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Experimento 10: Velocidad de Conducción
RESUMEN
En este práctico podrás:
 Aprender a medir la velocidad de los potenciales de acción usando una nueva
preparación de lombriz de tierra.
 Aprender sobre la diferencia entre codificación dispersa y la tasa de codificación
 Aprender a hacer múltiples registros en un animal
OBJETIVOS
Antes de realizar este práctico, debieras:
 Revisar el concepto de velocidad de conducción.
 Estudiar la anatomía de la lombriz de tierra.
Después de realizar este práctico, debieras ser capaz de:
 Diseñar un experimento para medir la velocidad de conducción en distintas
preparaciones de lombriz de tierra, y en distintas condiciones.
 Entender las dos formas en que los animales aumentan su velocidad de
conducción.
MATERIALES
 SpikerBox de 2 Canales
 Lombriz de tierra
 Jaula de Faraday
 Notebook con entrada estéreo
 Cable Patch/Cable de Notebook
 Regla
 Trozo de madera para colocar la lombriz e insertar los electrodos.
¿Qué tan rápidas son tus neuronas?
Antecedentes
Hasta este punto hemos estado estudiando spikes emitidas por grillos y cucarachas,
principalmente monitoreando la “tasa de espigas” y la “presencia de espigas”, en
respuesta a ciertos estímulos o condiciones. Ahora vamos a estudiar "la velocidad de
la espiga."
Probablemente creas que el sistema nervioso es muy rápido. Pareciera que
escucharas las espigas inmediatamente al tocar la pata de una cucaracha o al soplar
sobre el cerco de los grillos. Pero, ¿es instantáneo? ¡Por supuesto que no! Ni siquiera
la luz, la señal más rápida en el universo, viaja instantáneamente. Entonces, ¿qué tan
rápido es un sistema nervioso? ¿Es más rápido que un auto, más rápido que un
avión, o más rápido que un teléfono celular? Y, ¿cómo podemos medirlo?
En todos los experimentos anteriores, sólo hemos registrado neuronas usando un
canal (es decir, usamos solo un electrodo de registro, y uno de tierra). Sin embargo,
para medir la velocidad debes medir tanto el tiempo (cuando se generó la espiga)
como la distancia (la distancia que ha recorrido la espiga a través del nervio).
Hagamos una analogía con un auto en una carretera. Si estuvieras mirando desde un
pequeño puesto de observación podrías determinar si viste un auto, qué tipo de
auto era, y la hora a la que lo viste.
Lo mismo ocurre con el SpikerBox, puedes decir si viste una espiga, tal vez qué tipo
de neurona generó esa espiga (vamos a discutir esto en un experimento posterior),
y la hora de la espiga, pero no puedes determinar la velocidad de la espiga viajando
por el nervio.
Volvamos al auto en la carretera. Imagina que tuvieras un amigo ½ milla más allá en
la carretera en un puesto similar:
Después de la observación, podrían compartir su información y determinar la
velocidad del auto. 1 minuto = 0,016 horas. Divide ½ milla por 0.016 horas, y
calcularías una velocidad de 31.25 mph.
Por lo tanto, podemos medir la velocidad con dos observadores, y es por eso que
usamos el SpikerBox de dos canales para medir 2 puntos a lo largo de un nervio
mientras una spike viaja a través de él.
Así que, ¿por qué no nos tomamos nuestro SpikerBox de dos canales con nuestros
dos electrodos y la tierra, los colocamos en la cucaracha, y medimos la información
de las espigas por dos canales? Inmediatamente notarás que hay una gran cantidad
de espigas ocurriendo en ambos canales; de hecho, demasiadas como para seguirlas
a todas.
Volvamos a la analogía de la carretera. Imagina una calle muy transitada, por
muchos autos similares a una velocidad bastante alta (como la Costanera, por
ejemplo) y tu amigo y tú solo pueden establecer puntos de observación muy cerca
uno del otro.
Ya puedes ver el problema, hay una gran cantidad de espigas generándose en la pata
dela cucaracha, e identificar alguna en particular es muy difícil. El fémur de la pata
de la cucaracha tiene 2 nervios en su interior, y unas 100-200 neuronas dentro de
cada nervio, todas disparando muchas espigas. Nosotros también estamos limitados
por la distancia que podemos tener entre nuestros electrodos, ya que la pata tiene
sólo 8 mm de largo, aproximadamente.
Lo ideal sería que, dadas nuestras limitadas herramientas, midiéramos espigas en
un nervio más largo, un nervio, con sólo 1-3 axones, ojalá grandes, y que estos
axones no disparen muchas espigas.
¿Existirá alguna criatura en el reino animal que cumpla con estos requisitos? ¡Claro
que sí! y es probable que en estos momentos esté bajo tus pies y en tu patio trasero.
Hemos estado estudiando artrópodos (insectos), pero ahora pasaremos a una nueva
clase de invertebrados: ¡Los anélidos! O como son usualmente llamados, ¡gusanos!
Te presentamos nuestra nueva preparación: la lombriz de tierra común, "Lumbricus
terristrius". Es un animal más simple que los que hemos estudiado antes, y la
lombriz de tierra contiene tres grandes axones que recorren la longitud de su
cuerpo, la “fibra gigante medial” y las dos “fibras gigantes laterales ". La fibra gigante
medial transmite información sobre la parte frontal del gusano (la parte más
cercana al clitelo), y las fibras gigantes laterales transmiten información de las
células de la piel del extremo posterior del gusano (Kladt et. al 2010).
Además de la gran longitud de la lombriz, que nos permite colocar los electrodos
más separados, la lombriz de tierra también exhibe lo que se conoce como
¿Qué es la codificación dispersa? Volvamos a la cucaracha y la "codificación de
tasa" que estudiamos antes. Para la tasa de codificación, la intensidad de un
estímulo es codificado por la tasa de espigas. Si la pata de la cucaracha utilizara
un esquema de codificación dispersa, los nervios de la pata sólo dispararían 1-2
veces al tocar la púa con un mondadientes, y 1-2 veces más al quitarlo.
Este esquema de codificación dispersa es lo que veremos en el experimento de
la lombriz de tierra a continuación, y lo aprovecharemos para medir la velocidad
de conducción de las spikes.
Procedimiento:
1. Compra una caja de lombrices de tierra en tu tienda de mascota o tienda de
artículos deportivos más cercana (normalmente se usan para alimentar a
lagartos, tortugas y peces. Los pescadores las utilizan como cebo). Cuando no
la estés usando, guarda la caja en el refrigerador (no en el congelador). Los
gusanos pueden durar 1-2 meses aproximadamente.
2. Prepara una solución de etanol al 10%. La forma más sencilla de hacerlo es
utilizar vodka (que normalmente tiene un 40% de etanol). Como el vodka no es
mucho más que etanol puro diluído, dilúyelo un poco más: 1 parte de vodka, 3
partes de agua. Por ejemplo, mezcla 10 mL de alcohol con 30 mL de agua
potable. Pídele a tu profesor que prepare esta solución.
3. Coloca una lombriz de tierra sana en la mezcla de alcohol y espera siete
minutos. No espere demasiado tiempo, ya que al igual que con la anestesia para
humanos, El balance entre muy poca o demasiada anestesia es muy difícil de
encontrar. Muy poca anestesia significará que la lombriz de tierra se moverá
durante el experimento, y la actividad eléctrica muscular resultante
(electromiografía) va a ahogar las (pequeñas) señales eléctricas neuronales que
te interesan. Si es mucha anestesia y los nervios no dispararán. Hemos
determinado que 7-10 minutos es un buen rango.
4. Coloca la lombriz de tierra en un pedazo de madera de balso o de corcho
grueso, y coloca los tres electrodos de tu SpikerBox de 2 canales en el extremo
posterior del gusano como se ilustra a continuación:
5. Coloca una Jaula de Faraday alrededor de la lombriz de tierra, y conecta la
jaula a tierra por el canal 1 o el canal 2 del SpikerBox (ve nuestro documento
sobre la Jaula de Faraday en wiki.backyardbrains.cl para saber como hacerlo).
6. Enciende tu SpikerBox de 2 canales, conecta el cable de conexión (patch)
portátil tanto al SpikerBox de 2 canales como a tu computador portátil, y abre
Audacity. Asegúrate que la entrada de tu computador portátil sea capaz de
grabar dos canales. Ve nuestro documento sobre “probar la entrada estéreo” en
wiki.backyardbrains.cl para saber como probarlo.
7. Configura el "dispositivo de grabación" en la pestaña Audio I/O de las
preferencias de Audacity a “Input Asignado” como entrada y “Canales” a
"Estéreo". Asegúrate que la salida esté configurada a “Output Asignado”, y
también marca las casillas “Reproducción a través del Hardware” y
“Reproducción a través del Software” para que puedas escuchar las espigas
mientras grabas.
8. Presiona el botón de Grabación en Audacity. Debieras oír algo de ruido de
fondo, y ahora, con un mondadientes, toca el extremo anterior (trasero) de la
lombriz. Debieras escuchar 1-2 "estallidos" leves. Esos son las espigas. Es
interesante que las neuronas en la lombriz tienen una vaina de mielina (una
cubierta de grasa aislante), y puedes notar que las espigas son mucho más
suaves que lo usual (Hartline and Coleman 2007). Muchas enfermedades
nerviosas, como la Esclerosis Múltiple, son causadas por la degeneración de
esta cubierta de grasa.
9. Detén la grabación. Ahora, revisa tu archivo de grabación y trata de encontrar
tus espigas. Tendrás que ampliar varias veces la señal, para "estirarla" lo
suficiente como para tomar una medida. Debieras ver el comienzo de las
espigas separadas en el tiempo.
10. Usando el eje-tiempo para medir el tiempo, determina qué tan separados en
el tiempo se encuentran los inicios de las spikes.
11. Utilizando una regla milimétrica, mide la distancia entre el electrodo 1 y el
electrodo 2.
12. Divide la distancia en el tiempo. Voilà! Acabas de medir la velocidad de
conducción.
Ahora empieza a explorar. Por ejemplo, ¿cambia la medición entre espiga y
espiga? ¿Y entre lombrices? Las lombrices más pequeñas, ¿son más rápidas o
más lentas que las grandes? La velocidad, ¿es sensible al grado de anestesia?
Nos gustaría saber la respuesta a todas estas preguntas, y a ti también, Así que
cuéntanos tus descubrimientos.
Solución de problemas:
1 – Si la lombriz de tierra no está sana (no se mueve en la caja, no se
resiste/retuerce al intentar tomarla), no obtendrás buenas grabaciones.
2 – Por razones que no entendemos, la lombriz de tierra es una excelente
antena para el ruido eléctrico. A menos que estés haciendo tu experimento
afuera, necesitas usar una Jaula de Faraday para que este experimento
funcione.
3 – También es necesario un computador portátil con una entrada de sonido
estéreo. La mayoría de los computadores tienen una, pero algunos equipos,
como el MacBook Air y los pirmeros MacBook Pro, no tienen. La única forma de
saberlo (aparte de llamar al diseñador) es correr una prueba. Si no tienes una
entrada estéreo, puedes usar una mesa de mezclas USB para obtener entradas
analógicas estéreo en el computador. Ten en cuenta que esta interfaz USB
causa un leve “ruido” de 1000 Hz en tus grabaciones, pero de todas maneras
puedes hacer buenos registros en lombrives de tierra. Incluso puedes conectar a
tierra este ruido para eliminarlo.
¡Profundicemos!
Existen dos formas por las cuales los animales aumentan la velocidad de
conducción. En humanos como tu y yo, los nervios están cubiertos por una
sustancia lipídica llamada mielina. En el grillo y la cucaracha, las neuronas
tienen un diámetro mayor. Obviamente, un tamaño mayor limita la cantidad de
neuronas que se pueden encontrar en un espacio determinado. La relación entre
el diámetro del axón y la velocidad de conducción está en función de la raíz
cuadrada del diámetro. Esto significa que, si un axón tiene un diámetro cuatro
veces mayor, la velocidad de conducción es el doble de rápida. Si el diámetro es
9 veces mayor, la velocidad de conducción es 3 veces más rápida.
La mielina funciona disminuyendo la capacitancia, o capacidad eléctrica, del
axón, lo que disminuye la constante de tiempo para recargar la membrana. Esto
puede ser algo difícil de entender, por lo que recomendamos Hartline y Coleman
(2007) como un buen punto de partida.
Curiosamente, algunas criaturas como el camarón peneido y la lombriz de tierra
que estás estudiando hoy, tienen una combinación de un gran diámetro axonal y
mielinización. En el camarón peneido, se ha registrado una velocidad de
conducción de 210 m/s, o ¡756 km/h! Sin embargo, en la lombriz de tierra,
hemos medido una velocidad de ~7.5 m/s, or 25 km/h. ¿Por qué existirá tal
diferencia en velocidad?
Referencias:
Hartline and Coleman (2007) Rapid Conduction and the Evolution Review of
Giant Axons and Myelinated Fibers. Current Biology 17, R29–R35
Kladt N, Hanslik U, Heinzel H-G (2010) Teaching basic neurophysiology using
intact earthworms. The Journal of Undergraduate Neuroscience Education
(JUNE), Fall 2010, 9(1):A20-A35
PREGUNTAS DE DISCUSIÓN
1. ¿Por qué estamos usando alcohol para anestesiar a la lombriz de tierra en
lugar de agua con hielo?
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2. ¿Qué sucede si se invierte la tierra y el electrodo de registro 1?
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3. ¿Qué sucede si tocas la parte anterior del gusano (la boca)?.
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4. ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de la codificación dispersa frente a la
codificación de frecuencia?
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