Experiment: jämförelse av hastigheter på två Nervfiberstorlekar

Bakgrund

Obs: Detta experiment granskades och publicerades av American Physiological Society i tidskriften ”Advances in Physiology Education”-Läs papperet, intrepid scientists, för en mer djupgående behandling av experimentet som beskrivs nedan.

tidigare lärde du dig att mäta ledningshastighet från daggmaskens nervfibersystem. Du kommer ihåg att Ormen har tre stora neuroner som löper längden på kroppen, den mediala jättenerven (MGN) och de två smälta laterala jättenerven (LGN).

Låt oss ta en närmare titt på den ventrala eller ”botten” nervkabeln som innehåller dessa mediala och laterala jätte nerver. En av skillnaderna mellan ryggradslösa djur (insekter, maskar och så vidare) och ryggradsdjur (hundar, ödlor, oss) är att ryggradslösa djur har en ventral nervkabel (löper längs deras ”mage”) medan vi har en dorsal nervkabel (vår ryggmärg löper längs vår baksida).

både MGN och LGN spelar en viktig roll för att säkerställa att maskens sinnen kommunicerar med sina muskler (Drewes et al. 1978). MGN överför sensorisk information om maskens främre eller främre del (änden närmast klitellum). Däremot överför LGN sensorisk information om den bakre eller bakre delen av masken (änden längst bort från klitellumet). Det finns också en fysisk storleksskillnad mellan dessa två system. Den mediala jättenerven, med 0,07 mm i diameter, är något bredare än den laterala jättenerven (0.05 mm i diameter) (Kladt et. al 2010).

i det föregående daggmaskexperimentet spelade du in från maskens bakre eller bakre ände och bestämde ledningshastigheten för LGN. För detta experiment kommer du att spela in från både de bakre (LGN) och främre ändarna av masken (MGN). Vi vill ta reda på om det finns någon skillnad i ledningshastighet mellan de två nerverna. Tror du att det kommer att bli någon skillnad? Låt oss överväga några…..

när man tänker på hur en åtgärdspotential färdas ner en neurons axon, är det användbart att tänka på en analogi av en TV: s volym. Tänk på att slå på din TV och sedan långsamt gå bort från den. När du går längre och längre bort vad händer?

ljudet från högtalaren blir tystare och tystare ju längre du är borta från källan. Detta exempel är analogt med en spänningsförändring (grund för en åtgärdspotential) som strömmar ner i en neurons axon. I en hypotetisk neuron med de aktiva jonkanalerna borttagna, låt oss ändra spänningen i cellkroppen och ta tre mätningar längs axonen. Hur tror du att mätningarna kommer att se ut?

Observera att signalen sönderfaller. Styrkan i detta förfall bestäms av två saker, tidskonstanten och längdkonstanten. Tid för lite matematik och elektronik, våra favoritämnen (förutom neuroner förstås).

vad betyder r och c? r är ” motstånd ”mot strömflöde, och c är” kapacitans”, ett mått på lagring av laddning över en isolerande barriär.

Låt oss först prata om längdkonstanten (detta kallas ibland också ”rymdkonstanten”). Längdskonstanten (eller lambda) är ett mått på hur långt spänningen färdas ner axonen innan den sönderfaller till noll. Om du har en längdkonstant på 1 mm, betyder det 1 mm från cellkroppen i en axon, kvarstår 37% av spänningsstorleken. Vid 2 mm från cellkroppen i en axon kvarstår 14% av storleken och vid 3 mm bort kvarstår 5%. Detta är representativt för en” exponentiell förfall ” – funktion.

längdkonstanten beräknas från rm och ri. rm är det elektriska motståndet i neurons membran, eller hur” elektriskt läckande ” det är. Ju större rm (”mindre läckande”) är, desto större blir längden konstant. ri är motståndet hos den intracellulära vätskan (kallad axoplasma) inuti axonen. Omvänt är den lägre ri, desto större blir längden konstant.

tidskonstanten (Tau eller Tau) liknar längdkonstanten, men gäller tid. Om en spänningsändring appliceras inuti en neuron tar det tid för neuronen att helt ”Ladda” till en stabil spänning. I tidskonstantekvationen är cm kapacitansen hos det neurala membranet, vilket är ett mått på membranets förmåga att lagra laddning. Ju högre kapacitans, desto mer tid tar det för kondensatorn att ladda helt (eller urladdas), som fungerar som en ”buffert” till någon plötslig spänningsförändring.

ju mindre både rm och cm blir, desto mindre är tidskonstanten och desto mindre tid behövs för att ändra en axons spänning.

en ”ideal neuron” skulle ha en oändligt hög längd konstant och en oändligt låg tidskonstant. Således skulle varje spänningsändring var som helst i neuronen omedelbart ändra spänningen överallt i neuronen.

både tidskonstanten och längdkonstanten är ”passiva” egenskaper hos neuronerna. Så, hur stoppar dina neuroner elektriska signaler från förfall till noll? Genom att bli ”aktiv” och använda jonkanaler! Dina neuroner använder natrium-och kaliumkanaler för att regenerera åtgärdspotentialen som strömmar ner i axonen för att ”bekämpa förfallet” som uppstår på grund av längd-och tidskonstanterna. Som en åtgärdspotential brinner ner din axon, öppnar natrium-och kaliumkanaler kontinuerligt och stänger för att ladda åtgärdspotentialen och ”sprida den” ner i axonen.

som du vet från det tidigare daggmaskexperimentet har denna åtgärdspotentialutbredning ner en neuron en ändlig hastighet. Varje gång en jonkanal behöver öppna för att ladda åtgärdspotentialen, fördröjer detta förökningen av åtgärdspotentialen med ~1 ms. och ju mindre din längd konstant är desto mer måste du regenerera åtgärdspotentialen genom att ha jonkanaler öppna längs axonens längd. Hur kan vi öka längden konstant? Vi kan göra detta genom att öka rm. Finns det ett sätt vi kan göra detta?

Ja! Vi kan öka rm genom att linda in neuronen….

Myelin är en fettbeläggning som produceras av speciella celler som kallas Schwann-celler och oligodendrocyter. Denna täckning är det som gör axonerna liknar varmkorv rullar, och varför hjärnan kallas ibland en ”klump av fett.”Denna feta täckning gör det neurala membranet mindre läckande och ökar RM väsentligt.

men vad tror du skulle hända om du täckte hela axonen i myelin? Tyvärr ökas inte längdkonstanten tillräckligt för att du ska komma undan med detta. Åtgärdspotentialen behöver fortfarande regenereras längs axonen, men inte så många gånger som en omyelinerad axon.

det är därför myelinmanteln är diskontinuerlig, med periodiska exponerade bitar av neuralt membran som kallas ”noder av Ranvier.”I dessa noder täcker ingen myelin membranet, och många aktiva jonkanaler finns där. Den diskreta regenereringen av åtgärdspotentialer mellan längder av myelin vid noderna i Ranvier kallas ”saltatorisk ledning.”

relaterat faktum: Saltar är spanska för ” att hoppa.”En gräshoppa som bor i Anderna, till exempel, kallas ”Saltamontes” eller ”mountain jumper.”

men vänta! Att täcka neuronerna med myelin gör insidan och utsidan av neuralmembranet längre ifrån varandra. Eftersom kapacitansen påverkas av avståndet mellan de laddade kropparna (se din Haliday och Resnick) kommer myelin att minska cm. Orsakar detta också en minskning av tidskonstanten då? Tja, kanske inte, eftersom, som vi sa tidigare, ökar myelin också väsentligt rm.

resultatet av denna samtidiga minskning i cm och ökning av rm antas inte orsaka någon nettoförändring i tidskonstanten, även om direkta experimentella bevis i litteraturen saknas. Om du har två axoner med samma diameter och en har en myelinmantel med 1 mm tjocklek och den andra har en myelinmantel med 2 mm tjocklek, hur mycket snabbare kommer den andra axonen att vara? Tyvärr verkar detta svar återigen vara experimentellt okänt, eftersom neuroner med ökad myelintjocklek också samtidigt har ökat axondiametern. Vad som i allmänhet har bekräftats med datorsimuleringar är att en myeliniserad neuron dubbelt så tjock som en annan myeliniserad neuron kommer att ha en ledningshastighet dubbelt så snabb.

det finns ett annat sätt att öka ledningshastigheten utan att störa med alla dessa speciella celler som täcker neuronerna med fett. Denna metod är också vad många ryggradslösa djur använder…

ju större axonens radie är, desto mindre blir både ri och rm. Kom ihåg vår längd konstant ekvation säger att :

om både topp och botten varierar med radien… det verkar som om axonens storlek inte skulle göra någon skillnad alls! Men låt oss ta en noggrann titt på hur dessa två värden varierar med axonens storlek. Membranmotståndet (rm) förändras med axonens omkrets (där membranet är) som så:

medan det inre motståndet förändras med axonens yta.

både Ri och Rm är konstanter som kan mätas från neuronen oavsett dess storlek, (medan ri och rm tar hänsyn till storlek), är 6,14, och radien är axonens radie. Så nu ska vi titta på den ekvationen igen:

vi är intresserade av att se vad som ändras när vi ändrar axonens storlek (radie), så vi vill ta bort saker som är konstanter och se vad som finns kvar som ändras. Både Rm och Ri är konstanter, så är 2 och GHz, och en radie avbryter. Vi är kvar med helt enkelt det:

således, längden konstant, och ledningshastighet, skalor med kvadratroten av radien.

Observera att fördelarna med myelin väsentligt uppväger fördelarna med axondiameterstorlek. Tredubbling av myelintjockleken ökar ledningshastigheten 3x, medan tredubbling av axondiametern bara ökar ledningshastigheten med kvadratroten på 3 eller 1,7 gånger. Det finns dock en metabolisk kostnad för att göra myelin (du måste hålla de speciella cellerna levande som täcker neuronerna i fett), så det är inte den perfekta lösningen för alla djur. Men…även de största axonerna utan myelin i djurriket, som bläckfiskjätten axon med 1 mm diameter, har bara en ledningshastighet på 20-25 m/s sekund! Du har myeliniserade axoner i din kropp (A-alfafibrerna) som bara är 13-20 kg i diameter (1/100 av bläckfiskens axons storlek), men har ändå ledningshastigheter som är 80-120 m/s! Myelin är en underbar biologisk uppfinning, vilket gör att neuroner kan bli både små och snabba, men det är dyrt.

låter förvirrande? Oroa dig inte, det var förvirrande för oss också under vår utbildning. Välkommen till” Kabelteori”, som ursprungligen utvecklades på 1800-talet när ingenjörer försökte förstå signalöverföring över långdistans telegraflinjer. Neuroscientists tillämpade sedan denna teori på neuroner i början av 20-talet.

men vad betyder all denna kabelteori med avseende på de två nervtyperna i daggmask? Eftersom MGN är 1, 4 gånger större än LGN, borde vi förvänta oss att det blir 1, 18 gånger snabbare. Vi mätte tidigare LGN att vara ~10-14 m/s, så vi skulle förvänta oss att MGN skulle vara 12-17 m/s. Det är en liten skillnad för vår utrustning att upptäcka, men låt oss försöka experimentet för att se om våra resultat matchar teorin!

nedladdningar

Video

Obs: videon nedan är en senare juli 2015-video på vårt worm stretch-experiment, men fungerar som en handledning för att använda vår nya programvara, och proceduren är mycket lik. Du kan se den ursprungliga December 2012-videon här.

Video

Procedur

Materialen Som Krävs För Detta Laboratorium Är Exakt Samma Som Experimentet: Introduktion till Ledningshastighet (Neural hastighet)

1. bedöva och ta en inspelning av maskens bakre ände som du gjorde i föregående experiment.
   
2. när du har fått flera spikar, rotera masken 180 grader och flytta elektroderna. Du kommer att mäta från den främre änden av masken den här gången.
   
3. spela nu in flera spikar från den främre änden genom att röra maskens huvud med en träsond. När du har flera spikar kan du sluta spela in och återföra masken till jorden. Daggmask är ganska fjädrande och återhämtar sig väl från detta experiment.
4. nu är du redo att titta på dina data. Du bör se en platt linje eller överdrivet ljud när du vred elektroderna runt. Detta fungerar som din tidsmarkör för när du vred masken, och nu vet du vilka spikar som tillhör den bakre änden och vilka spikar som tillhör den främre änden. Figuren nedan visar en inspelning av elektrod 1 på botten och elektrod 2 på toppen.
   
5. du kan nu zooma in på dina spikar och mäta ledningshastigheten. Ta avläsningar av 5-6 spikar.
   
6. upprepa experimentet flera gånger med några maskar. Detta ger dig en bra datamängd att arbeta med. Glöm inte att rengöra elektroderna med lite alkohol eller vatten och en pappershandduk efter varje mask.
   
7. du måste nu köra ett statistiskt test, nämligen T-testet, för att undersöka om ledningshastigheterna är olika för de två nerverna. Om du ännu inte vet hur du gör detta kan du ta din datamängd och följa med i vår statistiklektionsplan. Om du har gjort denna lektionsplan eller har viss erfarenhet av statistik kan du gå vidare och utföra beräkningarna nedan.
8. ta genomsnittet och standardavvikelsen för dina mgn-och LGN-inspelningar.
   
9. slutligen, låt oss beräkna vår t-statistik och p-värde.
   

   vad hittade du? Är de två ledningshastigheterna olika från varandra?

diskussion

om ditt experiment lyckades borde du ha funnit att MGN (anterior end) ledningshastigheten verkligen var betydligt snabbare, men inte 1.2x snabbare, men mer som 2-4x snabbare! Varför är det här? Du kanske kommer ihåg att daggmaskneuronerna faktiskt är myelinerade! Vissa ryggradslösa djur, som vissa räkor och vissa maskar, har faktiskt myelin.

typiskt, som axon ökar dess diameter, dess myelin tjocklek ökar också. Kanske har MGN också en tjockare myelinmantel. Detta skulle göra ett utmärkt histologiprojekt att ta reda på. Låt oss veta om du är upp till utmaningen, och låt oss veta vad du hittar!

om du har en uppfattning om vad som orsakar denna oväntat stora skillnad, skulle vi gärna höra om det. Kanske din lärare vet? Välkommen till biologi och oväntade fynd! Om du förstår varför en längre tidskonstant ökar ledningshastigheten, låt oss också veta det.

frågor att överväga

1. har anestetiken en effekt på ledningshastigheterna hos MGN och LGN?
2. har en masks allmänna storlek en effekt på ledningshastigheten?
3. du kan också bedöva masken i en 40% – 60% kolsyrad vattenlösning i 5-9 minuter som ett alternativt bedövningsmedel. Kommer detta att ändra ledningshastighetsmätningarna.
4. worm Lumbriculus variegatus (California Blackworm) har faktiskt en större LGN än MGN, så vi förväntar oss att våra resultat är motsatsen till vad vi observerade här med våra Lumbricus terrestris nightcrawlers. Gör detta experiment och låt oss veta vad du hittar!
5. hur tjock är myelin? Vi har inte tillgång till omfattande histologiska resurser, men du kan. Varför inte ta några skivor av daggmask, mäta axondiametern och myelintjockleken på båda nerverna och rapportera tillbaka till oss?

felsökning

detta kan ibland vara ett svårt experiment, eftersom masken kanske inte producerar spikar beroende på mängden och tiden för bedövningsmedel som används samt maskens allmänna hälsa. Om du håller fast vid 10% alkohollösningen i cirka 3-6 minuter, bör masken producera spikar för det mesta så snart du börjar (glöm inte att tvätta masken i vatten efter att du har bedövat den).

du kanske också vill försöka röra masken med mer eller mindre tryck. Ibland fungerar en mycket liten kran, andra gånger kan en starkare press behövas. Vissa maskar svarar bättre på en stimulans i slutet av kroppen, medan andra svarar bättre på en stimulans några centimeter inåt.

slutligen, ibland kommer du att orsaka en artefakt när du rör masken. Titta noga på artefaktvågformerna, artefakterna kommer att visas på exakt samma på båda kanalerna. Detta är en falsk spik och inte fysiologisk! Ibland hjälper torkning av din sond regelbundet; rehydrera inte masken i vatten för mycket (men var försiktig så att du inte torkar ut masken). Det är en noggrann balans, och du kommer att utveckla din egen stil och teknik när du får erfarenhet.

du kan också använda en luftstimulans från en luftburk i stället för en plast -, trä-eller glasspets om du får för många falska spikar. Du kanske också vill vända masken så att den ventrala eller nedre sidan är vänd uppåt. Att göra detta betyder att när du rör ormen med din sond kommer beröringen att vara närmare nerven.