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实验:神经拉伸对神经传导速度的影响

蠕虫通过伸展和压缩身体来移动。这可能影响神经的直径,从而影响脉冲传导的速度。在这里,我们调查。真正的问题是:神经是一根古董电话线还是一个中国的手指陷阱?

时间1小时
困难先进的

你会学到什么?

在这里,你将学习运用缆索理论,拉伸轴突如何影响脉冲沿轴突传播的时间。

先决条件的实验室

  • 传导速度概论-你会发现这个实验有助于了解传导速度及其测量方法的一般概念。


背景

注:在2014年,我们团队更早的相关实验经过同行评审,并由美伟德国际安卓国生理学会发表在《生理学教育进展》杂志上无畏的科学家!对缆索理论和蠕虫解剖进行更正式的处理。

我们回到传导速度。蚯蚓是一种柔软的动物,有明显的节(环),可以压缩和伸展液压,蠕虫利用它在地下爬行。与我们人类不同,蠕虫没有像骨骼那样的刚性结构,可以在枢轴上移动肌肉。随机的事实:如果你用你的手指仔细地沿着蠕虫的长度刷它,你可以用你的手指发现,而不是用你的眼睛看到,刚毛在一个方向和另一个方向。这些刷毛让蚯蚓在移动时抓住泥土。

雨夜过后,当你观察蚯蚓在你家后院移动的行为时,你会注意到一条蚯蚓在压缩和伸展的过程中可以改变其整个身体的长度,达到原来的两倍。既然蠕虫体内的组织也必须拉伸,那么这种压缩和拉伸是如何影响神经的呢?具体来说,它是如何影响脉冲(动作电位)在神经内沿轴突传播的速度的?。

据推测,蚯蚓的神经有能够忍受压迫和伸展的机制,因此我们可以问,即使不做解剖“这种神经的结构是什么?”让我们做一个思想实验,我们想象可以容纳蚯蚓弹性能力的结构类型以及这些结构会如何影响脉冲传导。首先,我们需要在“蠕虫相对论”中思考,长度更多的是一种存在状态,而不是固定的东西。

在蠕虫相对论中,我们可以考虑速度的两种度量:

  1. 米/秒
  2. 每秒worm段数。
这两个概念对于理解蠕虫内部和外部的信号传播都很重要。

给定两个长度的概念,我们可以想象在拉伸和放松的蠕虫中脉冲传播的三种情形。

1)这种神经类似于老式的盘绕式电话线,它是一种螺旋结构,可以轻松地伸展和压缩。当线圈上的两点(蠕虫)被拉伸时,信号在两点之间传播的时间是相同的,但是明显的长度更大。

预测:每秒Worm段数保持不变。米每秒会增加。

2)这条神经就像中国的手指夹,其结构的直径会随着伸展而减小。回想一下我们之前的实验伟德国际安卓索理论的两个重要组成部分是长度常数和时间常数。

如果拉伸神经导致直径变小,轴突内部的阻力就会增加(因为当金属丝的横截面积减小时,单位长度的阻力就会增加)。和…轴突内阻增大时,长度常数减小。长度常数的减少将导致沿神经两个点之间的时间延迟更长。

预测:每秒蠕虫段数会减少。米每秒可以增加,保持不变,或减少,取决于分段之间的时间延迟变化幅度。

3)神经在受压时高度皱缩,拉伸时高度膨胀。虽然难以预测,但这种结构是可行的。在膨胀状态下,神经直径实际上更大。

预测:每秒蠕虫段数会增加。米每秒会增加。

为了简化,我们有:

  1. 假设1:神经就像电话线——直径不会改变。

    预测:当蠕虫被拉伸时,时间延迟没有变化。

  2. 假设2:神经就像一个中国的手指夹,直径会变小。

    预测:当蠕虫被拉伸时,延迟时间增加。

  3. 假设3:神经从皱巴巴的状态变成高度膨胀的状态。直径将会增加。

    预测:当蠕虫被拉伸时,延迟时间减少。

现在我们去实验室调查一下吧!!

下载

视频

材料

这个实验室需要的材料和实验完全一样《传导速度概论》,还可以多买一两件东西:

  1. 数字游标卡尺(可在汽车配件商店,五金店,亚马逊)
  2. 在过去的四年里,现代笔记本电脑已经不再有立体声音频输入。我们推荐的iMic为您的计算机提供立体声音频输入。

过程

注意:这个过程与我们的其他传导速度实验非常相似,如上面的视频所示。伟德国际安卓
  1. 将蚯蚓放入10%的乙醇中约3分钟(直到它不再移动)。最简单的方法是将50毫升伏特加和150毫升水混合。
  2. 将蚯蚓在水中简单清洗以去除残留的麻醉剂,将蚯蚓放在轻木块上,然后按以下顺序插入电极。注意:电极要靠近蛔虫的一侧,不要直接插入中间,以免损伤肠道和神经。
  3. 放置红色电极(通道1)2-3厘米远离嘴。蠕虫的嘴是最接近其肉质“生殖带”的末端。
  4. 放置白色电极(通道二)6-8厘米远离口。
  5. 将黑色电极(地)放置在更远一些的地方。
  6. 将电极插入你的2通道SpikerBox,立体声音频输出电缆插入你的USB立体声音频适配器(通常是一个iMic),并将iMic的USB端插入计算机的USB端口。
  7. 打开我们的SpikeRecorder软件,打开首选项(齿轮符号),并启用您的两个iMic音频通道。同时取消首选项中的扬声器输出静音,这样你就能听到诱发的尖峰信号。
  8. 使用数字游标卡尺,测量红色和黑色电极针之间的距离。
  9. 按下记录按钮上你的Spike记录器软件,并使用塑料或玻璃探头,轻敲嘴端的蠕虫。你应该能听到敲击声引起的尖刺声。敲击3-4次,每次间隔约3-4秒。注意:USB声音适配器如iMac有~1秒的延迟,由于USB获取。出于教育目的,这个延迟是在上面的视频中编辑的,但你会在接触蠕虫大约1秒后听到尖刺。这是由于USB声音采集增加了延迟,而不是蠕虫
  10. 关闭SpikerBox以在录音中造成空白空间作为参考空间。
  11. 现在,无害地拉伸蠕虫1-2厘米,确保电极在相同的相对位置(相同的蠕虫段)在蠕虫。
  12. 打开SpikerBox,用你的玻璃或塑料探头在嘴端再次轻敲蠕虫,以类似的方式之前,大约3-4次。
  13. 把电极从蠕虫身上取下来,把蠕虫在水中稍微浸泡一下,再给它消毒,然后把蠕虫放回泡沫塑料容器里。它可以忍受针头的放置,并在另一天用于另一个实验,或者你可以把它放在你发现的环境,如果你生活在潮湿的气候,蚯蚓可以在你的后院收获。

    数据分析

  1. 正如上面的视频所示(和在介绍,比较神经速度,温度伟德国际安卓,测量两个通道之间的时间延迟。
  2. 试着在同一动物的多个峰值上做,也许可以比较LGN和MGN。
  3. 使用下表作为指导。
  4. 统计测试你的结果(见我们的介绍假定值写一篇如何做到这一点的文章。您可能会注意到,虽然时间延迟(“分段/秒”)的变化在统计上是显著的,但传导速度(“米/秒”)却不是。奇怪而有趣的是,为什么会这样?电子邮件我们如果你认为你知道答案

    讨论

    1)长度常数和时间常数是很难理解的概念。为什么,当长度常数降低时,会产生时间延迟?当长度常数降低时,越来越多的离子通道必须依次打开,沿神经膜传播动作电位。最好的类比是"侠盗开门"想象一排门(离子通道),当人们听到“打开”这个完整的短语时,他们准备打开它们。当警惕性完成打开自己的门时,他们会重复下一个人听到的命令“打开”,如下图所示:

    长度常数可以用来衡量治安维持者宣布“开放”的声音有多大。如果“打开”的声音非常大,许多警戒队员可以立刻听到“打开”的命令,从而允许许多扇门同时打开。这相当于一个高长度常数。

    时间常数是对“打开”命令执行速度的度量。如果“打开”说得很慢,那么无论发出的声音有多大,“打开”命令的传输都会出现延迟。这相当于一个高时间常数。

    2)虽然上面的视频只显示了一次测量,但是我们已经重复了这个实验~10次,并且我们已经总是(是的,作为科学家,我们说的是“总是”)在拉伸蠕虫时观察到了时间延迟。您可以查看一些样例数据(压缩的excel文件)。

    3)想象一种运动形式,感觉神经和运动神经的传导速度(以每秒几段为单位测量)根据你所处的步幅而变化,这似乎很奇怪。蚯蚓的运动系统如何补偿这些变化?也许时间延迟可以在自由移动的蠕虫身上测量出来?也许在一个清醒的行为蠕虫的时间延迟不那么明显……

    我们并不是第一个观察到这种效应的人。就像去图书馆读有关无脊椎动物的书一样,这条路通向受人尊敬的生物学家西奥多·布洛克谁在一个1945年的论文《蚓部巨大纤维系统的功能组织》

    证实了Jenkins和Carlson(12)和Carlson(7)的结论:当动物被拉伸时,任意两点之间的传导所经过的时间都会增加。这与纤维的直径必然随着动物长度的增加而减少这一事实的预期是一致的,因为没有大量的盘绕或弯曲的神经索或适度伸展的巨大纤维。(然而,当样本被拉伸时,神经原纤维有明显的卷曲或锯齿状,因此目前的数据构成了传导不是由神经原纤维直接介导的证据。)”

    有一小段时间我们以为我们观察到了一个新现象,但我们还是向你让步,布洛克教授,一如既往。

    5)虽然这个实验为如何改变蚯蚓体内的神经元抗性(也称为轴突抗性),从而改变长度常数提供了一个有用的模型,但我们仍在寻找一种方法,在动物准备中可逆地改变时间常数。例如,我们已经读到,由于髓鞘化增加膜电阻,它将使长度常数更高,但由于髓鞘也降低膜电容,增加的膜电阻和减少的膜电容将“抵消”,留下时间常数不受影响。

    分离增加膜电阻和减小膜电容的相反影响仍然是一个挑战,我们没有发现在科学文献中很好地解释,我们继续寻找合适的实验准备。

    6)在你注意到动物的时间延迟之前,动物能容忍的最小长度常数变化是什么?是否内置了缓冲区以允许长度常数的轻微变化?

    注释/后续工作

    1. 去你们大学的图书馆花上几个小时浏览西奥多·布洛克的著作是值得的,无脊椎动物神经系统的结构和功能对存在于无脊椎动物世界的未知规模感到惊奇。
    2. 谢谢你Dunalastair Colegio在一次教师培训研讨会上,我们第一次在智利圣地亚哥的一所高中观察到了这种效应。我们的智利同事Alejandra Riveros Campos随后帮助进行了验证时差的系统实验。伟德国际安卓
    3. 如果神经被冷却会发生什么在之前的实验中,然后测量拉伸和未拉伸的时差?
    4. 我们省略了那个讨厌的细节蚯蚓的轴突实际上有髓鞘这种跳跃传导正在发生。这如何影响对结果的解释和我们的假设?

    请注意:谢谢Italo Ahumada Morasky他是一位智利艺术家,和我们一起画了这个实验。