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Experimento: Introducción a la Velocidad de Conducción (Rapidez Neuronal)

Quizás te has preguntado qué tan rápidas son las spikes que has estado estudiando. ¡Ahora puedes descubrirlo, con nuestro SpikerBox de 2 Canales y una lombriz de tierra!

Tiempo 1 Hora
Dificultad Avanzado

¿Qué vas a aprender?

En este práctico vas a aprender a medir la velocidad de conducción de un spikes usando una lombriz de tierra. También vas a aprender sobre la "Codificación Dispersa", un código neuronal distinto a la "Tasa de Codificación" que hemos estado estudiando.

Prácticos Requeridos


Antecedentes

Hasta este punto hemos estado estudiando spikes emitidas por grillos y cucarachas, principalmente monitoreando la "tasa de spikes" y la "presencia de spikes", en respuesta a ciertos estímulos o condiciones. Ahora vamos a estudiar "la velocidad del spike."

Probablemente crees que el sistema nervioso es muy rápido. Pareciera que escucharas las spikes casi 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 spike) 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 del spike, pero no puedes determinar la velocidad del spikea 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 2 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 spikes en un nervio más largo, un nervio, con sólo 1-3 axones, ojalá grandes, y que estos axones no disparen muchas spikes.

¿Existirá alguna criatura en el reino animal que cumpla con estos requisitos? ¡Claro que sí! y es probable que en estos momentos esté 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 "tasa de codificación" 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. Aquí hay un video que describe el experimento:

Video

Procedimiento

Materiales
  1. SpikerBox de 2 Canales
  2. Earthworm
  3. Una Jaula de Faraday
  4. Laptop con entrada de línea estéreo
  5. Patch/Cable para Laptop
  6. Regla
  7. Trozo de madera o plumavit para colocar la lombriz
  8. Alcohol or Agua Mineral
  9. 2 recipientes plásticos pequeños, uno con agua y el otro con la anestesia: alcohol o agua mineral
  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 o de corcho grueso, y coloca los tres electrodos de tu SpikerBox de 2 canales en el extremo posterior del gusano como se ilustra arriba.
  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.
  6. Enciende tu SpikerBox de 2 canales, conecta el cable para laptop tanto al SpikerBox de 2 canales como a tu computador, y abre Audacity. Asegúrate que la entrada de tu computador sea capaz de grabar dos canales.
  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 spikes 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 & 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 el archio y trata de encontrar tus spikes. 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 del tiempo para medir, determina qué tan separados en el tiempo se encuentran los inicios de las spikes (ver ilustración de abajo).
  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 lo que descubres. Para ayudarte a identificar las spikes de la lombriz, aquí hay un archivo de audio del video de arriba.

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 laptop 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 hacer una prueba muy sencilla que diseñamos. 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. Si necesitas hacer registros en 4 canales (y podemos ofrecerte un SpikerBox de 4 canales "fuera del menú"... contáctanos si estás interesado), te recomendamos este Maya44 mezcclador USD de 4 canales.

Preguntas de Discusión

  1. ¿Por qué estamos usando alcohol para anestesiar a la lombriz de tierra en lugar de agua con hielo?
  2. ¿Qué sucede si se invierte la tierra y el electrodo de registro 1?
  3. ¿Qué sucede si tocas la parte anterior del gusano (la boca)?
  4. ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de la codificación dispersa vs la tasa de codificación?