Experiment: Compararea vitezelor a două dimensiuni ale fibrelor nervoase

context

Notă: Acest experiment a fost revizuit de colegi și publicat de Societatea Americană de Fiziologie în revista „Advances in Physiology Education”-citiți lucrarea, oamenii de știință îndrăzneți, pentru un tratament mai aprofundat al experimentului descris mai jos.

anterior, ați învățat cum să măsurați viteza de conducere din sistemul de fibre nervoase al râmei. Vă amintiți că viermele are trei neuroni mari care rulează lungimea corpului său, nervul gigant medial (MGN) și cei doi nerv gigant lateral fuzionat (LGN).

să aruncăm o privire mai atentă la cordonul nervos ventral sau „de jos” care conține acești nervi giganți mediali și laterali. Una dintre diferențele dintre nevertebrate (insecte, viermi și așa mai departe) și vertebrate (câini, șopârle, noi) este că nevertebratele au un cordon nervos ventral (care rulează de-a lungul „burții” lor), în timp ce avem un cordon nervos dorsal (măduva spinării rulează de-a lungul spatelui nostru).

atât MGN, cât și LGN joacă un rol important în asigurarea comunicării simțurilor viermelui cu mușchii săi (Drewes și colab. 1978). MGN transmite informații senzoriale despre partea anterioară sau frontală a viermelui (capătul cel mai apropiat de clitellum). În schimb, LGN transmite informații senzoriale despre posteriorul sau spatele viermelui (capătul cel mai îndepărtat de clitellum). Există și o diferență de dimensiune fizică între aceste două sisteme. Nervul gigant medial, cu diametrul de 0,07 mm, este puțin mai lat decât nervul gigant lateral (0.05 mm în diametru) (Kladt et. al 2010).

în experimentul anterior de râme, ați înregistrat din spate sau din capătul posterior al viermelui și ați determinat viteza de conducere pentru LGN. Pentru acest experiment, veți înregistra atât din capetele posterioare (LGN), cât și din cele anterioare ale viermelui (MGN). Vrem să aflăm dacă există vreo diferență în viteza de conducere între cei doi nervi. Crezi că va fi vreo diferență? Să luăm în considerare unele…..

când ne gândim la modul în care un potențial de acțiune călătorește pe axonul unui neuron, este util să ne gândim la o analogie a volumului unui televizor. Gândiți-vă să porniți televizorul și apoi să vă îndepărtați încet de el. Pe măsură ce mergi din ce în ce mai departe, ce se întâmplă?

sunetul provenit de la difuzor devine mai silențios și mai silențios cu cât sunteți mai departe de sursă. Acest exemplu este analog cu o schimbare de tensiune (baza unui potențial de acțiune) care curge pe axonul unui neuron. Într-un neuron ipotetic cu canalele ionice active îndepărtate, să schimbăm tensiunea din corpul celulei și să luăm trei măsurători de-a lungul axonului. Cum credeți că vor arăta măsurătorile?

observați că semnalul se descompune. Puterea acestei decăderi este determinată de două lucruri, constanta de timp și constanta de lungime. Timp pentru unele matematică și electronică, subiectele noastre preferate (în afară de neuroni, desigur).

ce înseamnă r și c? r este ” Rezistență „la fluxul de curent, iar c este” Capacitate”, o măsură a stocării sarcinii pe o barieră izolatoare.

în primul rând, să vorbim despre Constanta lungimii (aceasta este uneori numită și „Constanta spațială”). Constanta de lungime (XV, sau lambda) este o măsură a cât de departe se deplasează tensiunea pe axon înainte de a se descompune la zero. Dacă aveți o lungime constantă de 1 mm, adică la 1 mm distanță de corpul celulei într-un axon, 37% din magnitudinea tensiunii rămâne. La 2 mm distanță de corpul celular într-un axon, 14% din magnitudine rămâne, iar la 3 mm distanță, 5% rămâne. Aceasta este reprezentativă pentru o funcție de” descompunere exponențială”.

Constanta lungimii este calculată din rm și ri. rm este rezistența electrică a membranei neuronului sau cât de „scurgeri electrice” este. Cu cât rm este mai mare („mai puțin permeabil”), cu atât constanta de lungime va fi mai mare. ri este rezistența fluidului intracelular (numit axoplasmă) în interiorul axonului. În schimb, cu cât ri este mai mic, cu atât constanta de lungime va fi mai mare.

constanta de timp (sau tau) este similară cu constanta de lungime, dar se aplică timpului. Dacă se aplică o schimbare de tensiune în interiorul unui neuron, este nevoie de timp pentru ca neuronul să se „încarce” complet la o tensiune stabilă. În ecuația constantă de timp, cm este capacitatea membranei neuronale, care este o măsură a capacității membranei de a stoca sarcina. Cu cât capacitatea este mai mare, cu atât este nevoie de mai mult timp pentru ca condensatorul să se încarce complet (sau să se descarce), acționând ca un „tampon” la orice schimbare bruscă de tensiune.

astfel, cu cât rm și cm devin mai mici, cu atât este mai mică constanta de timp și este nevoie de mai puțin timp pentru a schimba tensiunea unui axon.

un „neuron ideal” ar avea o constantă de lungime infinit de mare și o constantă de timp infinit de mică. Astfel, orice schimbare de tensiune oriunde în neuron ar schimba instantaneu tensiunea oriunde altundeva în neuron.

atât constanta de timp, cât și constanta de lungime sunt proprietăți „pasive” ale neuronilor. Deci, cum opresc neuronii semnalele electrice de la descompunere la zero? Devenind „activ” și folosind canale ionice! Neuronii dvs. folosesc canale de sodiu și potasiu pentru a regenera potențialul de acțiune care curge pe axon pentru a „lupta împotriva degradării” care apare din cauza constantelor de lungime și timp. Pe măsură ce un potențial de acțiune declanșează axonul, canalele de sodiu și potasiu se deschid și se închid continuu pentru a reîncărca potențialul de acțiune și a-l „propaga” pe axon.

după cum știți din experimentul anterior al râmei, această acțiune potențial propagare pe un neuron are o viteză finită. De fiecare dată când un canal ionic trebuie să se deschidă pentru a reîncărca potențialul de acțiune, acest lucru întârzie propagarea potențialului de acțiune cu ~1 ms. și cu cât constanta de lungime este mai mică, cu atât trebuie să regenerați potențialul de acțiune prin deschiderea canalelor ionice de-a lungul lungimii axonului. Cum putem crește lungimea constantă? Putem face acest lucru prin creșterea rm. Putem face asta cumva?

Da! Putem crește rm prin înfășurarea neuronului….

mielina este o acoperire grasă produsă de celule speciale numite celule Schwann și oligodendrocite. Această acoperire este ceea ce face ca axonii să arate similar cu rulourile de hot dog și de ce creierul este uneori numit „o bucată de grăsime.”Această acoperire grasă face ca membrana neurală să fie mai puțin scurgeră și crește substanțial rm.

dar ce crezi că s-ar întâmpla dacă ai acoperi întregul axon în mielină? Din păcate, constanta de lungime nu este suficient de crescută pentru a scăpa de asta. Potențialul de acțiune trebuie încă regenerat de-a lungul axonului, deși nu de atâtea ori ca un axon nemielinat.

acesta este motivul pentru care teaca de mielină este discontinuă, cu biți periodici expuși de membrană neuronală numiți „noduri de Ranvier.”În aceste noduri nici o mielină nu acoperă membrana și o mulțime de canale ionice active locuiesc acolo. Regenerarea discretă a potențialelor de acțiune între lungimile mielinei la nodurile lui Ranvier se numește „conducere salatorie.”

fapt înrudit: Saltar este spaniolă pentru ” a sari.”O lăcustă care trăiește în Munții Anzi, de exemplu, se numește „Saltamontes” sau „săritor de munte”.”

dar stai! Acoperirea neuronilor cu mielină face ca interiorul și exteriorul membranei neuronale să fie mai îndepărtate una de cealaltă. Deoarece capacitatea este afectată de Distanța de separare dintre corpurile încărcate (vezi Haliday și Resnick), mielina va scădea cm. Acest lucru determină o scădere a constantei de timp, de asemenea, atunci? Ei bine, poate că nu, deoarece, așa cum am spus mai devreme, mielina crește substanțial rm.

rezultatul acestei reduceri simultane a cm și creșterea rm se presupune că nu provoacă nicio modificare netă a constantei de timp, deși lipsesc dovezi experimentale directe în literatură. Dacă aveți doi axoni cu diametru egal și unul are o teacă de mielină de 1 mm grosime, iar celălalt are o teacă de mielină de 2 mm grosime, cât de rapid va fi al doilea axon? Din păcate, din nou, acest răspuns pare a fi necunoscut experimental, deoarece neuronii cu grosime crescută a mielinei au crescut simultan și diametrul axonului. Ceea ce s-a confirmat în general cu simulările pe computer este că un neuron mielinizat de două ori mai gros decât un alt neuron mielinizat va avea o viteză de conducere de două ori mai rapidă.

există un alt mod de a crește viteza de conducere fără a vă deranja cu toate aceste celule speciale care acoperă neuronii cu grăsime. Această metodă este, de asemenea, ceea ce folosesc multe nevertebrate…

cu cât raza axonului este mai mare, cu atât ri și rm vor fi mai mici. Amintiți-vă ecuația noastră constantă de lungime afirmă că :

dacă atât partea superioară, cât și cea inferioară variază în funcție de rază… se pare că dimensiunea axonului nu ar face deloc diferența! Dar să aruncăm o privire atentă la modul în care aceste două valori variază în funcție de dimensiunea axonului. Rezistența membranei (rm) se modifică odată cu circumferința axonului (unde este membrana) așa:

în timp ce rezistența internă se schimbă cu zona axonului.

atât ri, cât și Rm sunt constante care pot fi măsurate de la neuron, indiferent de mărimea acestuia, (în timp ce RI și rm iau în considerare dimensiunea), 0,14, iar raza este raza axonului. Deci, acum să ne uităm la această ecuație din nou:

suntem interesați să vedem ce se schimbă atunci când schimbăm dimensiunea axonului (raza), așa că vrem să eliminăm lucrurile care sunt constante și să vedem ce rămâne care se schimbă. Atât Rm, cât și Ri sunt constante, la fel sunt 2 și XV, iar o rază se anulează. Am rămas pur și simplu cu asta:

Astfel, lungimea constantă și viteza de conducere se scalează cu rădăcina pătrată a razei.

rețineți că beneficiile mielinei depășesc substanțial beneficiile dimensiunii diametrului axonului. Triplarea grosimii mielinei crește viteza de conducere 3x, în timp ce triplarea diametrului axonului crește doar viteza de conducere de către rădăcina pătrată de 3 sau 1,7 ori. Cu toate acestea, există un cost metabolic pentru a face mielină (trebuie să păstrați celulele speciale în viață care acoperă neuronii în grăsime), deci nu este soluția perfectă pentru toate animalele. Dar…chiar și cei mai mari axoni fără mielină din regnul animal, cum ar fi axonul uriaș de calmar cu diametrul de 1 mm, are doar o viteză de conducere de 20-25 m/s secundă! Aveți axoni mielinizați în corpul dvs. (fibrele alfa A) care au doar 13-20 mm în diametru (1/100 din dimensiunea axonului calmarului), dar au viteze de conducere care sunt de 80-120 m/s! Mielina este o invenție biologică minunată, permițând neuronilor să devină atât mici, cât și rapide, dar este costisitoare.

sunet confuz? Nu vă faceți griji, a fost confuz și pentru noi în timpul educației noastre. Bine ați venit la „teoria cablurilor”, care a fost inițial dezvoltată în anii 1800, când inginerii încercau să înțeleagă transmisia semnalului pe linii telegrafice pe distanțe lungi. Neurologii au aplicat apoi această teorie neuronilor la începutul secolului 20.

dar ce înseamnă toată această teorie a cablurilor în ceea ce privește cele două tipuri de nervi din râme? Deoarece MGN are o dimensiune de 1,4 ori mai mare decât LGN, ar trebui să ne așteptăm să fie de 1,18 ori mai rapid. Am măsurat anterior LGN să fie ~10-14 m/S, deci ne – am aștepta ca MGN să fie de 12-17 m/s. Aceasta este o mică diferență pentru echipamentele noastre de detectat, dar să încercăm experimentul pentru a vedea dacă rezultatele noastre se potrivesc cu teoria!

descărcări

Video

notă: videoclipul de mai jos este un videoclip mai recent din iulie 2015 despre experimentul nostru de întindere a viermilor, dar servește ca un tutorial pentru a utiliza noul nostru software, iar procedura este foarte similară. Puteți vedea videoclipul original din decembrie 2012 aici.

Video

Procedura

Materialele Necesare Pentru Acest Laborator Sunt Exact La Fel Ca Experimentul: Introducere în viteza de conducere (viteza neurală)

1. anesteziați și faceți o înregistrare a capătului posterior al viermelui așa cum ați făcut în experimentul anterior.
   
2. odată ce obțineți mai multe vârfuri, rotiți viermele la 180 de grade și repoziționați electrozii. Veți măsura de la capătul anterior al viermelui de data aceasta.
   
3. acum Înregistrați mai multe vârfuri de la capătul anterior atingând capul viermei cu o sondă de lemn. Odată ce aveți mai multe vârfuri, puteți opri înregistrarea și puteți readuce viermele în sol. Râma este destul de rezistentă și se recuperează bine din acest experiment.
4. acum sunteți gata să vă uitați la datele dvs. Ar trebui să vedeți o linie plană sau zgomot excesiv atunci când ați răsturnat electrozii. Acest lucru servește ca marker de timp al momentului în care ați răsturnat viermele și acum știți care vârfuri aparțin capătului posterior și care vârfuri aparțin capătului anterior. Figura de mai jos prezintă o înregistrare a electrodului 1 în partea de jos și a electrodului 2 în partea de sus.
   
5. acum Puteți mări vârfurile și puteți măsura viteza de conducere. Luați citiri de 5-6 vârfuri.
   
6. repetați experimentul de mai multe ori cu niște viermi. Acest lucru vă va oferi un set de date bun pentru a lucra cu. Nu uitați să vă curățați electrozii cu alcool sau apă și un prosop de hârtie după fiecare vierme.
   
7. acum trebuie să efectuați un test statistic, și anume testul T, pentru a examina dacă vitezele de conducere sunt diferite pentru cei doi nervi. Dacă nu știți încă cum să faceți acest lucru, puteți lua setul de date și urmați-l în planul nostru de lecție statistică. Dacă ați făcut acest plan de lecție sau aveți o experiență în statistici, atunci puteți merge mai departe și puteți efectua calculele de mai jos.
8. luați abaterea medie și standard a înregistrărilor dvs.
   
9. în cele din urmă, să calculăm statistica t și valoarea P.
   

   ce ai găsit? Sunt cele două viteze de conducere diferite una de cealaltă?

discuție

dacă experimentul dvs. a avut succes, ar fi trebuit să constatați că viteza de conducere MGN (capătul anterior) a fost într-adevăr semnificativ mai rapidă, dar nu 1.2x mai repede, dar mai mult ca 2-4x mai repede! De ce este asta? S-ar putea să vă amintiți că neuronii râmei sunt de fapt mielinizați! Unele nevertebrate, cum ar fi niște creveți și niște viermi, au de fapt mielină.

de obicei, pe măsură ce axonul își mărește diametrul, crește și grosimea mielinei. Poate că MGN are și o teacă de mielină mai groasă. Acest lucru ar face pentru un proiect histologie excelent pentru a afla. Spuneți-ne dacă sunteți la înălțimea provocării și anunțați-ne ce găsiți!

dacă aveți o idee despre ce cauzează această diferență neașteptat de mare, ne-ar plăcea să auzim despre asta. Poate profesorul tău știe? Bine ați venit la biologie și descoperiri neașteptate! De asemenea, dacă înțelegeți de ce o constantă de timp mai lungă crește viteza de conducere, anunțați-ne și asta.

întrebări de luat în considerare

1. anestezicul are un efect asupra vitezelor de conducere ale MGN și LGN?
2. dimensiunea generală a unui vierme are un efect asupra vitezei de conducere?
3. de asemenea, puteți anestezia viermele într – o soluție de apă carbogazoasă de 40% – 60% timp de 5-9 minute ca anestezic alternativ. Aceasta va schimba măsurătorile vitezei de conducere.
4. viermele Lumbriculus variegatus (California Blackworm) are de fapt un LGN mai mare decât MGN, așa că ne-am aștepta ca rezultatele noastre să fie opuse celor observate aici cu lumbricus terrestris nightcrawlers. Faceți acest experiment și spuneți-ne ce găsiți!
5. cât de groasă este mielina? Nu avem acces la resurse histologice extinse, dar s-ar putea. De ce să nu luați câteva felii de râme, să măsurați diametrul axonului și grosimea mielinei pe ambii nervi și să ne raportați?

depanarea

acest lucru poate fi uneori un experiment dificil, deoarece viermele poate să nu producă vârfuri în funcție de cantitatea și timpul anestezicului utilizat, precum și de starea generală de sănătate a viermelui. Dacă rămâneți la soluția de alcool 10% Timp de aproximativ 3-6 minute, viermele ar trebui să producă vârfuri de cele mai multe ori imediat ce începeți (nu uitați să spălați viermele în apă după ce îl anesteziați).

de asemenea, poate doriți să încercați să atingeți viermele cu o presiune mai mare sau mai mică. Uneori, un robinet foarte mic va funcționa, alteori ar putea fi nevoie de o presă mai puternică. Unii viermi răspund mai bine la un stimul chiar la capătul corpului lor, în timp ce alții răspund mai bine la un stimul cu câțiva centimetri spre interior.

în cele din urmă, uneori veți provoca un artefact atunci când atingeți viermele. Privind cu atenție pe formele de undă artefact, artefactele vor apărea exact la fel pe ambele canale. Acesta este un vârf fals și nu fiziologic! Uneori, uscarea sondei vă ajută periodic; de asemenea, nu rehidratați viermele în apă prea mult (deși aveți grijă să nu uscați viermele). Este un echilibru atent și vă veți dezvolta propriul stil și tehnică pe măsură ce câștigați experiență.

de asemenea, puteți utiliza un stimul de aer dintr-o cutie de aer în locul unui vârf de plastic, lemn sau sticlă dacă primiți prea multe vârfuri false. De asemenea, poate doriți să răsturnați viermele, astfel încât partea ventrală sau inferioară să fie orientată în sus. Făcând acest lucru înseamnă că atunci când atingeți viermele cu sonda, atingerea va fi mai aproape de nerv.