研究室9：神経の伝導速度

目的

1. アキレス腱を反射の開始剤とし、腓腹筋の収縮を応答として用いて、ヒトの反射弧における伝導速度を測定する（細胞外記録）。
2. 神経を刺激し、外部記録電極（細胞外記録）を介して応答を測定することにより、カエル神経の坐骨神経の閾値、伝導速度、および不応期を測定する。
3. ミミズの巨大軸索のしきい値と伝導速度を外部記録電極を介して測定します。
4. 外部記録電極（細胞外記録）を介してヒト坐骨神経の伝導速度を測定する。

神経の伝導速度：背景

ニューロンは神経インパルスの伝達に特化した細胞である。 軸索は衝動を行なうニューロンの部分です; 軸索は、通常、標的細胞に向かってニューロンの細胞体から離れてインパルスを運ぶ長い伸長、またはプロセスです。
神経インパルスは、活動電位とも呼ばれ、神経細胞が生体内の多くの異なる系を伝達し活性化することを可能にする軸索に沿って伝達される信号 活動電位は、脳に由来し、意図的な動きをもたらすか、または脳から独立した反射弧に関与する可能性があります。 活動電位が筋細胞に伝達され、筋収縮を引き起こす可能性がある。
ニューロンは活動電位を発生させることができるという性質を持っています。 活動電位は、ニューロン膜透過性の変化によって引き起こされる。 透磁率のこの変更は膜を渡るイオンの配分の変更で起因します。 イオンの分布の変化は、膜を横切る電荷（電位）の変化をもたらす。 電位の変化は、活動電位がニューロンの軸索に沿って通過するときに実験的に検出することができる。
軸索の電位の変化を検出し、二つの基本的な方法のいずれかによって実験室内の記録装置に表示することができます:

1. 細胞内記録：二つの電極は、ニューロンの膜の両側に配置され、一つは細胞の内側と外側に配置されています。 電極間の電位差の変化は、イオンがセルの内外に移動するにつれて記録される。 この技術は、大規模な、孤立したニューロン上で実行されます。
2. 細胞外記録：一対の電極がニューロンの外側に配置される。 活動電位がニューロンに沿って通過するとき、二つの電極間の電位の変化が測定され、二相性APとして記録される。 この方法はイオン流を測定するのではなく，活動電位が最初に一方の電極を通過し，次に他方の電極を通過するときの電位の正味の差を測定する。 この方法にボディの表面からの活動電位の道を記録するのに使用することができ、また全神経からの活動電位を記録するのに使用されているという明

今日の研究室では、細胞外記録を使用します：カエルと人間では、単一のニューロンからではなく、独自の閾値を持つニューロンの束である神経から記録 ミミズでは、巨大な軸索から記録されます。 活動電位を視覚化するだけでなく、活動電位がこれらの生物のそれぞれの神経に沿って移動する速度も決定します。

Powerlabはデジタル2チャンネルオシロスコープとして機能します。 時間はX軸に記録され、Y軸に電圧が記録されます。 時間および感受性は各チャネルで調節することができます。 PowerLabの便利な機能は、オペレータが画面のスイープを開始できることです（すなわち、コンピュータがサンプリングを開始する）。 これはトリガーとして知られています。 トリガーを使用すると、イベントの直後の期間をキャプチャできます。 刺激が適用されると同時に、コンピュータを”トリガ”し、データの収集を開始する（掃引する）ことが可能である。 このようにして、刺激事象の記録および活動電位が現れる時間（潜伏）を測定することができる。 トリガーのこのアプリケーションでは、コンピュータは、人間のアキレス腱だけでなく、カエルの神経の刺激時に単一のスイープを生成するように設定され 時間はX軸で測定することができます。 トリガーが表示されるチャンネル1と、応答が記録されるチャンネル3を使用します。 PowerLabの設定は、ミミズの巨大な軸索の記録ではわずかに異なりますが、理論は似ています。

活動電位の伝導速度は、移動距離（m単位の神経の長さ）を測定し、反射弧を完了するのにかかった時間（秒）で除算することによって決定されます。

伝導速度=距離（m）/時間（秒）。

1. 距離の測定は比較的簡単です。 それは定規または巻尺を使用して行うことができます。
2. 時間の測定はより複雑です。 活動電位は非常に迅速に移動します; 従って、測定されるべき時は非常に小さく、より洗練された器械使用を要求する。 Powerlabを搭載したコンピュータは、オシロスコープのように、非常に短い時間で発生するイベントを測定するのに理想的です。

特定のニューロンの伝導速度は、神経直径および髄鞘形成と相関している。 脂質が豊富な物質であるミエリンは、脊椎動物のニューロンの伝導速度を増加させるために絶縁のように作用する。 無脊椎動物は有髄ニューロンを欠いており、その活動電位の伝導速度は主に軸索直径の増加の結果として増加する。 多くの無脊椎動物は、ミミズのように、活動電位を非常に急速に行う特殊な「巨大な」軸索を持っています。

カエルとミミズ（内側と外側の両方の巨大な軸索）の活動電位を引き出すために必要なしきい値電圧を記録するために、ラボノートのデータテーブルを下 三つの時限試験から刺激アーティファクトと活動電位（ms単位の潜伏）との間の時間を記録し、マニュアルに記載されているように距離を測定します。 人間の坐骨神経、カエルの坐骨神経、ミミズの内側と外側の巨大な軸索の伝導速度をm/秒で計算し、クラスのデータシートにデータを入力します。 クラスデータを使用して、それぞれの平均伝導速度を計算します。

人間の反射弧における伝導速度

反射ハンマーで叩かれた後にアキレス腱を伸ばすと、誘発された活動電位が脚を脊髄まで伝導し、腓腹筋（ふくらはぎの）筋が収縮する。 伝導の速度を決定するために、活動電位が移動する距離を測定し、腱のタッピングと筋肉の収縮との間の時間をPowerLabとADinstrumentsソフトウェアを使用して測定

反射アーク: 反射アークは腱、筋肉の伸張の受容器を刺激する行為を伸ばすことによって始められます。 これらの伸張受容体は、感覚ニューロンの活動電位を開始することによって応答する。 活動電位は、それらの感覚ニューロンを通って脊髄に移動し、そこで運動ニューロンと直接シナプスする。 興奮は腓腹筋に戻って移動し、そこで筋肉の収縮を引き起こす。 従って最初に伸ばされた腱は反射アークを完了する収縮によって元の長さに戻ります。
このタイプの反射弧の機能は姿勢を維持することである。 筋肉は、継続的にストレッチし、脳の介入なしに元の長さに戻っています。 この応答は単シナプスであることに注意してください。 感覚ニューロンは脊髄の運動ニューロンと直接シナプスします;含まれる介在ニューロンはありません。
筋電図（EMG）：筋肉の上の皮膚から採取できる筋収縮の記録である。 活動電位は、神経/筋肉接合部を通って、筋肉に、神経を下に移動します。 筋肉で活動電位は筋繊維の収縮を引き起こす筋肉中広がります。 活動電位の通過は、筋肉の上の皮膚に置かれた電極によって感知することができ、増幅されると（ＥＣＧのように）コンピュータ画面に表示することができる。
反射ハンマー：反射をテストするために使用される打楽器ハンマーです。 使用するハンマーは、腱に当たったときにハンマーが回路を閉じて小さな信号を生成するように変更されています。 この信号は、コンピュータによる掃引をトリガするために使用されます。

実験手順

1. 被験者を実験台の端に座らせ、脚が自由にぶら下がっているようにします。 子牛（腓腹筋）筋肉の体に、正中線の左または右に少しずつ、2つの予めゲル化された電極を取り付けます。 二つの電極は、それらの外側のエッジが筋肉上の垂直線に触れるように配置する必要があります（下の図を参照）。 第三の接地電極は、足首の骨の上に配置する必要があります。 ケーブルを正しい電極に取り付けます：地面には緑色（足首の骨に）、ふくらはぎの筋肉には黒と白。

C

図1.1.1. 9.1. A、人間の反射弧の図。 伸張の受容器がハンマーによって刺激されるとき、活動電位は脊髄に感覚的な繊維の上で移動し、モーター繊維のシナプスは活動電位それから私達が反射として観察する筋肉収縮を引き起こすために神経の下で戻って移動します。 図ｂに示すように、二つの電極が子牛の上に配置され、互いに近接している。 第三の電極は、膝キャップや足首などの骨の表面に配置する必要があります。 C、LabChart8のセットアップファイル。

EMG記録を作成するには:

1. ファイルを開きます：「EMGテスト設定」。 デスクトップ上にこのファイルが見つからない場合は、教員に問い合わせてください。
2. EMGを収集するには:被験者は着席し、足と足をリラックスさせる必要があります。 画面の右下にある[スタート]を押します。 被験者のつま先を静かに持ち上げて脚の後ろのアキレス腱を伸ばし、ハンマーの黒いゴム部分で被験者のアキレス腱をしっかりと叩きます。 アキレス腱にハンマーの黒いゴム部分を打つとChの反射を観察することにより、複数のEMGのを記録します。 3. 3つの代表的なEmgがあるまで繰り返します。
3. 3つのEmgの良いセットがある場合（図を参照。 9.2)、刺激の開始（ゼロ）から最初のピークの中央までのカーソルで時間を測定します。 異なる録音と平均三つに繰り返します。
4. ラボマニュアルとインストラクターが提供するスプレッドシートにデータを記録します。
5. 巻尺を使用して、被験者のアキレス腱への衝撃点から胸郭が脊柱と出会うおおよその点（感覚神経の長さ）までの距離（すなわち、運動神経の長さ）をセンチメートル単位で測定し、次に腓腹筋の最初の電極（すなわち、運動神経の長さ）までの距離を測定する。 この測定を取る方法の図表についてはあなたの教官が提供するPowerPointのスライドを参照しなさい。
6. 長さを記録し、伝導速度を計算して記録します。

図1.1.1. 9.2. PowerLabを使用してコンピュータに記録されたEMGのサンプル。 トリガ信号は時間0で入力1（Ch1）にあり、EMGはCh3にあります（生信号と呼ばれます）。 EMGの最初のピークの上部にマーカー”M”を置きます。 表示される時間は、トリガー信号と腓腹筋応答との間の経過時間、すなわち、坐骨神経の感覚ニューロンに沿って脊髄に伝播し、運動ニューロンに沿って腓腹筋の第一（上部）電極に伝播する活動電位にかかった時間を示す。

カエル坐骨神経における伝導速度

カエル（Rana pipiensまたはXenopus laevis）の解剖された坐骨神経において、刺激装置（正確な電気刺激を送達するための装置）によ 活動電位は神経に沿って移動し、2つの外部電極を通過するときに検出され（導入に記載されている方法2に従って）、検出された応答が増幅され、コンピ 刺激と応答のコンピュータ上のトレースは、刺激によってトリガされます; 時間および間隔は測定され、速度はそれから計算することができる。

複合活動電位：神経は多くのニューロンの軸索の集まりです。 軸索は異なる厚さを有することができ、したがって、それらの活動電位は異なるサイズおよび速度を有することになる。 神経の外側（細胞外）から記録された活動電位は複合活動電位として知られており、個々のニューロンによって発射された活動電位の合計を表す。 （図を参照）。 9.3A)。

図1.1.1. 9.3. A、神経の細胞外記録としての二相性活動電位の図。 刺激は神経の左端に適用されます。 B、露出したカエルの左後肢と脊柱の背側のビュー。＜6639＞坐骨神経とは、脊髄から腓腹筋に走る大きな神経のことです。 それは感覚ニューロンと運動ニューロンの両方を含んでいます（それはあなたが人間のアキレス腱を伸ばすときに刺激される神経です）。 この実験室では、カエルは麻酔をかけられ、犠牲にされ、二重の髄があります（脳と脊髄の両方が破壊されます）。 皮を取除く必要がある場合もあります。

坐骨神経を解剖する

1. 指で大腿背筋を静かに分離し、鈍いガラスプローブを使用して白い坐骨神経とそれに付随する血管を明らかにする（図参照）。 9.3B)。 鈍いガラスフックを使用して、大腿部の周囲の組織から神経を解放します。 あなたが邪魔にならないように神経を保持するように、神経の周りの筋肉と結合組織を切り取ってください。 神経を伸ばさないようにし、神経を損傷しないように金属で神経に触れないようにしてください。
2. 両生類のリンガー（カエルの血液と同じ濃度のイオンを含む溶液）で神経を湿った状態に保つ。
3. 神経の膝の端の周りに糸をしっかりと結ぶ。 次に、弦の下の神経を可能な限り膝の近くに切断します。
4. 糸を持ち上げて神経を静かに上げ、神経を脊髄の起源まで解剖します。 特に骨盤領域では、この解剖には細心の注意を払ってください。 神経の部屋に置かれること準備ができるまでRingersが付いている神経を湿った保って下さい。

神経室の設定

1. デスクトップ上のfrog CAPファイルを開きます。 穏やかに部屋の左側で始まる最初の5つか6つの電極に神経を置いて下さい（教官を見て下さい）。 チャンバの左側の神経端は、神経の前端でなければならない。 神経の前端と後端は文字列で色分けされています。 色分けが不明な場合は、講師に確認してください。
2. 神経室をプラスチック製の蓋で覆い、蓋を閉めた後も神経がワイヤーに接触していることを確認してください。 下の写真に示すように、刺激電極と記録電極を接続します。 また、あなたのベンチの青いバインダーに写真のコピーがあります。 先に進む前にあなたの教官が付いているあなたの電極の整理を点検して下さい。

複合活動電位

1. を記録するには、ファイルが0.05V(パルスの高さ)の刺激で始まるように設定されていることを確認してください。 この初期設定で神経を刺激するには、画面右下のスタートボタンを押します。
2. 上矢印をクリックして、パルスの高さ(刺激)電圧を0.05V間隔で増加させます。 最大値を変更しないでください。 実験のこの部分の繰り返し率（遅延）またはパルス幅（持続時間）の値。 変更するのは、パルスの高さ（電圧）だけです。 上矢印をクリックすると、クリックするたびに振幅が0.01V増加するため、この矢印を数回クリックする必要があります。 スタートを押して、画面上のトレースを観察します。 0で電圧を上げ続けます。05Vの増分。
3. 最終的には、閾値では、化合物の活動電位がベースラインのたわみとして現れ始めるはずです。
4. しきい値電圧（パルス高さ）を記録
5. 化合物の活動電位の振幅が増加しなくなるまで（神経線維の最大数が応答していることを示す）、電圧を徐々に増加させ続ける（ただし、1Vを超えて増加させることはない）。 より強い電圧が付加的な軸索を刺激すると同時に、混合の活動電位は広さで育ちます。
6. 同じピーク振幅に達する二つの複合活動電位がある場合は、電圧を記録します。
7. 最大より少し下の電圧を選択してください。 この電圧で1つの活動電位を発生させます。 刺激の開始から二相性応答の最初のピークの中央までのカーソルで時間を測定します（図9.4参照）。 これをレイテンシ(刺激とAPの開始の間の遅延)としてデータテーブルに記録します。 この同じ電圧でさらに2つの活動電位を生成し、それらの潜時値を記録します。
8. 第二の刺激電極と第一の記録電極との間の距離を確認してください（この装置では約5mmでなければなりません）。 この距離と記録されたレイテンシ値を使用して、3つの試行すべての伝導速度を計算し、結果を平均して1つの平均伝導速度を取得します。

活動電位が「すべてまたはなし」の特性を有する場合、応答の振幅はどのように増加することができますか？

この段階的な応答現象は、神経を構成する異なるサイズの線維の間に存在する閾値の違いを示しています。 覚えておいて、あなたは神経、ニューロンの大きな束、異なるしきい値を持つそれぞれから記録しています。 刺激電圧がゆっくりと滑らかに増加すると、異なる閾値クラスの神経線維が「募集」されるため、複合活動電位の振幅の離散的なジャンプが観察され 振幅を大きくすると、より多くのニューロンが閾値に達し、化合物の活動電位のサイズの増加に寄与します。 最終的には、刺激電圧が増加するにつれて、活動電位の波形が変化しなくなると点に到達する。 この時点で、刺激に応答することができる神経内のすべての繊維が刺激されている（図9.4）。 これは最大応答です。

デスクトップ上のすべての試験を記録し、保存します。 データを頻繁に保存することをお勧めします([ファイル:名前を付けて保存]メニューの下)–デスクトップの[ラボコース]フォルダにあります)。 あなたのファイル名にあなたの動物と実験室のセクションを含めるようにしてください。

図1.1.1. 9.4. ソフトウェアLabChart8を使用してカエルの坐骨神経から記録された刺激強度の増加（下のトレース）での複合活動電位（上のトレース）の例。 複数の録音に対応するトレースが重畳されます。 より大きい強さの刺激はより大きい広さの二相性の混合物の活動電位を作り出します。

不応期
を測定するために、二つの刺激が非常に迅速に神経に適用されたとき、神経を構成するニューロンの一部またはすべては、ナトリウムチャネルが不活化されているため、第二の刺激に応答することができません。 彼らは第二の刺激に対して不応性である。

1. パルスの高さ(刺激振幅/電圧)はこのファイルで0.5Vに事前に設定されており、実験のこの部分では変更されません。
2. パルスギャップ幅(二つの刺激パルス間の間隔)が7msに設定されていることを確認して開始します。
3. スタートを押します。
4. 7msで区切られた同じ高さの二つの活動電位が現れるはずです（図。 9.5).
5. 下矢印をクリックして、二つの刺激の間の（パルスギャップ幅（刺激間隔））を0.5msステップ減少させます。 刺激間のパルスギャップ幅を小さくすると、第二の活動電位の振幅が減少し始めます。 この減少を観察したときのギャップ幅を記録します。 この遅延は、神経の相対的な不応期を表す。 何が起こっているのですか？
6. パルスギャップ幅を減少させ続けます。 パルスが近づくにつれて、より小さな間隔で減少する必要がある場合があることに注意してください。
7. 第二の活動電位が消える時間に注意してください、すべてのニューロンは第二の刺激に対して不応性です。

9.5. 双子パルスによって刺激された化合物活動電位は、カエルの坐骨神経における不応期を示す。 LabChart8を使用して複数の録音から取得されたトレースが重畳されます。

ミミズ神経の伝導閾値と速度

注:この手順の一部は、ADInstrumentsのスタッフによって書かれたプロトコルから変更され、PowerLab計測器の購入が提供されます。
一般的なミミズは、単一の中央の巨大な繊維と二つの側の巨大な繊維からなる巨大な繊維システムを持っています。 二つの側方繊維は、多数の交差接続によってリンクされ、単一の軸索として機能する。

1. ミミズ生理食塩水に10％エタノールを含むペトリ皿にミミズを置きます。 ミミズが完全に麻酔されるようにします（すなわち、プローブされても動きが止まるまで）。10分後に確認し、その後5分後に確認してください。 解剖の皿にみみずを置き、動きがanaethesiaにみみずを置くのを見れば頭部か尾に触れて下さい。
2. ワイヤ接続を確認します。 9A)
3. ミミズの背側（暗い）側を解剖トレイの上に置きます。 ヘッドエンド（クリテラム付き）をトレイの上部に置きます（図9.6）。 これは神経コードを損傷する可能性があるので、ミミズをあまりにも遠くに伸ばさないように注意してください。
4. 2本の刺激ピンを陰核の約2cm下に置きます。 力の実験室から出る刺激物の鉛を切り裂くピンに接続して下さい。 負のリード（陰極、黒）は、正のリード（陽極、赤）の後方にある必要があります。
5. 三つの記録電極（G、R1、R2）は塩化銀線である。 図に示すように、それらをワームに静かに挿入します。 9.6BはG、R1、R2の順に負極の下のワームの本体の中央部にある。 ピンはかなり近くに配置することができます。 R2電極をR1電極の約0.5-1センチメートル後方に配置します。
6. 第二の刺激電極（黒陰極）と第一の記録電極（R1）との間の距離をmm単位で測定し、この測定を記録する。 これは、記録中に活動電位が移動した距離です。
7. スポイトを使用して、10％エタノール/生理食塩水でミミズ全体を定期的に湿らせる必要がある場合があります。 紙の組織でワームから余分な生理食塩水をしみ込ませる。

A
B

9.6. ミミズ活動電位Bを記録するためのPowerLabセットアップ。 ミミズの解剖学とミミズの電極配置

内側軸索と外側軸索のしきい値電圧の決定、計算、伝導速度、および外側巨大軸索の募集の観察

1. コンピュータのデ
2. スタートをクリックします。 スコープには1回のスイープが表示されます。 掃引開始直後の偏向は、記録電極への刺激電圧の一部の広がりによって引き起こされる。 それは刺激アーティファクトと呼ばれています。
3. 出力を0ずつ増やします。刺激の振幅上矢印をクリックすることにより、05ボルト。 パネル。
4. 中央値の巨大軸索からの応答が表示されるまで、各試行で振幅を0.05ボルト増加させる手順2と3を繰り返します。
5. 中央巨大軸索からの応答を見ると（図。 9.7)、しきい値を記録する。 応答が表示されず、1V以上の刺激を使用している場合は、援助を求めてください。
6. より長い潜伏期間を持つ第二の応答を観察するまで、刺激を増加させ続けます（図。 9.7). “停止”をクリックして、横方向の巨大繊維のこのしきい値を記録します。
7. ファイルをデスクトップに保存します。
8. 伝導速度を計算するには、刺激アーティファクトの先頭にマーカーを置き、活動電位ピークに波形カーソルを置きます（図。 9.7). スコープウィンドウの上部にある時間差を読み取ります。
9. 刺激電極と記録電極の間の（以前に測定した）距離をピーク間の時間差で除算し、伝導速度をmm/ms単位で決定します。

図1.1.1. 9.7. ミミズ腹側神経索からの電気生理学的記録は、中央および外側の巨大繊維からの活動電位を示す。

10. ファイルを破棄するか、ラボセクションのフォルダに配置します。

割り当て

このラボの材料は、ラボ実用に含まれます（ラボ7&8の材料とともに）。 あなたがカバー概念、計算、統計的なテスト、およびグラフ化を理解していることを確認してください。

の検索結果:
今日調べた3つの神経の平均伝導速度を比較するために、クラス全体のデータを使用する。 人間、カエル、ミミズの神経の伝導速度（m/s）を比較するANOVAを実行します。 差は0.05の確率レベルで有意ですか？ 人間、カエルおよびミミズの神経の伝導性に相違があるようであるか。

考察:
この研究室で収集されたデータは、以前に文書化された様々な脊椎動物および無脊椎動物の神経の伝導率と比較することができます。 あなたのデータはこのより広範なデータセットと一貫していますか？

図1.1.1. 9.8. いろいろな動物の繊維の直径の関数として神経の衝動の伝導の速度。 Bullock and Horridge、1965、無脊椎動物の神経系の構造と機能から変更されました。 W.H.フリーマンと会社。

このセクションの他のラボ

ラボ7:脊椎動物解剖学
ラボ8:脊椎動物の循環と呼吸