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实验:比较两种神经纤维的速度

你是否好奇你家附近的电线杆与你体内的神经元有何相似之处?在本课程计划中找出并学习电缆理论,同时测量蚯蚓的神经纤维系统的不同速度。

时间1 - 2小时
困难先进的

你会学到什么?

你将学习蚯蚓的外侧和内侧巨大神经纤维如何传递感觉信息,你将学习电缆理论,以及神经科学家如何应用它来解释轴突的物理特性。

先决条件的实验室

  • 传导速度简介-我们建议先完成这个实验,因为它会教你如何设置蚯蚓实验和使用你的神经元SpikerBox Pro。伟德国际安卓
  • 法拉第笼-噪音有时会成为录制时的一个问题,法拉第笼可以帮助你消除它。你可能需要在这个实验中使用一个。


背景

注:本实验经同行评审,并由美国生理学会发表在《生理学教育进展》杂志上看看这篇论文,勇敢的科学家们,对于下面描述的实验的更深入的处理

之前,你已经学习了如何通过蚯蚓的神经纤维系统来测量传导速度。你还记得蛔虫有三个贯穿整个身体的大神经元,内侧巨神经(MGN)和两个融合的外侧巨神经(LGN)。

让我们仔细看看包含这些内侧和外侧巨神经的腹侧,或“底部”神经束。无脊椎动物(昆虫、蠕虫等)和脊椎动物(狗、蜥蜴、我们)之间的一个区别是,无脊椎动物有一个腹神经索(沿着它们的“腹部”),而我们有一个背神经索(我们的脊髓沿着我们的背部)。

MGN和LGN在确保蠕虫的感官与肌肉交流方面都发挥着重要作用(Drewes et al. 1978)。MGN传递关于蠕虫前部(最接近阴囊的末端)的感觉信息。相比之下,LGN传递关于蠕虫后部(离生殖带最远的一端)的感觉信息。这两个系统之间也有物理尺寸的差异。内侧巨神经直径0.07 mm,略宽于外侧巨神经(直径0.05 mm) (Kladt et. al, 2010)。

在之前的蚯蚓实验中,你从蚯蚓的后部或后端记录,并确定LGN的传导速度。在这个实验中,你将同时记录蠕虫的后端(LGN)和前端(MGN)。我们想知道这两种神经之间的传导速度是否有任何不同。你认为会有区别吗?让我们考虑一些……

当考虑动作电位如何沿着神经元的轴突传递时,不妨把它比作电视的音量。想象一下打开电视,然后慢慢离开。你越走越远会发生什么?

来自扬声器的声音变得更平静,更安静,进一步远离源头。该示例类似于流下神经元轴突的电压变化(基于动作电位的基础)。在拆除有源离子通道的假设神经元中,让我们改变细胞体中的电压并沿着轴架进行三次测量。您认为测量结果是什么样的?

注意信号会衰减。这个衰减的强度由两个因素决定,时间常数和长度常数。接下来是我们最喜欢的科目——数学和电子学(当然神经元除外)。

r和c是什么意思?r是对电流的“电阻”,c是“电容”,是对通过绝缘屏障的电荷存储的测量。

首先,让我们来谈谈长度常数(有时也称为“空间常数”)。长度常数(λ,或λ)是电压在轴突衰减到零之前沿轴突移动的距离的度量。如果你有一个1毫米的长度常数,这意味着在轴突离细胞体1毫米处,电压幅度的37%仍然存在。轴突距离细胞体2毫米处,保留14%的大小,3毫米处,保留5%。这是an的代表“指数衰减”函数。

长度常数是从r计算出来的和R.。r是神经元细胞膜的电阻,或它的“漏电”程度。更大的r(“泄漏少”)则长度常数越大。r是轴突内细胞内液体(称为轴浆)的阻力。相反,小写的r长度常数越大。

时间常数(Τ,或tau)与长度常数类似,但适用于时间。如果在神经元内部施加电压变化,神经元完全“充电”到稳定电压需要一段时间。在时间常数方程中,c是神经膜的电容,这是膜的存储能力的衡量标准。电容越高,电容器对完全充电(或放电)所需的时间越多,用作任何突然电压变化的“缓冲器”。

因此,r和c变,时间常数越小,改变轴突电压所需的时间就越少。

一个“理想神经元”会有一个无限大的长度常数和一个无限小的时间常数。因此,神经元中任何地方的电压变化都会立即改变神经元中其他地方的电压。

时间常数和长度常数都是神经元的“被动”属性。那么,你的神经元如何阻止电信号衰减到零?通过成为“活跃”并使用离子渠道!您的神经元使用钠和钾通道来再生流动轴轴的动作电位,以“对抗衰变”而由于长度和时间常数而发生的。随着动作潜力在轴突中发射,钠和钾通道连续打开和接近地重新充电,并将动作电位“传播”在轴突上。

如你所知,从以前的蚯蚓实验中,这种动作潜力在神经元上传播具有有限速度。每次一个离子通道都需要打开以充电动作电位,这会延迟动作电位的传播〜1 ms。并且较小的长度常数是,通过沿着轴突的长度打开离子通道来再生动作电位越多。我们如何增加长度常数?我们可以通过增加r来做到这一点。我们有办法做到吗?

是的!我们可以增加r将神经元包裹在....中

髓磷脂是一种由雪旺细胞和少突胶质细胞产生的脂肪覆盖层。正是这种覆盖物使轴突看起来像热狗卷,这也是大脑有时被称为“脂肪团”的原因。这种脂肪覆盖使神经膜减少渗漏,增加r很多。

但是你认为如果髓磷脂覆盖整个轴突会发生什么?不幸的是,长度常数没有增加到足以让你摆脱这个。动作电位仍需沿轴突再生,但再生次数不如无髓鞘的轴突多。

这就是为什么髓鞘是不连续的,周期性暴露的神经膜被称为“郎维叶结”。在这些淋巴结中,没有髓鞘覆盖细胞膜,有大量的活性离子通道。动作电位在郎威氏节髓磷脂长度之间的离散再生被称为“跳跃传导”。

  • 相关事实:Saltar是西班牙语的“跳跃”。例如,一种生活在安第斯山脉的蚱蜢被称为“Saltamontes”或“跳山者”。
  • 但是等等!用髓磷脂覆盖神经元使神经膜内外的距离拉大。由于电容受荷电体之间的距离的影响,髓磷脂将减少c。这也会导致时间常数的减小吗?也许不是,因为,就像我们之前说的,髓磷脂也会显著增加r

    在c中同时减少的结果r的增加虽然在文献中缺乏直接的实验证据,但假设不会造成时间常数的净变化。如果你有两个直径相等的轴突,一个有1毫米厚的髓鞘,另一个有2毫米厚的髓鞘,第二个轴突会快多少?不幸的是,这个答案在实验上似乎是未知的,因为髓鞘厚度增加的神经元同时轴突直径也增加了。计算机模拟普遍证实的是,一个有髓鞘神经元的厚度是另一个有髓鞘神经元的两倍,其传导速度将是另一个有髓鞘神经元的两倍。

    还有另一种方法可以提高神经传导速度,而不需要使用这些裹着脂肪的特殊细胞。许多无脊椎动物也用这种方法……

    轴突的半径越大,r越小和R.将。记住我们的长度常数方程是这样的

    如果顶部和底部都随半径变化…似乎轴突的大小根本没有影响!但是让我们仔细看看这两个值是如何随着轴突的大小而变化的。膜电阻(r)随着轴突(其中膜的圆周)的变化如下:

    内阻随轴突面积的变化而变化。

    两个R和R是否可以从神经元中测量出常数,而不管它的大小(而r和R.π是3.14,半径是轴突的半径。现在我们再来看看这个等式:

    我们感兴趣的是,当我们改变轴突(半径)的大小时,会有什么变化,所以我们想去掉不变的东西,看看还有什么变化。两个R和R是常数,所以2和π,一个半径取消。我们只是留下了:

    因此,长度常数和传导速度与半径的平方根成比例。

    值得注意的是髓鞘的益处远远大于轴突直径大小的益处。髓磷脂厚度增加3倍,传导速度增加3倍,而轴突直径增加3倍,传导速度仅增加3的平方根,即1.7倍。然而,制造髓磷脂是有代谢成本的(你需要让包裹神经元的特殊细胞在脂肪中存活),所以这并不是所有动物的完美解决方案。但是…即使是动物王国中最大的没有髓磷脂的轴突,如直径1毫米的鱿鱼巨轴突,其传导速度也只有20-25米/秒!你体内有髓鞘的轴突一个α纤维)直径仅为13-20μm(鱿鱼轴突的1/100),但具有80-120米/秒的传导速度!髓鞘是一种美妙的生物学发明,允许神经元均匀,但它是昂贵的。

    听起来令人困惑吗?别担心,我们在学习的时候也会感到困惑。欢迎来到“电缆理论”,这个理论最初是在19世纪提出的,当时工程师们试图理解长距离电报线路的信号传输。20世纪初,神经科学家将这一理论应用于神经元。

    但是,关于蚯蚓的两种神经类型,所有这些电缆理论意味着什么呢?由于MGN的大小是LGN的1.4倍,我们应该期望它的速度是LGN的1.18倍。我们之前测量的LGN为~10-14米/秒,因此我们预计MGN为12 - 17米/秒。对于我们的设备来说,这只是一个很小的差别,但让我们尝试一下实验,看看我们的结果是否与理论相符!

    下载

    视频

    注:下面的视频是2015年7月在我们蠕虫拉伸实验,但作为一个教程使用我们的新软件,和程序非常相似。您可以查看原图2012年12月的视频

    视频

    过程

    本实验室所需材料与实验完全相同:传导速度简介(神经速度)
    1. 麻醉并记录下蠕虫的后端,就像你在之前的实验中所做的那样。
    2. 一旦你得到几个尖刺,旋转蜗杆180度和重新定位电极。这次你将从蠕虫的前端开始测量。
    3. 现在用一个木头探针触摸蠕虫的头部,记录下蠕虫前端的几个尖刺。一旦你有了几个尖刺,你可以停止记录并将蠕虫送回它的土壤。蚯蚓的复原能力很强,从这次实验中恢复得很好。
    4. 现在可以查看数据了。当你翻转电极时,你应该会看到一条平坦的线或过多的噪音。这是你翻转蠕虫的时间标记,现在你知道哪些尖刺属于后端,哪些尖刺属于前端。下图显示了电极1在底部和电极2在顶部的记录。
    5. 你现在可以放大你的尖峰并测量传导速度。读数为5-6个峰值。
    6. 用一些蠕虫多次重复实验。这将为您提供良好的数据来合作。每次蠕虫后,别忘了用一些酒精或水和纸巾清洁电极。
    7. 现在需要进行一个统计检验,即t检验,来检查两根神经的传导速度是否不同。如果你还不知道如何做到这一点,你可以带着你的数据集,并遵循我们的统计课程计划。如果你已经完成了这个课程计划或有一些统计经验,那么你可以继续并执行下面的计算。
    8. 取MGN和LGN记录的平均值和标准偏差。
    9. 最后,让我们计算我们的T统计和p值。
      你发现了什么?两个传导速度不同吗?

    讨论

    如果您的实验成功,您应该发现MGN(前端)传导速度确实明显更快,但速度更快1.2倍,但更像2-4倍速度更快!为什么是这样?你可能会记得蚯蚓神经元实际上是髓鞘!一些无脊椎动物,如一些虾和一些蠕虫,实际上有髓鞘

    通常,随着轴突直径的增加,髓鞘的厚度也会增加。也许MGN也有较厚的髓鞘。这将是一个很好的组织学研究项目。让我们知道您是否能够胜任这项挑战,并让我们知道您的发现!

    如果你知道是什么导致了这种意想不到的巨大差异,我们很乐意听一听。也许你的教授知道?欢迎来到生物学和意想不到的发现!同样,如果你明白为什么长时间常数会增加传导速度,让我们也知道。

    问题需要考虑

    1. 麻醉对MGN和LGN的传导速度有影响吗?
    2. 蠕虫的一般大小对传导速度有影响吗?
    3. 你也可以用40% - 60%的碳酸水溶液麻醉蠕虫5-9分钟作为替代麻醉剂。这是否会改变传导速度的测量。
    4. 蠕虫Lumbriculus variegatus(加州黑虫)实际上有一个更大的LGN比MGN,所以我们期望我们的结果是相反的,我们在这里观察到我们的地龙terrestris夜行者。做这个实验让我们知道你发现了什么!
    5. 髓磷脂有多厚?我们没有大量的组织学资料,但你可以。为什么不取几片蚯蚓,测量两条神经的轴突直径和髓鞘厚度,然后报告给我们呢?

    故障排除

    这有时是一个困难的实验,因为蠕虫可能不会产生刺突,这取决于使用麻醉剂的数量和时间以及蠕虫的总体健康状况。如果你在10%的酒精溶液中坚持3-6分钟,蠕虫就会在大部分时间里产生刺状物(不要忘记在你麻醉它之后用水清洗它)。

    您可能还想尝试以或多或少的压力触摸蠕虫。有时,一个非常小的水龙头将工作,其他时候可能需要更强大的新闻。有些蠕虫在身体尽头的刺激措施中反应,而其他蠕动是在向内的几厘米刺激上更好地响应。

    最后,有时你会在触摸蠕虫时造成伪影。仔细观察伪影波形,在两个通道上都会出现在完全相同的情况下。这是一个假穗,而不是生理!有时,定期干燥探针;也不要在水中再水化蠕虫过多(虽然也小心不要晾干蠕虫)。这是一个仔细的平衡,你将在获得经验时培养自己的风格和技术。

    你也可以使用空气罐的空气刺激代替如果你装了太多假钉子,可以用塑料、木制或玻璃的尖头。你也可以把蠕虫翻过来,让它的腹部或底部朝上。这样做意味着当你用探针接触蠕虫时,接触的地方会更靠近神经。