faria diferença nenhuma! Mas vamos dar uma olhada cuidadosa em como estes dois valores variam com o tamanho do axon. A resistência da membrana (rm) muda com a circunferência do axon (onde a membrana está) assim.:
enquanto a resistência interna muda com a área do axon.
ambos Ri e Rm são constantes que podem ser medidas a partir do neurônio independentemente do seu tamanho, (enquanto ri e rm levam o tamanho em conta), π É 3,14, e raio é o raio do axon. Então agora vamos olhar para essa equação novamente:
estamos interessados em ver o que muda quando mudamos o tamanho do axon (raio), então queremos remover as coisas que são constantes e ver o que resta que muda. Tanto Rm e Ri são constantes, assim como 2 e π,e um raio cancela. Resta-nos simplesmente isso.:
assim, a constante de comprimento, e a velocidade de condução, escalam com a raiz quadrada do raio.
Note que os benefícios da mielina são substancialmente superiores aos benefícios do diâmetro axónico. Triplicar a espessura da mielina aumenta a velocidade de condução 3x, enquanto triplicar o diâmetro do axônio apenas aumenta a velocidade de condução pela raiz quadrada de 3, ou 1,7 vezes. Há um custo metabólico, no entanto, para fazer mielina (você precisa manter as células especiais vivas que cobrem os neurônios em gordura), por isso não é a solução perfeita para todos os animais. Mas…mesmo os maiores axônios sem mielina no reino animal, como o axon gigante de lulas de 1 mm de diâmetro, só tem uma velocidade de condução de 20-25 m/s segundo! Você tem axons mielinados em seu corpo (as fibras alfa a) que têm apenas 13-20 µm de diâmetro (1/100 do tamanho do axon Lula), mas têm velocidades de condução que são 80-120 m/s! A mielina é uma invenção biológica maravilhosa, permitindo que os neurônios fiquem pequenos e rápidos, mas é cara.Parece confuso? Não te preocupes, também foi confuso para nós durante a nossa educação. Bem – vindo à” Cable Theory”, que foi originalmente desenvolvida na década de 1800, quando os engenheiros estavam tentando entender a transmissão de sinal através de linhas de telégrafo de longa distância. Neurocientistas então aplicaram esta teoria aos neurônios no início do século XX.
mas o que significa toda essa teoria do cabo em relação aos dois tipos nervosos na minhoca? Uma vez que o MGN é 1,4 vezes maior em tamanho do que o LGN, devemos esperar que seja 1,18 vezes mais rápido. Nós anteriormente medimos o LGN para ~10-14 m / s, então nós esperaríamos que o MGN para ser 12-17 m / s. É uma pequena diferença para o nosso equipamento detectar, mas vamos tentar a experiência para ver se os nossos resultados correspondem à teoria!
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Vídeo
Nota: O vídeo abaixo é de uma mais recente, de julho de 2015, o vídeo no nosso worm trecho da experiência, mas serve como um tutorial para usar o nosso software, e o procedimento é muito semelhante. Você pode ver o vídeo original de dezembro de 2012 aqui.
Vídeo
Procedimento
Os Materiais Necessários Para Este Laboratório São Exactamente Os Mesmos Que A Experiência: Introdução à velocidade de condução (velocidade Neural)
- Anestesie e tome uma gravação da extremidade posterior do verme como você fez na experiência anterior.
- assim que tiver vários picos, gire o verme 180 graus e reposicione os eléctrodos. Você vai medir a partir da extremidade anterior do verme desta vez.
- agora Registre vários picos da extremidade anterior, tocando a cabeça do verme com uma sonda de madeira. Uma vez que você tem vários picos, você pode parar de gravar e devolver o verme para o seu solo. A minhoca é bastante resistente e recupera bem desta experiência.
- Agora você está pronto para olhar para os seus dados. Você deve ver uma linha plana ou ruído excessivo quando você virou os eletrodos ao redor. Isto serve como marcador de tempo de quando você virou o verme, e agora você sabe quais espigões pertencem à extremidade posterior e quais espigões pertencem à extremidade anterior. A figura abaixo mostra uma gravação de eletrodo 1 na parte inferior e eletrodo 2 na parte superior.
- agora podes ampliar os teus picos e medir a velocidade de condução. Façam leituras de 5-6 pontos.
- repita a experiência várias vezes com alguns vermes. Isso lhe dará um bom conjunto de dados para trabalhar. Não se esqueça de limpar seus eletrodos com um pouco de álcool ou água e uma toalha de papel após cada verme.
- agora você precisa fazer um teste estatístico, ou seja, o teste T, para examinar se as velocidades de condução são diferentes para os dois nervos. Se você ainda não sabe como fazer isso, você pode pegar o seu conjunto de dados e acompanhar em nosso plano de lições de estatísticas. Se você fez este plano de lição ou tem alguma experiência em estatísticas, então você pode ir em frente e realizar os cálculos abaixo.
- tome a média e o desvio padrão de suas gravações MGN e LGN.
- finalmente, vamos calcular o nosso valor t-estatístico e p -.
o que encontrou? As duas velocidades de condução são diferentes uma da outra?
discussão
se a sua experiência foi bem sucedida, deve ter descoberto que a velocidade de condução da MGN (extremidade anterior) foi de facto significativamente mais rápida, mas não 1.2x mais rápido, mas mais tipo 2-4x mais rápido! Porquê? Você pode se lembrar que os neurônios da minhoca são realmente mielinados! Alguns invertebrados, como alguns camarões e alguns vermes, na verdade têm mielina.Normalmente, à medida que o axon aumenta o seu diâmetro, a sua espessura da mielina também aumenta. Talvez a MGN também tenha uma bainha de mielina mais grossa. Isso seria um excelente projeto de histologia para descobrir. Deixe-nos saber se você está à altura do Desafio, e deixe-nos saber o que você encontrar!
se você tem uma idéia sobre o que causa esta diferença inesperadamente grande, nós gostaríamos de ouvir sobre isso. Talvez o teu professor saiba? Bem-vindos à biologia e descobertas inesperadas! Além disso, se você entender por que ter uma constante de tempo maior aumenta a velocidade de condução, deixe-nos saber isso também.Questions to Consider
- Does the anesthetic have an effect on the conduction velocities of the MGN and LGN?
- o tamanho geral de um verme tem um efeito na velocidade de condução?
- pode também anestesiar o verme numa solução de água carbonatada de 40% a 60% durante 5-9 minutos como anestésico alternativo. Isto irá alterar as medições da velocidade de condução.
- o verme Lumbriculus variegatus (verme Negro da Califórnia) na verdade tem uma LGN maior do que a MGN, por isso esperamos que os nossos resultados sejam o oposto do que observamos aqui com o nosso Lumbricus terrestris nightcrawlers. Faça esta experiência e diga-nos o que encontrar!Qual a espessura da mielina? Não temos acesso a extensos recursos histológicos, mas pode ter. Porque não tomar algumas fatias da minhoca, medir o diâmetro do machado e a espessura da mielina, e informar-nos?
solução de problemas
isto pode por vezes ser uma experiência difícil, porque o verme não pode produzir picos dependendo da quantidade e tempo do anestésico utilizado, bem como da saúde geral do verme. Se você ficar com a solução de 10% de álcool por cerca de 3-6 minutos, o worm deve produzir picos A maior parte do tempo, assim que você começar (não se esqueça de lavar o worm em água após você anestesiá-lo).Pode também tentar tocar o verme com mais ou menos pressão. Às vezes uma torneira muito pequena vai funcionar, outras vezes uma prensa mais forte pode ser necessária. Alguns vermes respondem melhor a um estímulo no final de seus corpos, enquanto outros respondem melhor a um estímulo alguns centímetros para dentro.Finalmente, às vezes causarás um artefacto quando tocares no verme. Olhando de perto para as formas de onda do artefacto, os artefatos aparecerão exatamente na mesma em ambos os canais. Isto é um pico falso e não fisiológico! Às vezes, secar a sonda periodicamente ajuda; também não rehidratar o verme em água em excesso (embora também tenha cuidado para não secar o verme para fora). É um equilíbrio cuidadoso, e você vai desenvolver seu próprio estilo e técnica à medida que você ganha experiência.
pode também utilizar um estímulo do ar a partir de uma lata de ar em vez de uma ponta de plástico, madeira ou vidro se estiver a receber demasiados picos falsos. Você também pode querer virar o verme para cima para que o lado ventral ou inferior está virado para cima. Fazer isso significa que quando você toca o verme com sua sonda o toque será mais próximo do nervo.