Lab 9: Ledningshastighet av nerver
mål
- för att mäta ledningshastighet i en mänsklig reflexbåge, med hjälp av akillessenen som initiativtagare till en reflex och sammandragning av gastrocnemius-muskeln som svar (extracellulär inspelning).
- för att mäta tröskeln, ledningshastigheten och eldfasta perioden för en grodnervs ischiasnerv genom att stimulera nerven och mäta svaret genom externa inspelningselektroder (extracellulär inspelning).
- för att mäta tröskeln och ledningshastigheten för en daggmask jätte axon genom externa inspelningselektroder.
- för att mäta ledningshastigheten hos den mänskliga ischiasnerven genom externa inspelningselektroder (extracellulär inspelning).
Ledningshastighet i nerver: Bakgrund
en neuron är en cell som är specialiserad för överföring av nervimpulser. Axonen är den del av neuronen som leder impulser; axonet är vanligtvis en lång utväxt, eller process, som bär impulser bort från cellkroppen i en neuron mot målceller.
en nervimpuls, även kallad aktionspotential, är signalen som överförs längs ett axon som gör det möjligt för nervceller att kommunicera och aktivera många olika system i en organism. En åtgärdspotential kan ha sitt ursprung i hjärnan och resultera i en avsiktlig rörelse eller de kan vara involverade i en reflexbåge som är oberoende av hjärnan. En åtgärdspotential kan överföras till en muskelcell, vilket orsakar muskelkontraktion.
neuroner har egenskapen att kunna generera handlingspotentialer. Åtgärdspotentialen orsakas av en förändring i neuronmembranpermeabiliteten. Denna förändring i permeabilitet resulterar i en förändring i fördelningen av joner över membranet. Förändringen i fördelningen av joner leder till en förändring i elektrisk laddning (potential) över membranet. Förändringar i elektrisk potential kan detekteras experimentellt när åtgärdspotentialen passerar längs neuronens axon.
förändringar i axons elektriska potential kan detekteras och visas på en inspelningsenhet i laboratoriet med en av två grundläggande metoder:
1. Intracellulär inspelning: två elektroder placeras på vardera sidan av neuronens membran, en inuti cellen och en utanför. En förändring i potentialskillnaden mellan elektroderna registreras när jonerna rör sig in i och ut ur cellen. Denna teknik utförs på stora, isolerade neuroner.
2. Extracellulär inspelning: ett par elektroder placeras på utsidan av neuronen. En förändring i potential mellan de två elektroderna mäts och registreras som en bifasisk AP när åtgärdspotentialen passerar längs neuronen. Denna metod mäter inte jonflödet utan nettoskillnaden i potential när åtgärdspotentialen passerar först en elektrod och sedan den andra elektroden. Denna metod har den tydliga fördelen att den kan användas för att registrera passagen av en åtgärdspotential (som i en muskel) från kroppens yta och används också för att registrera åtgärdspotentialer från hela nerver (i motsats till att man måste punktera enskilda neuroner).
i dagens laboratorium kommer du att använda extracellulär inspelning: i grodan och Människan kommer du att spela in från en nerv, som är en bunt neuroner var och en med sin egen tröskel, snarare än från en enda neuron. I daggmask, du kommer att spela in från jätte axoner. Du kommer inte bara att visualisera åtgärdspotentialen utan också bestämma hastigheten med vilken åtgärdspotentialen färdas längs en nerv i var och en av dessa organismer.
Powerlab kommer att fungera som ett digitalt 2-kanals oscilloskop. Tiden kommer att spelas in på X-axeln och spänningen på Y. Tid och känslighet kan justeras på varje kanal. En användbar funktion i PowerLab är att Operatören kan initiera ett svep av skärmen (dvs. datorn startar provtagning). Detta är känt som utlösaren. Utlösaren låter dig fånga tidsperioden omedelbart efter en händelse. Det är möjligt att “utlösa” datorn, för att börja samla in data (att sopa), samtidigt som stimulansen appliceras. Således kan en registrering av den stimulerande händelsen och tiden då åtgärdspotentialen uppträder (latens) mätas. I denna applikation av avtryckaren är datorn inställd på att generera ett enda svep vid stimulering av den mänskliga akillessenen såväl som grodnerven. Tiden kan mätas på X-axeln. Du kommer att använda Kanal 1, där utlösaren kommer att visas, och Kanal 3, där svaren kommer att spelas in. PowerLab-uppsättningen är något annorlunda för Earthworm giant axon-inspelningen, men teorin är liknande.
ledningshastigheten för åtgärdspotentialen bestäms genom att mäta avståndet (nervens längd I m) och dividera med tiden (SEK) för att slutföra reflexbågen, även kallad latensen.
- mätning av avstånd är relativt enkelt. Det kan göras med en linjal eller ett måttband.
- mätningen av tiden är mer komplicerad. Åtgärdspotentialer reser mycket snabbt; därför är tiderna som ska mätas mycket små och kräver mer sofistikerad instrumentering. Datorn med PowerLab, som oscilloskopet, är idealisk för att mäta händelser som händer på mycket kort tid.
ledningshastigheten hos en viss neuron är korrelerad med nervdiameter och myelinering. Myelin, en lipidrik substans, fungerar som isolering för att öka ledningshastigheten hos ryggradsneuroner. Ryggradslösa djur saknar myeliniserade neuroner, och ledningshastigheten för deras handlingspotentialer ökar främst som ett resultat av ökad axondiameter. Många ryggradslösa djur har specialiserade” jätte ” axoner, som daggmask, som utför handlingspotentialer mycket snabbt.
utkast till datatabeller i din lab-anteckningsbok för att registrera tröskelspänningen som behövs för att framkalla en åtgärdspotential i grodan och daggmask (både medial och lateral Jätte Axon). Från de tre tidsbestämda försöken registrerar tiden mellan stimulus artefakt och åtgärdspotential (latens i ms) och mäter avståndet som beskrivs i manualen. Beräkna ledningshastigheten I m / sek för den mänskliga ischiasnerven, grodan ischiasnerven, och daggmask mediala och laterala jätte axoner och ange dina data på klassen datablad. Beräkna den genomsnittliga ledningshastigheten för varje med hjälp av klassdata.
Ledningshastighet i en mänsklig Reflexbåge
när akillessenen sträcks efter att ha tappats med en reflexhammare, leds den inducerade åtgärdspotentialen upp benet till ryggmärgen och tillbaka ner där det får gastrocnemius (kalv) muskeln att dra ihop sig. För att bestämma ledningshastigheten mäts avståndet som åtgärdspotentialen färdas och tiden mellan tappningen av senan och muskelkontraktionen mäts med hjälp av PowerLab-och ADinstruments-programvaran.
Reflexbågen: En reflexbåge initieras genom att sträcka en sena, en åtgärd som stimulerar stretchreceptorer i muskeln. Dessa sträckreceptorer svarar genom att initiera en åtgärdspotential i sensoriska neuroner. Åtgärdspotentialen färdas genom de sensoriska neuronerna till ryggmärgen där de synaps direkt med motorneuroner. Excitationen reser tillbaka till gastrocnemius muskeln där den orsakar sammandragning av muskeln. Således återförs senan som ursprungligen sträcktes till sin ursprungliga längd genom sammandragning och fullbordar reflexbågen.
funktionen för denna typ av reflexbåge är att upprätthålla hållning. Musklerna sträcker sig kontinuerligt och återgår till sin ursprungliga längd utan hjärnans ingripande. Observera att detta svar är monosynaptiskt. Den sensoriska neuronen synapserar direkt med motorneuronen i ryggmärgen; det finns ingen interneuron involverad.
Elektromyogrammet (EMG): är en inspelning av en muskelkontraktion som kan tas från huden ovanför en muskel. En åtgärdspotential färdas ner en nerv, genom en nerv / muskelkorsning och in i en muskel. I muskeln sprider åtgärdspotentialen genom muskeln och orsakar sammandragning av muskelfibrerna. Passagen av åtgärdspotentialerna kan avkännas av elektroder placerade på huden ovanför muskeln, som vid förstärkning (som i EKG) kan visas på en datorskärm.
Reflexhammaren: är en slaghammare som används för att testa reflexer. Hammaren som du kommer att använda har modifierats så att när den träffar senan stänger hammaren en krets och genererar en liten signal. Denna signal används för att utlösa ett svep av datorn.
experimentellt förfarande
- placera ämnet på kanten av labbbänken så att benen hänger fritt. Fäst två pre-jelled elektroder till kroppen av kalven (gastrocnemius) muskel, lite till vänster eller höger om mittlinjen. De två elektroderna ska placeras så att deras yttre kanter rör i en vertikal linje på muskeln (se figur nedan). En tredje jordelektrod bör placeras på fotleden. Fäst kablarna på rätt elektroder: grön för mark (på fotleden) och svartvitt på kalvsmuskeln.
Fig. 9.1. A, Diagram över en reflexbåge i en människa. När sträckreceptorn stimuleras av hammaren färdas åtgärdspotentialen upp de sensoriska fibrerna till ryggmärgen och synapserar på motorfibrerna åtgärdspotentialen färdas sedan tillbaka ner i nerven för att orsaka muskelkontraktionen vi observerar som en reflex. B, två elektroder placeras på kalven, nära varandra som visas. Den tredje elektroden ska placeras på en benig yta, såsom knälocket eller fotleden. C, LabChart 8 installationsfiler.
för att göra en EMG-inspelning:
- öppna filen:”EMG test settings”. Om du inte hittar den här filen på skrivbordet, fråga din instruktör.
- för att samla en EMG: testpersonen ska sitta och hennes ben och fötter slappna av. Tryck på START längst ned till höger på skärmen. Lyft försiktigt motivets tår för att sträcka akillessenen på baksidan av benet och rappa motivets Akillessena ordentligt med den svarta gummidelen av hammaren. Spela in flera EMG: er genom att slå den svarta gummidelen av hammaren på akillessenen och observera reflexen i Ch. 3. Upprepa tills du har 3 representativa EMG.
- när du har en bra uppsättning av 3 EMG (se Fig. 9.2), mät tiden med markören från början av stimulansen (vid noll) till mitten av den första toppen. Upprepa på olika inspelningar och genomsnitt tre.
- spela in data i din labbmanual och i kalkylbladet som tillhandahålls av din instruktör.
- använd måttbandet för att mäta avståndet i centimeter från punkten för påverkan på motivets Akillessena till den ungefärliga punkten där ribbburet möter ryggraden (dvs. sensorisk nervens längd) och sedan ner till den första elektroden på gastrocnemius (dvs. längden på motornerven). Se PowerPoint-bild som tillhandahålls av din instruktör för ett diagram över hur du gör denna mätning.
- spela in längd och beräkna och registrera sedan ledningshastigheten.
Fig. 9.2. Ett prov av en EMG inspelad på datorn med PowerLab. Utlösningssignalen är på ingång 1 (Ch 1) vid tiden 0 och EMG är på Ch 3 (kallad Raw-Signal). Placera markören” M ” högst upp på den första toppen av EMG. Den visade tiden indikerar tiden som förflutit mellan utlösningssignalen och gastrocnemius-svaret, dvs den tid som åtgärdspotentialerna tar för att sprida sig längs de sensoriska neuronerna i ischiasnerven till ryggmärgen och längs motorneuronerna till den första (övre) elektroden i gastrocnemius.
Ledningshastighet i en groda Ischiasnerv
en åtgärdspotential initieras i den dissekerade ischiasnerven hos en groda (Rana pipiens eller Xenopus laevis) av en stimulator (en anordning för att leverera exakta elektriska stimuli). Åtgärdspotentialen färdas längs nerven och detekteras när den passerar två externa elektroder (enligt metod 2 som beskrivs i introduktionen) och det detekterade svaret förstärks och visas på datorskärmen. Spåret på datorn av stimulans och respons utlöses av stimulansen; tid och avstånd mäts och hastigheten kan sedan beräknas.
sammansatt åtgärdspotential: en nerv är en samling av axonerna i många neuroner. Axonerna kan ha olika tjocklekar och därmed kommer deras åtgärdspotentialer att ha olika storlekar och hastigheter. Åtgärdspotentialerna, inspelade från utsidan av nerven (extracellulärt) är känd som en sammansatt åtgärdspotential och representerar summan av åtgärdspotentialerna som avfyras av enskilda neuroner. (se Fig. 9.3 a).
Fig. 9.3. A, Diagram över en bifasisk åtgärdspotential som en extracellulär inspelning av en nerv. Stimulansen appliceras på nervens vänstra ände. B, Dorsalvy av exponerad groda vänster bakben och ryggrad.
ischiasnerven är den stora nerven som löper från ryggmärgen till gastrocnemius muskeln. Den innehåller både sensoriska och motoriska nervceller (det är nerven som stimuleras när du sträcker den mänskliga akillessenen). I det här labbet kommer grodan att ha bedövats, offrats och dubbla pithed (både hjärnan och ryggmärgen kommer att ha förstörts). Du kan behöva ta bort huden.
för att dissekera ischiasnerven
- separera försiktigt dorsala lårmusklerna med fingrarna och använd en trubbig glassond för att avslöja den vita ischiasnerven och medföljande blodkärl (se Fig. 9.3 B). Frigör nerven från den omgivande vävnaden i låret med en trubbig glaskrok. Skär bort muskler och bindväv runt nerven när du håller nerven ur vägen. Försök att inte sträcka nerven och undvik att röra nerven med något metall för att undvika att skada nerven.
- Håll nerven fuktig med Amfibieringar (en lösning som innehåller joner i samma koncentration som i grodans blod).
- bind en tråd tätt runt nervens knäände. Skär sedan nerven under strängen och så nära knäet som möjligt.
- lyft försiktigt nerven genom att lyfta tråden och dissekera sedan nerven till sitt ursprung i ryggmärgen. Var försiktig med denna dissektion, särskilt i bäckenområdet. Håll nerven fuktig med ringare tills den är klar att placeras i nervkammaren.
ställa in Nervkammaren
- öppna frog CAP-filen på skrivbordet. Placera försiktigt nerven över de första fem eller sex elektroderna som börjar på kammarens vänstra sida (se instruktör). Nervänden på vänster sida av kammaren bör vara den främre änden av nerven. De främre och bakre ändarna av nerven är färgkodade med sträng. Se din instruktör om du är osäker på färgkodningen.
- täck nervkammaren med plastlocket och se till att nerven fortfarande är i kontakt med ledningarna när du stänger locket. Anslut stimulerande och inspelningselektroder som du ser på bilderna nedan. Du kommer också att ha en kopia av fotot i det blå bindemedlet på din bänk. Kontrollera ditt elektrodarrangemang med din instruktör innan du fortsätter.
för att registrera en sammansatt åtgärdspotential
- kontrollera att filen är inställd på att börja med en stimulering av 0,05 V (pulshöjd). För att stimulera nerven vid denna initiala inställning, tryck på startknappen längst ner till höger på skärmen.
- öka nu pulshöjdspänningen (stimulus) i 0,05 v-intervall genom att klicka på uppåtpilen. Ändra inte max. upprepa värden för hastighet (fördröjning) eller pulsbredd (varaktighet) för denna del av experimentet. Allt du kommer att ändra är pulshöjden (spänning). När du klickar på uppåtpilen ökar amplituden med 0,01 V med varje klick, så du måste klicka på den här pilen flera gånger. Tryck på start och observera spåret på skärmen. Fortsätt att öka spänningen i 0.05 V steg.
- så småningom, vid tröskeln, bör den sammansatta åtgärdspotentialen börja visas som en avböjning i baslinjen.
- registrera tröskelspänningen (pulshöjd)
- fortsätt att gradvis öka spänningen (men öka aldrig den över 1 V) tills amplituden för föreningens aktionspotential upphör att öka (vilket indikerar att den maximala # av nervfibrer svarar) . Eftersom starkare spänningar stimulerar ytterligare axoner kommer föreningens åtgärdspotential att växa i amplitud.
- när du har två sammansatta åtgärdspotentialer som når samma (Nära om fin) toppamplitud, registrera spänningen.
- välj en spänning något under det maximala. Generera en åtgärdspotential vid denna spänning. Mät tiden med markören från början av stimulansen till mitten av den första toppen av det bifasiska svaret (se figur 9.4). Spela in detta som latensen (fördröjningen mellan en stimulans och initieringen av en AP) i din datatabell. Generera ytterligare två åtgärdspotentialer vid samma spänning och registrera deras latensvärde.
- kontrollera avståndet mellan den andra stimulerande elektroden och den första inspelningselektroden (bör vara ca 5 mm med denna apparat). Med hjälp av detta avstånd och dina inspelade latensvärden beräknar du ledningshastigheten för alla tre försöken och genomsnittliga dina resultat för att få en genomsnittlig ledningshastighet.
Hur kan svaret öka i amplitud när en åtgärdspotential har” alla eller inga ” egenskaper?
detta graderade responsfenomen illustrerar skillnaderna i tröskelvärde som finns mellan de olika storlekarna av fibrer som utgör nerven. Kom ihåg att du spelar in från en nerv, en stor bunt neuroner, var och en med en annan tröskel. Om stimulansspänningen ökas långsamt och smidigt kan du observera diskreta hopp i amplituden för föreningens aktionspotential när olika tröskelklasser av nervfibrer “rekryteras”. När du ökar amplituden når fler neuroner sin tröskel och bidrar till ökningen av storleken på föreningens åtgärdspotential. Så småningom, när stimulansspänningen ökas, kommer en punkt att nås när vågformen för åtgärdspotentialen slutar förändras. Vid denna tidpunkt stimuleras alla fibrer i nerven som kan svara på stimulansen (Fig 9.4). Detta är ett maximalt svar.
spela in och spara alla dina försök på skrivbordet. Det är bra att spara data ofta (under menyn Arkiv: Spara som) –i mappen lab course på skrivbordet). Var noga med att inkludera ditt djur-och labbavsnitt i ditt filnamn.
Fig. 9.4. Ett exempel på sammansatta åtgärdspotentialer (övre spår) vid ökande stimulus styrka (lägre spår) registreras från en groda ischiasnerven med hjälp av programvaran LabChart 8. Spår som motsvarar flera inspelningar läggs över. Stimuli med större styrka ger bifasiska föreningsverkningspotentialer med större amplitud.
för att mäta den eldfasta perioden
när två stimuli appliceras på nerven i mycket snabb följd, kan vissa eller alla neuroner som utgör nerven inte svara på den andra stimulansen eftersom natriumkanalerna inaktiveras. De är eldfasta mot den andra stimulansen.
- öppna grodans eldfasta fil. Pulshöjden (stimulusamplitud/spänning) är förinställd i denna fil vid 0,5 V och kommer inte att ändras under denna del av experimentet.
- kontrollera att pulsgapets bredd (intervallet mellan de två stimulipulserna) är inställd på 7 ms för att starta.
- tryck på start.
- två åtgärdspotentialer med samma höjd åtskilda av 7 ms ska visas (Fig. 9.5).
- minska nu (pulsgapets bredd (stimulusintervall) mellan de två stimuli med 0,5 ms steg genom att klicka på nedåtpilen. När du minskar pulsgapets bredd mellan stimuli börjar amplituden för den andra åtgärdspotentialen minska. Spela in spaltbredden när du observerar denna minskning. Denna fördröjning representerar nervens relativa eldfasta period. Vad händer?
- fortsätt minska pulsgapets bredd. Observera att du kan behöva minska med mindre intervall när pulserna kommer närmare varandra.
- notera tiden då den andra åtgärdspotentialen försvinner, alla neuroner är eldfasta mot den andra stimulansen.
Fig. 9.5. Sammansatta åtgärdspotentialer stimulerade av tvillingpulser visar den eldfasta perioden i en grodas ischiasnerv. Spår erhållna från flera inspelningar med LabChart 8 läggs över.
Ledningströskel och hastighet i Daggmasknerver
OBS: delar av denna procedur modifieras från ett protokoll skrivet av anställda i ADInstruments och tillhandahålls med inköp av PowerLab-instrumentationen.
vanliga daggmaskar har ett jättefibersystem som består av en enda median jättefiber och två laterala jättefibrer. De två laterala fibrerna är kopplade av många tvärförbindelser och fungerar som en enda axon.
experimentell inställning
- placera din daggmask i en petriskål som innehåller 10% etanol i daggmask saltlösning. Låt daggmasken bli helt bedövad (dvs. tills den slutar röra sig även när den undersöks); kontrollera efter 10 minuter och mycket 5 minuter efter det. placera masken på dissekeringsbrickan och rör vid huvudet eller svansen, om du ser rörelse, placera masken tillbaka i anaethesien.
- kontrollera trådanslutningen (se Fig. 9A)
- placera daggmaskens dorsala (mörka) sida uppåt på dissekeringsbrickan. Placera huvudänden (med clitellum) högst upp på brickan (fig 9.6). Var försiktig så att du inte sträcker daggmask för långt, eftersom det kan skada nervkabeln.
- placera två stimulatorstift ca 2 cm under klitellumet. Anslut stimulatorledningarna som kommer från power lab till dissektionsstiften. Den negativa ledningen (katod, svart) bör ligga bakom den positiva ledningen (anod, röd).
- de tre inspelningselektroderna (G, R1, R2) är kloriderade silvertrådar. Sätt försiktigt in dem i masken som visas i Fig. 9.6B i storleksordningen G, R1, R2 i den centrala delen av maskens kropp under den negativa elektroden. Stiften kan placeras ganska nära varandra. Placera R2-elektroden cirka 0,5 till 1 centimeter bakom r1-elektroden.
- Mät avståndet I mm mellan den andra stimulerande elektroden (svart katod) och den första inspelningselektroden (R1) och registrera denna mätning. Detta är det avstånd som åtgärdspotentialen reste under inspelningen.
- du kan behöva fukta hela daggmask med 10% etanol/saltlösning med en pipett. Blot överskott saltlösning från masken med en pappersvävnad.
Fig. 9.6. En PowerLab-inställning för att spela in earthworm action potentials B. Daggmaskanatomi och elektrodplacering på daggmasken
bestämning av tröskelspänningen för mediala och laterala axoner, beräkning , ledningshastighet och och observation av rekrytering av lateral jätte axon
- öppna WormAP-filen på datorns skrivbord.
- klicka på start. Omfattning visar ett svep. Avböjningen strax efter starten av svepet orsakas av spridning av en del av stimulansspänningen till inspelningselektroderna. Det kallas stimulus artefakt.
- öka produktionen med 0.05 volt genom att klicka på amplituden uppåtpilen i Stim. Panel.
- Upprepa steg 2 och 3 och öka amplituden med 0,05 volt med varje försök tills du ser ett svar från medianjätten axon.
- när du ser ett svar från median jätte axon (Fig. 9.7), registrera tröskelvärdet. Om du inte ser ett svar och du använder en stimulans på mer än 1V, be om hjälp.
- fortsätt öka stimulansen tills du observerar ett andra svar med en längre latent period (Fig. 9.7). Klicka på Stopp och spela in denna tröskel för de laterala jättefibrerna.
- spara filen på skrivbordet.
- för att beräkna ledningshastighet, placera markören i början av stimulusartefakten och Vågformsmarkören på åtgärdspotentialens topp (Fig. 9.7). Läs tidsskillnaden i den övre delen av fönstret omfattning.
- dela det (tidigare uppmätta) avståndet mellan stimulus-och inspelningselektroderna med tidsskillnaden mellan topparna för att bestämma ledningshastigheten i mm/ms som lätt omvandlas till m/s.
10. Kassera din fil eller placera den i mappen för ditt labbavsnitt.
uppdrag
Material i detta laboratorium kommer att ingå i labbet praktiskt (tillsammans med materialet från labs 7 & 8) . Se till att du förstår de begrepp, beräkningar, statistiska tester och diagram som omfattas.
resultat:
Använd data från hela klassen för att jämföra de genomsnittliga ledningshastigheterna hos de tre nerverna som undersöks idag. Utför en ANOVA som jämför ledningshastigheten (m/s) hos nerverna hos människa, groda och daggmask. Är skillnaden signifikant vid 0,05 sannolikhetsnivå? Verkar det finnas en skillnad i ledningsförmåga i nerverna hos människan, grodan och daggmask?
diskussion:
Data som samlats in i detta laboratorium kan jämföras med tidigare dokumenterade ledningshastigheter för nerverna hos en mängd olika ryggradsdjur och ryggradslösa djur. Är dina data förenliga med denna bredare datamängd?
Fig. 9.8. Hastighet av nervimpulsledning som en funktion av fiberdiameter i en mängd olika djur. Modifierad från Bullock och Horridge, 1965, struktur och funktion av nervsystemet hos ryggradslösa djur. W. H. Freeman och företag.
andra laboratorier i detta avsnitt
Lab 7: Ryggradsanatomi
Lab 8: Ryggradscirkulation och andning