Versuchstag 3: Nervenleitgeschwindigkeit

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1 Protokoll zum neurobiologischen Teil des Tierphysiologischen Praktikums Protokollanten: X Gruppe X Datum: X Versuchstag 3: Nervenleitgeschwindigkeit 1. Einleitung Am dritten Kurstag wurden Untersuchungen an einem präparierten Nerv von Xenopus leavis durchgeführt. Um die Versuche und ihre Ergebnisse richtig interpretieren zu können wird im Folgenden zunächst auf den allgemeinen Aufbau eines Nervs eingegangen: Ein Nerv besteht aus drei wesentlichen Grundbausteinen: Dem Zusammenschluss der einzelnen Nervenfasern/Axone, Blutgefäßen und stützendem Bindegewebe. Das Axon ist der Teil eines Neurons, an dem Aktionspotentiale (APs) weitergeleitet werden. Diese werden am Axonhügel durch eine dortige Depolarisation der Membran erzeugt, über das Axon fortgeleitet und dann über Synapsen an ein weiteres Neuron oder über eine motorische Endplatte an eine Muskelzelle übertragen. Bei Aktionspotentialen gilt stets das Alles-oder-nichts-Prinzip. Ein ausgelöstes AP hat immer die gleiche Amplitude, unabhängig von der Größe der Reizstärke. Erreicht die Reizstärke einen gewissen Schwellenwert, so wird ein AP initiiert. Erreicht sie den Schwellenwert nicht, geschieht nichts. Die Geschwindigkeit in der ein AP am Axon fortgeleitet werden kann hängt maßgeblich von der Dicke des Axons und somit seinem Innenwiderstand ab. Ist der Durchmesser größer begünstigt das die Leitgeschwindigkeit. Doch auch durch Myelenisierung und die damit zusammenhängende Bildung von ranvier schen Schnürringen kann der Innenwiderstand verkleinert und somit die Leitgeschwindigkeit erhöht werden. Dies ermöglicht es dem entsprechenden Lebewesen mit Axonen mit minimalem Durchmesser auszukommen und trotzdem eine hohe Leitgeschwindigkeit zu erzielen. Eine wichtige Rolle in Zusammenhang mit Nerven spielen die absolute und die relative Refraktärzeit eines Neurons. Die absolute Refraktärzeit ist die Zeit in der kein neues AP erzeugt werden kann. (Während des APs und eine kurze zeit danach.) Dies liegt an der Inaktivierung der Na + -Kanäle. Die relative Refraktärzeit schließt unmittelbar an die absolute an. Sie entsteht durch die erhöhte Membrandurchlässigkeit für K + -Ionen nach dem erfolgten AP. In dieser Zeit kann ein AP zwar ausgelöst werden, jedoch tritt es in abgeschwächter Form auf und eine höhere Reizstärke wird benötigt. Ziel des Versuchstags war es, Rückschlüsse über Nervenleitgeschwindigkeit, absolute & relative Refraktärzeiten und den Schwellenwert anhand von Untersuchungen des Nervenpräparates zu gewinnen. Da der verwendete Nerv ein Nervenbündel ist, also aus langsam und schnell leitenden Fasern unterschiedlicher Dicke besteht, wird stets ein Summenpotential abgeleitet. Ursprünglich sollte auch ein Versuch mit dem Bauchmark des Regenwurms stattfinden, dieser fiel am Praktikumstag leider aus. 2. Material und Methode Versuchsobjekt: Nervus Ischiaticus von Xenopus leavis Versuchsmaterial: Nervenkammer Verstärker Oszilloskop Ringerlösung Reizelektroden Ableitelektroden Reizgerät Der Nerv wurde vom Betreuer präpariert und danach in der Nervenkammer in Ringerlösung befestigt. (siehe Abb. 1)

2 Abb. 1: Schema des Versuchsaufbaus (entnommen aus dem Skript des Versuchstages) Allgemeine Methodik Zwei Elektroden dienten als Reizelektroden. Diese waren (anders als Abb. 1 zeigt) mit dem 2. Kanal des Oszilloskops verbunden. So konnte der Reiz auf dem Oszilloskop sichtbar gemacht werden. Der reiz erzeugte ein Aktionspotential, das sich wiederum mithilfe der Ableitelektroden (teils reiznah, teils reizfern) ableiten und über einen Differenzverstärker verstäken ließ. Die Messvorschrift lautete E = E1 E2. Das so gewonnene Signal wurde an das Oszilloskop weitergeleitet und dort sichtbar gemacht. Methodik zur Bestimmung der Nervenleitgeschwindigkeit Hierzu wurde ein einzelner Reizimpuls an den Nerv gesendet, er einmal reiznah und einmal reizfern (Unterschied: 2cm) abgeleitet wurde. Dann wurden die beiden Kurven am Oszilloskop übereinander gelegt und es wurde der zeitliche Abstand zwischen den beiden Summenpotentialen gemessen. Aus der Gleichung V =s/t konnte dann die Leitgeschwindigkeit ermittelt werden. Methodik zur Bestimmung des Schwellenwerts Für diesen Versuch wurden ebenfalls einzelne Reizimpulse an den Nerv gesendet. Die Reizstärke begann bei 0V und wurde dann kontinuierlich erhöht, bis sich ein Ausschlag auf dem Oszilloskop zeigte. Methodik zur Bestimmung der Refraktärzeit Hierzu wurden jeweils zwei aufeinander folgende Reize in einem bestimmten Abstand entsendet. Begonnen wurde bei 5ms und dann wurde der zeitliche Abstand zwischen den beiden Reizen immer weiter verkleinert, bis sich nur noch ein Summenpotential anstelle von zweien zeigte.

3 3. Ergebnisse Allgemeines zu den Ergebnissen Bei allen im Folgenden gezeigten Graphen zeigen sich zu Beginn mehrere starke Ausschläge. Diese haben nichts mit dem eigentlichen Summenpotential zu tun sondern sind so genannte Reizartefakte. Diese kommen dadurch zustande, dass der von den Reizelektroden ausgesendete Reiz zum Teil direkt durch die Ringerlösung zu den Ableitelektroden wandern kann, ohne den Nerv zu passieren. Identifizieren kann man die Reizartefakte indem man die Reizelektroden umpolt. Reizartefakte wechseln mit der Umpolung das Vorzeichen ihres Ausschlags (Minima werden zu Maxima, Maxima zu Minima) während as eigentliche Summenpotential immer als Minimum auftritt, egal wie die Ableitelektroden gepolt sind. Dies liegt an der Methodik der Extrazellulären Ableitung. Denn im Falle eines APs wird immer die Außenseite der Membran negativer gegenüber der Innenseite. Abb. 2: Reizartefakte und Summenpotential (letztes Minimum) auf dem Oszilloskop 3.1. Bestimmung der Nervenleitgeschwindigkeit Abb. 3: Kurvenverläufe bei reiznaher und reizferner Ableitung

4 Wie in Abb. 3 zu sehen unterscheiden sich reiznahe (CH1) und reizferne (Ref. B) Ableitung im versetzen Auftreten ihres Summenpotentials. (Jeweils das letzte Minimum.) Auch die Reizartefakte sind leicht verschoben, da der Strom länger braucht um die Ableitelektroden durch die Ringerlösung zu erreichen. Der Abstand zwischen reiznaher und reizferner Ableitung betrug 2cm. Nun wurde der zeitliche Abstand zwischen den beiden Minima ermittelt, dieser betrug 800µs. Durch die Gleichung V =s/t und die Umrechnung der ermittelten Werte in Standardgrößen (800µs = 0,0008s, 2cm = 0,02m) wurde eine Leitungsgeschwindigkeit von 25 m/s errechnet. Außerdem ist zu sehen, dass sich bei Reizferner Ableitung das Summenpotential in zwei Minima aufspaltet Bestimmung des Schwellenwerts Abb. 4: Kurvenverläufe bei verschiedener Reizstärke. Oben: 0,3V Unten: 0,6V Zur Bestimmung des Schwellenwerts wurde mit unterschiedlicher Stromstärke jeweils ein einzelner Reiz abgegeben. Begonnen wurde bei 0,0V. Hier war kein Ausschlag auf dem Oszilloskop sichtbar. Bei 0,1V zeigte sich ein Reizartefakt, aber es war kein Summenpotential ableitbar. Ab 0,3V (oberer Graph in Abb. 4) zeigte sich zusätzlich zum Reizartefakt auch ein Summenpotential. Wenn man die Nervenkammer geöffnet ließ sah man zusätzlich, dass der Fuß des Krallenfrosches zuckte, der Beleg dass der Schwellenwert überschritten war. Zwischen 0,3V und 0,6V (unterer Graph in Abb. 4) wurde der Ausschlag des Summenpotentials ständig größer. (Warum das so ist und ob es dem Alles-odernichts-Prinzip widerspricht siehe Diskussionsteil.) Ab 0,6V stagnierte der Ausschlag des Graphen dann bei weiterer Erhöhung der angelegten Spannung. Erst bei 1,25V wurde as Summenpotential wieder merklich größer. (Auch hierzu näheres im Diskussionsteil.)

5 3.3. Bestimmung der Refraktärzeit Abb. 5: Kurvenverlauf bei Aussendung von 2 Reizen im Abstand von 5ms Bei diesem Versuch wurden zwei Reize abgegeben die einen bestimmten Zeitlichen Abstand zueinander hatten. In Abb. 5 ist der Kurvenverlauf für einen Reizabstand von 5ms zu sehen. Man erkennt neben den starken Ausschlägen der Reizartefakte deutlich zwei Minima die das Summenpotential darstellen. Bei einem Abstand von 4ms waren immer noch beide Summenpotentiale zu erkennen. Doch bei 3ms wurde die Amplitude des zweiten Summenpotentials merklich kleiner, wir befanden uns also offensichtlich in der relativen Refraktärzeit des Nervs. Die absolute Refraktärzeit ließ sich leider nicht bestimmen, da die beiden Ausschläge bei weiterer Verkürzung des Reizabstandes zu stark ineinander übergingen. 4. Auswertung und Diskussion 4.1. Nervenleitgeschwindigkeit Die Form der Kurve lässt sich durch die Art und Weise des Messvorgangs erklären. Es handelt sich um eine extrazelluläre Ableitung. Es wurde die Potentialdifferenz zwischen erregtem Bereich und dem nicht erregten Nachbarbereich gemessen. Da die Zelle im Fall eines Aktionspotentials außen im Vergleich zu innen negativ wird und somit der Außenbereich negativer ist als ein nicht erregter Nachbarbereich, sehen wir das Summenpotential auf dem Oszilloskop als Minimum. Es wurde eine Leitungsgeschwindigkeit von ca. 25 m/s ermittelt. Dies entspricht ca. den in der Literatur zu findenden Werten für Nervenfasern mittlerer Leitungsgeschwindigkeit. Die erzielten Ergebnisse sind also realistisch. Das Auftreten mehrer Minima bei reizferner Ableitung lässt sich wie folgt erklären: In einem Nerv befinden sich sowohl langsam leitende als auch schnell leitende Nervenfasern. Diese Unterschiede entstehen durch den verschiedenen Durchmesser und die unterschiedlich starke Myelenisierung der Axone. Leitet man reiznah ab, so ist kein Unterschied zwischen den beiden Typen erkennbar. Leitet man jedoch reizfern ab, kommen die Reize zu unterschiedlichen Zeiten an (schnell leitende Fasern zuerst, dann langsam leitende) und es bilden sich zwei Minima aus. Hierdurch lässt sich also schließen, dass im N. ischiaticus von X. leavis verschiedene Typen von Nervenfasern vorliegen Schwellenwert & Summenpotential Versuch zwei liefert uns zahlreiche Erkenntnisse zum Schwellenwert und über das Summenpotential im Allgemeinen. Der Schwellenwert scheint bei ca. 0,3V zu liegen, da ab dieser angelegten Spannung der Fuß des Frosches zuckte und ein Summenpotential auf dem Oszilloskop sichtbar wird. Dass dieses zwischen 0,3V und 0,6V eine immer höhere Amplitude bekommt, lässt sich wie folgt erklären: Wie der Begriff

6 schon sagt, leiten wir nicht an einem einzelnen Axon ab, sondern an einem kompletten Nerv, der aus einer Summe vom zahlreichen Axonen besteht. Durch den unterschiedlichen Innenwiderstand der einzelnen Axone entstehen auch unterschiedliche Schwellenwerte. 0,3V ist der Wert, an dem die ersten Axone mit geringstem Widerstand ihren Schwellenwert überschritten haben und ein AP erzeugen. Wenn man nun die Reizstärke weiter erhöht überschreiten immer mehr Fasern ihren Schwellenwert. Da wir in der Summe ableiten wird der Ausschlag also größer, weil mehr Fasern beteiligt sind. Ab einem Wert von 0,6V werden alle schnell leitenden Nervenfasern angesprochen und es kommt bei weiterer Erhöhung der Reizstärke nicht zu einer Vergrößerung der Amplitude des Summenpotentials. Ab 1,25V jedoch werden auch die langsam leitenden Fasern angesprochen und es kommt so zu einem erneuten Anstieg der Amplitude. Die Versuchsergebnisse widersprechen also nicht dem Alles-oder-nichts-Prinzip. Bei einer höheren Reizstärke werden lediglich mehr Nervenfasern erregt und es kommt so zu einem höheren Summenpotential Refraktärzeit Wie bereits in der Einleitung beschreiben unterscheidet man zwischen relativer und absoluter Refraktärzeit. Zweitere ließ sich in unseren Versuchen leider nicht bestimmen. Jedoch konnten wir Erkenntnisse über die relative Refraktärzeit gewinnen. Diese lag bei ca.3ms, da hier die Amplitude des zweiten gemessenen Summenpotentials erheblich kleiner Wurde. Dies lässt sich auf die noch geöffneten K + -Kanäle in der Membran und die damit verbundene Hyperpolarisation zurückführen. Hierdurch wird eine größere Reizstärke benötigt, um den Schwellenwert zu erreichen. Für unser Summenpotential heißt das, bei gleicher Reizstärke werden weniger Fasern angesprochen und das Summenpotential fällt geringer aus. 5. Quellenangaben Skript des dritten Versuchstags zum Neurophysiologischen Teil des Tierphysiologischen Praktikums der Uni Mainz, Sommersemester 2008 Biologie ; W. K. Purves, D. Sadava, G. H. Orians, H. C. Heller; 7. Auflage, 2006; Elsevier Verlag Tierphysiologie ; R. Eckert, D. Randall; 4. Auflage, 2002, Georg Thieme Verlag