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O axônio gigante da lula é o axônio amielínico de condução mais rápida conhecido?

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A velocidade de condução do axônio gigante da lula pode chegar a 30 m / s. Existe algum exemplo conhecido de axônios amielínicos de condução ainda mais rápida?


A velocidade de condutância no axônio amielínico foi calculada e medida para ser proporcional à raiz quadrada do diâmetro do axônio (ver por exemplo: Rushton, 1951). Uma vez que o axônio gigante é, bem, gigante, ele conduz muito mais rápido do que outros. AFAIK, todos os outros grandes neurônios estudados são mielinizados. Talvez tente encontrar lulas maiores! ;)


J.Z. E A DESCOBERTA DAS FIBRAS DE NERVO GIGANTES DE SQUID

J.Z., para lhe dar o título pelo qual era universalmente conhecido, inicialmente adquiriu um interesse por cefalópodes quando trabalhou em Nápoles com Enrico Sereni em 1932 nos axônios dos conectivos do manto e nervos estelares do polvo. Isso o levou a estudos adicionais no Laboratório Marinho de Plymouth de algumas estruturas nos mantos de lula que ele provisoriamente identificou como fibras nervosas gigantes (Young, 1936). No verão de 1936, ele visitou Woods Hole em Massachusetts, determinado a provar que essas "estruturas curiosas" eram na verdade axônios motores. Com FO Schmitt e R. Bear, ele examinou com sucesso o axoplasma dos axônios do manto da lula Loligo pealii com luz polarizada, mas falhou nas tentativas com Ralph Gerard, Detlev Bronk e Keffer Hartline para fazer qualquer registro de osciloscópio de potenciais de ação de um único fibras. No entanto, ele e Hartline se saíram melhor um dia, quando descobriram que a aplicação de uma solução de citrato de sódio em uma das extremidades dos supostos axônios gerava uma descarga rítmica na outra, mostrando que eram de fato fibras nervosas. Ele então fez um estudo cuidadoso da anatomia dos mantos, e em seu artigo clássico sobre `O funcionamento das fibras nervosas gigantes da lula'(Young, 1938), ele mostrou que os axônios gigantes de terceira ordem serviam para provocar a contração precisamente coordenada do manto causando a expulsão de um poderoso jato de água que impulsionava os animais rapidamente para trás ou para a frente de acordo com a posição do funil, às vezes acompanhado por uma dose de 'tinta' para ajudar na fuga do animal.

Tendo confirmado que os axônios gigantes da lula conduziam potenciais de ação, e tendo com R. J. Pumphrey em 1938 (Young e Pumphrey, 1938) olhou para o efeito de seu diâmetro na taxa de condução, o único aspecto em que J.Z. subsequentemente, envolveu-se na pesquisa sobre a base iônica da condução para medir seu conteúdo eletrolítico (Young e Webb, 1945). Ele, no entanto, dedicou muitos anos a uma importante série de observações na Estação Zoológica de Nápoles sobre o mecanismo de memória no polvo. E sempre interessado no animal como um todo, trabalhou vigorosamente no laboratório até o fim da vida numa ampla gama de problemas. Ele também será lembrado como um professor de grande distinção e como o autor de dois livros didáticos excepcionalmente sábios e bem escritos sobre vertebrados e invertebrados.

Foi, no entanto, a introdução de fibras nervosas gigantes por J.Z. isso permitiu que a biofísica e a bioquímica das membranas excitáveis ​​fossem devidamente estudadas em profundidade, o que foi dito por Alan Hodgkin em 1973 ter feito mais pela axonologia do que qualquer outro avanço na técnica durante os 40 anos anteriores. J.Z. resumiu perfeitamente o impacto que a descoberta de axônios motores gigantes teria no campo quando ele escreveu `devido ao seu enorme tamanho [as fibras nervosas gigantes da lula] fornecem oportunidades únicas para o estudo do funcionamento de unidades neuromusculares individuais'(Young, 1938).

O primeiro passo na exploração dos axônios de lula foi dado em 1938 em Woods Hole por Kacy Cole e HJ Curtis (Cole e Curtis, 1939) quando eles mostraram usando eletrodos externos que durante a passagem de um impulso havia uma ascensão e queda do condutância de membrana cujo curso de tempo era muito semelhante ao do potencial de ação. Então, no verão de 1939, Curtis e Cole (1940, 1942) em Woods Hole, e Alan Hodgkin e Andrew Huxley (Hodgkin e Huxley, 1939) no Laboratório da Associação Biológica Marinha em Plymouth, tiveram sucesso de maneiras ligeiramente diferentes em empurrar longos tubos de vidro, de 0,1 mm de diâmetro e cheios de soluções de K +, por uma certa distância nos axônios e, assim, registrar o potencial internamente de uma parte não danificada da membrana. Para sua grande surpresa, eles descobriram que, no pico do impulso conduzido, o potencial da membrana não caiu, como era esperado, perto de zero, mas na verdade foi substancialmente revertido.

Após o fim de seis anos de guerra que interrompeu a pesquisa biológica, o problema de explicar a reversão do potencial no pico do pico ainda permanecia sem solução. Ao escrever seus experimentos de 1939 mais detalhadamente, Hodgkin e Huxley (1945) apresentaram quatro explicações alternativas elegantemente argumentadas, em nenhuma das quais era óbvio que eles tinham alguma fé. Mas então Alan Hodgkin ousou sugerir que a permeabilidade da membrana aos íons Na + poderia sofrer um aumento transitório. Trabalhando com axônios gigantes de lula em Plymouth em 1947, ele e Bernard Katz foram capazes de estabelecer que a teoria do sódio era correta (Hodgkin e Katz, 1949). Como foi descrito vividamente por Hodgkin em sua autobiografia Chance e ampDesign (Hodgkin, 1992), o grande triunfo experimental que veio a seguir foi o desenvolvimento dele e de Huxley em Plymouth da técnica de fixação de voltagem para a análise quantitativa da relação entre corrente e voltagem em uma membrana excitável (Hodgkin e Huxley, 1952).

Seguiu-se uma série de projetos de pesquisa em questões relacionadas, por exemplo, a medição dos movimentos líquidos durante o impulso nervoso de sódio e potássio por Keynes e Lewis (1951), o estabelecimento por Hodgkin e Keynes (1955a) da existência da bomba de sódio de a maneira pela qual os íons K + se difundiram em fila única através dos canais de potássio dependentes de voltagem nas membranas nervosas e coroou a participação direta de Hodgkin em experimentos com axônios de lula; o desenvolvimento de um método para perfundi-los com uma variedade de soluções após a compressão do axoplasma conforme descrito por Baker, Hodgkin e Shaw (1962), a fim de realizar mais testes rigorosos da teoria iônica.

Durante as décadas de 1960 e 1970, experimentos com fibras gigantes de lula continuaram a ocupar muitos axonologistas, um avanço de particular interesse sendo os registros feitos pela primeira vez de forma independente em Woods Hole por Armstrong e Bezanilla (1974) e em Plymouth por Keynes e Rojas (1974 ), da corrente de entrada de sódio. A existência de tais correntes geradas pelos movimentos transmembranares das partículas carregadas de comportas havia sido prevista por Hodgkin, mas elas não haviam sido registradas anteriormente por causa de seu pequeno tamanho em relação às correntes de íons. Então, em 1984 Numa e seus colegas em Kyoto tiveram sucesso, conforme descrito por Noda et al. (1984), na clonagem do gene do canal de sódio da enguia elétrica, e logo as sequências de aminoácidos primários de sódio, potássio e Canais de cálcio em muitos animais eram conhecidos. Além disso, descobriu-se que as proteínas do canal poderiam ser prontamente expressas em Xenopus oócitos, onde suas propriedades poderiam ser convenientemente examinadas pelas técnicas de patch-clamping desenvolvidas pela primeira vez por Neher e Sakmann (1976). A pesquisa nessas linhas está sendo vigorosamente realizada em muitos laboratórios em todo o mundo sobre as propriedades dos canais iônicos controlados não apenas pelo potencial de membrana, mas também por outros agentes.


O comportamento humilde da lula pode fornecer pistas para o cérebro humano

A única vez que a maioria de nós pensa sobre essa criatura marinha de aparência estranha é quando ela é servida grelhada, frita ou regada com sua própria tinta.

Mas a humilde lula é na verdade um invertebrado inteligente, capaz de aprender comportamentos complexos desde muito jovem.

Um novo estudo revela que as lulas recém-nascidas realmente aprendem por meio do processo de tentativa e erro, muito parecido com os humanos, e que essas experiências iniciais podem alterar fisicamente o sistema nervoso das lulas de maneiras que podem ser permanentes.

foto: Os pesquisadores da Hopkins estudam a espécie Loligo opalescens, uma lula comum encontrada no Oceano Pacífico na Califórnia. As lulas adultas como a mostrada aqui têm geralmente dez a dezoito centímetros de comprimento. Cortesia: William Gilly.

Esses resultados também podem fornecer uma nova visão sobre como a aprendizagem transforma o cérebro humano, diz William F. Gilly, professor de biologia celular e do desenvolvimento na Hopkins Marine Station de Stanford.

Gilly e o ex-colega de pós-doutorado Thomas Preuss descrevem suas últimas descobertas sobre o comportamento das lulas na edição de janeiro da The Journal of Experimental Biology.

"A lula é um molusco - um animal intimamente relacionado a um molusco", diz Gilly, "mas tem um repertório comportamental incrivelmente rico. Seu cérebro é provavelmente tão complicado quanto o de alguns mamíferos."

Ele ressalta que a lula é uma espécie ideal para a realização de pesquisas neurológicas, porque seu cérebro elaborado está conectado a um conjunto de axônios gigantes - as maiores células nervosas do reino animal. (veja a ilustração abaixo).

Quando uma lula recém-nascida está assustada, seu cérebro envia um sinal elétrico através dos axônios gigantes, fazendo com que os músculos do manto se contraiam automaticamente e descarreguem um jato d'água. Para obter o controle voluntário de sua propulsão a jato, o cérebro adulto dispara primeiro a pequena rede de axônios, contornando os axônios gigantes. Cortesia: William Gilly.

Um axônio gigante pode crescer até um milímetro de largura e seu tamanho torna muito mais fácil medir os sinais elétricos de e para o cérebro enquanto a lula executa vários comportamentos.

Resposta de escape de susto

É um fato bem conhecido, escrevem Gilly e Preuss, que uma lula assustada libera um poderoso jato de água que impulsiona seu corpo para frente ou para trás para que possa escapar de predadores.

Essa "resposta de fuga de sobressalto" é semelhante a uma ação reflexa e é desencadeada pela rede de axônios gigantes que conecta o cérebro da lula aos músculos em seu manto - a parte do corpo que muitos de nós gostamos de comer.

Quando uma lula está assustada, seu cérebro envia um sinal elétrico através dos axônios gigantes em menos de um décimo de segundo - um impulso "tudo ou nada" que faz com que os músculos do manto se contraiam involuntariamente e descarreguem um jato de água.

Toda lula nasce com esse reflexo de fuga de sobressalto, mas para ter sucesso na natureza, um animal deve ser capaz de controlar e operar voluntariamente seu sistema de propulsão a jato. Isso significa evitar que a rede de axônios gigante dispare automaticamente um impulso do tipo tudo ou nada.

E é exatamente isso que as lulas jovens começam a fazer assim que nascem.

De acordo com Gilly e Preuss, o cérebro de uma lula recém-nascida desenvolve rapidamente a capacidade de contornar os axônios gigantes em favor de uma rede nervosa paralela composta de pequenos axônios - neurônios mais estreitos que controlam um conjunto diferente de músculos no manto.

Quando se torna adulta, a lula é capaz de regular a força de seu jato de escape simplesmente ativando primeiro os pequenos axônios e, em seguida, disparando a rede de axônios gigante uma fração de segundo depois.

Mas é essa capacidade de suprimir a rede de axônios gigante geneticamente programada em cada lula ou é uma habilidade que cada animal tem que aprender com a experiência?

Para responder a essa pergunta, Gilly e Preuss decidiram se concentrar em outro comportamento importante da lula que depende do aprendizado: a capacidade de caçar e capturar presas.

As lulas selvagens adoram comer pequenos crustáceos chamados copépodes. Mas os copépodes são difíceis de capturar porque podem detectar e superar uma lula perseguidora - além disso, os copépodes são cobertos por espinhos afiados semelhantes a lagostas (veja o desenho abaixo).

Por meio do processo de tentativa e erro, uma jovem lula aprende que a melhor maneira de capturar um copépode não é persegui-lo, mas permanecer imóvel, abrir seus oito tentáculos como uma rede e, em seguida, agarrar rapidamente o crustáceo e mordê-lo.

Mas Gilly observou que, quando uma lula jovem agarra seu primeiro copépode, ela geralmente libera o crustáceo espinhoso e se projeta para trás em uma clássica resposta de sobressalto e fuga.

Talvez o exoesqueleto em forma de agulha do copépode irrite e assuste a jovem lula, disparando um sinal de tudo ou nada por meio de seus axônios gigantes e fazendo-a jorrar água involuntariamente.

Com a prática, as lulas novatas acabam aprendendo a segurar copépodes sem dar ré automaticamente - uma observação que levou Gilly e Preuss a suspeitar que o controle de uma lula sobre seu reflexo de fuga anda de mãos dadas com o desenvolvimento de suas habilidades de caça.

Caçadores velozes e lentos

Para descobrir, os pesquisadores montaram um experimento usando ovos recém-eclodidos de lulas coletadas na baía de Monterey.

Os animais recém-nascidos foram divididos em dois grupos. Um recebeu uma dieta que incluía copépodes rápidos. O outro foi alimentado apenas com larvas de artêmia de movimento lento, que são muito mais fáceis de capturar.

Quando uma lula recém-nascida vê uma refeição em potencial, sua primeira reação é atacar a presa o mais rápido possível - uma estratégia que funcionou bem para o grupo que recebeu artêmia.

Na verdade, depois de dois meses de experimento, a maioria dos comedores de camarão ainda estava atacando suas presas que se moviam lentamente, em vez de desenvolver técnicas de caça mais sutis.

Mas uma estratégia diferente foi desenvolvida entre as lulas alimentadas com copépodes. Apesar das repetidas tentativas de atacar suas presas, essas jovens lulas nunca foram rápidas o suficiente para capturar os velozes crustáceos.

Após várias semanas de tentativa e erro, eles finalmente se tornaram caçadores experientes de copépodes. Eles pararam de voar involuntariamente e aprenderam a se aproximar furtivamente dos copépodes e depois agarrá-los - uma técnica que nenhuma das lulas alimentadas com camarões jamais desenvolveu.

Claramente, os dois grupos experimentais aprenderam diferentes estilos de caça. Para determinar se o reflexo de fuga dos animais também havia mudado, Gilly e Preuss conectaram o sistema nervoso de cada lula a eletrodos em miniatura para comparar como os comedores de copépodes e camarões responderiam a um choque elétrico muito breve.

A análise do eletrodo revelou que, depois de apenas duas semanas, a maioria das lulas alimentadas com copépodes estava de fato disparando seus pequenos axônios primeiro, permitindo-lhes controlar sua resposta de escape automática. Sem essa habilidade importante, uma lula selvagem continuaria a disparar involuntariamente para trás toda vez que tentasse pegar uma refeição, reduzindo muito sua capacidade de capturar presas.

Era uma história diferente para as lulas alimentadas com camarão.

A eletranálise mostrou que, depois de oito semanas, a maioria dos comedores de camarão ainda estava disparando seus axônios gigantes primeiro, muito parecido com a lula recém-nascida. Eles não haviam aprendido a controlar a resposta de fuga involuntária e provavelmente estavam usando esse reflexo infantil para atacar sua presa.

"Além disso", dizem os autores, "quando mudados para uma dieta de copépodes, esses animais não mostram nenhum sinal de desenvolver a supressão do jato que é necessária para as capturas" - evidência de que o controle voluntário da propulsão a jato é de fato um comportamento que deve ser aprendido em uma idade precoce.

"A incapacidade da lula alimentada com camarão de dominar a captura de copépodes mais tarde na vida implica que há uma pequena janela de oportunidade durante as primeiras semanas após o nascimento, na qual o benefício pode ser derivado da experiência de tentativa e erro", acrescenta Gilly.

"Se a lula não aprender a controlar seu reflexo de fuga de sobressalto durante esse período crítico, ela parece perder a capacidade de programar seu sistema nervoso de uma forma que lhe permite realizar as sofisticadas habilidades de caça necessárias para sobreviver na natureza . "

Isso sugere que o processo de aprendizagem por tentativa e erro causa mudanças físicas reais nos neurônios da lula, diz Gilly.

Descobertas semelhantes foram feitas em vertebrados, incluindo pássaros, gatos e humanos.

Por exemplo, pesquisas com gatos e macacos recém-nascidos mostraram que a privação visual sensorial no início da vida leva à perda de neurônios específicos no cérebro que normalmente responderiam às imagens visuais perdidas durante o desenvolvimento.

Esses experimentos revelaram que existe um período crítico de tempo em que os efeitos da experiência aprendida são benéficos.

Mas, Gilly observa, se a experiência vier tarde demais, pode não adiantar nada.

"Este trabalho também apóia fortemente a ideia de que um ambiente sensorial rico é importante para o desenvolvimento normal do cérebro em humanos", aponta Gilly.

Ele diz que descobrir exatamente como uma experiência particular age para modificar neurônios específicos e garantir sua sobrevivência é um dos maiores desafios da neurociência hoje.

E é a anatomia única da lula que poderia permitir um avanço em nossa compreensão de como o aprendizado causa alterações físicas no cérebro.

"A simplicidade do sistema de axônio gigante da lula será vantajosa na identificação dos genes e substâncias químicas envolvidas em causar e manter essas mudanças celulares - até mesmo em pessoas", prevê Gilly.

"Desta forma, a deliciosa lula pode realmente ajudar a desvendar o segredo de como nossas próprias células cerebrais são modificadas pelas experiências da primeira infância e ajudar a explicar por que somos quem somos." SR

e copiar a Universidade de Stanford. Todos os direitos reservados. Stanford, CA 94305. (650) 723-2300.


Resultados

Falhas de condução em temperaturas moderadamente elevadas no cerebelo e hipocampo

Para detectar falhas de condução, gravamos potenciais de ação compostos (cAPs) de fibras cerebelares paralelas com dois eletrodos de registro posicionados em distâncias diferentes ao longo do caminho axonal (Fig. 1A). Sinais sinápticos rápidos foram bloqueados em todos os experimentos apresentados neste artigo (consulte Métodos). A elevação da temperatura do banho de 33 para 42 ° C reduziu as amplitudes de cAP em ambos os eletrodos (Fig. 1B). Os cAPs aumentaram novamente com a redução da temperatura para 33 ° C, mostrando que a queda de amplitude não foi causada por dano irreversível (fig. 1C).

A observação de que o cAP quase desapareceu nas temperaturas mais altas é provavelmente devido à falha na ativação ou na propagação dos picos. Para distinguir essas duas possibilidades, comparamos a redução da cAP proximal e distal (cAP-p e cAP-d, respectivamente). Os cAPs foram medidos como o DP da resposta em uma janela de tempo que delimitou o cAP em todas as temperaturas (área cinza nas Fig. 1B e G), e o ruído foi subtraído, detalhado em Métodos. Como o cAP-p era geralmente maior do que o cAP-d, nós os normalizamos para seus valores médios & lt37 ° C. Pudemos então ver que cAP-d caiu mais do que cAP-p em temperaturas & gt37 ° C (exibidos como valores logarítmicos de um experimento típico na Fig. 1D). A medição de cAP como amplitude de pico a pico (Fig.1E) dentro da janela cinza deu resultados semelhantes aos SD em amplitudes altas, mas devido ao melhor desempenho em amplitudes baixas, conforme explicado em Métodos, usamos SD para os experimentos restantes. A maior queda na amplitude do cAP-d, em relação ao cAP-p, em altas temperaturas também foi ilustrada pela normalização de ambos os cAPs para cAP-p (de modo que cAP-p tenha o valor pico a pico 1,0) em 35, 37 e 40 ° C (Fig. 1F). As fibras mielinizadas no alvéolo (fig. 1G) não apresentaram queda seletiva do cAP-d, quando comparadas ao cAP-p (fig. 1H). Isso sugere que as falhas de condução de temperatura eram específicas para axônios finos amielínicos.

A queda sensível à temperatura de cAP-d encontrada nas fibras amielínicas do cerebelo foi confirmada pela comparação de cAP-p e cAP-d em 78 experimentos de ratos de 10-25 dias de idade (média de 17,9 dias) em diferentes temperaturas. O aumento da temperatura reduziu todos os cAPs a valores muito pequenos (Fig. 2A), exibidos na Figura 2B como valores logarítmicos. Semelhante ao exemplo na Figura 1D, normalizamos cAP-p e cAP-d para suas temperaturas médias & lt37 ° C (Fig. 2C). A inspeção visual de cAP-p e cAP-d de todos os experimentos sugeriu que o aumento da temperatura reduziu cAP-d mais do que cAP-p (Fig. 2C).

Para avaliar se cAP-d caiu mais do que cAP-p, calculamos a razão cAP-d / cAP-p em uma faixa de temperaturas (Fig. 2D). A média dessas razões mostrou que o cAP-d caiu mais do que o cAP-p a temperaturas & gt39 ° C (primeiro bin de temperatura significativamente & lt 0, P = 0,013, era o bin 39-40 ° C). Esta queda de gravação distal preferencial (cAP-d) contrastou com a queda proporcional de cAP-p e cAP-d a temperaturas & lt39 ° C (valores em torno de zero no gráfico logarítmico na Fig. 2D) e sugeriu fortemente que alguns picos falharam em propagam-se entre os dois eletrodos de registro a temperaturas & gt39 ° C.

O efeito não foi isolado para os animais mais jovens porque os grupos de 10–14 e 17–25 dias de idade, ambos mostraram quedas significativas na razão cAP-d / cAP-p em altas temperaturas (Fig. 2D, à direita), embora o grupo mais jovem foi ligeiramente mais sensível à temperatura porque sua razão cAP-d / cAP-p caiu significativamente & gt39 ° C, enquanto o grupo mais velho caiu significativamente & gt40 ° C.

As falhas de condução sensíveis à temperatura podem ser típicas para axônios de substância cinzenta porque tais axônios no hipocampo também mostraram queda preferencial no eletrodo de registro distal, a temperaturas & gt38 ° C (Fig. 2E, idade média de 20,5 dias, n = 25), embora de menor magnitude do que nas fibras paralelas do cerebelo. Além disso, os axônios do SNC não mielinizados finos podem ser exclusivamente sensíveis à temperatura porque os axônios mielinizados do SNC (fibras do alvéolo do hipocampo) não mostraram sinais de falhas em temperaturas comparáveis ​​(Fig. 2F, idade média de 21,4 dias, n = 16).

O bloco de canais de K + sensíveis à voltagem reduziu as falhas induzidas pela temperatura

Uma das marcas registradas das falhas de condução é que o alargamento do pico, seja pela redução da temperatura ou por drogas, ajuda a superar algumas das falhas (Bostock et al. 1978 Westerfield et al. 1978 Swadlow et al. 1980). Testamos essa ideia usando 1 mmol / L de TEA na solução extracelular, mostrado para bloquear eficientemente os canais Kv3 rápidos (Rudy e McBain 2001) e também conhecido por ampliar o pico em fibras paralelas cerebelares (Sabatini e Regehr 1997 Matsukawa et al. 2003 Pekala et al. 2014). A Figura 3A apresenta dois experimentos típicos com limite de aproximadamente 2 ° C mais alto para falhas de condução quando exposto a TEA.

Em média, houve menos falhas de condução em 39,5 e 40,5 ° C com TEA do que sem (Fig. 3B). A média pode subestimar o efeito TEA porque a queda na razão cAP-d / cAP-p ocorreu a temperaturas ligeiramente diferentes em experimentos diferentes (como os dois ilustrados na Fig. 3A). Portanto, calculamos a diferença entre log (cAP-d / cAP-p) com e sem TEA nas experiências individuais. A média dessas diferenças de pares confirmou que TEA aumentou significativamente o limiar para falhas de condução em 39,5 e 40,5 ° C (Fig. 3C). Em temperatura mais alta (41,5 ° C), a variabilidade impediu uma significância clara (P = 0,053), o que pode ser devido ao fato de que a magnitude do cAP foi muito pequena, e também que as condições para a condução do pico se deterioraram além do resgate.

A descoberta de que 1 mmol / L de TEA reduziu a queda preferencial do eletrodo distal apóia a hipótese de que os canais de potássio sensíveis à voltagem (Kv) contribuíram para as falhas de condução observadas em altas temperaturas, embora TEA possa ter reduzido as falhas causadas por outros mecanismos também.

Os picos melhoram a fidelidade de condução dos seguintes picos?

Muitos axônios do SNC não mielinizados têm um pós-potencial despolarizante (DAP) que oferece uma explicação do período hiperexcitável após picos individuais em tais axônios (Gardner-Medwin 1972 Wigstrom e Gustafsson 1981 Palani et al. 2012). Portanto, testamos se o DAP poderia ajudar a propagação dos picos em altas temperaturas.

Repetimos o estímulo de fibra paralela quatro vezes com intervalos de 20 mseg, que está dentro da duração do DAP (Palani et al. 2012 Pekala et al. 2014) e dentro da faixa de frequências de disparo de células granulares in vivo (Eccles et al. 1966 Chadderton et al. 2004 Jorntell e Ekerot 2006). Com o aumento da temperatura, todos os quatro cAPs diminuíram. A primeira resposta nos eletrodos proximal e distal foi analisada previamente (Figs. 1 e 2) e mostrou que cAP-d caiu mais do que cAP-p em temperaturas & gt38,5 ° C, interpretadas como falhas de condução. Curiosamente, durante o trem de estímulos, observamos que o último cAP (cAP4) no trem diminuiu menos do que o primeiro cAP em temperaturas elevadas (cAP1, mostrado a 36 e 40 ° C na Fig. 4A de um experimento típico).

A queda reduzida de cAP4 em relação a cAP1 foi quantificada de forma semelhante à análise de cAP-p e cAP-d (detalhes em Métodos). Primeiro, normalizamos cAP1 e cAP4 para seus valores médios & lt37 ° C, mostrando que cAP1 caiu mais do que cAP4 a temperaturas & gt38 ° C (Fig. 4B, mesmo experimento que em A).

Traços de exemplo de 37, 38 e 40 ° C, normalizados para os valores pico a pico de cAP1 (Fig. 4C) mostram que em relação a cAP1, cAP4 era muito maior a 38 e 40 ° C, o que significa que cAP4 caiu menos do que cAP1 a essas temperaturas. Da mesma forma, a razão cAP4 / cAP1 mostrou que cAP4 diminuiu menos do que cAP1 a temperaturas & gt37 ° C (Fig. 4D). Em média, as razões cAP4 / cAP1 aumentaram significativamente a temperaturas de 37,5 a 41,5 ° C (Fig. 4E). Uma possível explicação para isso é que houve menos falhas de condução em cAP4 em comparação com cAP1 em altas temperaturas porque isso estava na faixa de temperatura em que as falhas de condução foram detectadas pela razão cAP-d / cAP-p (Fig. 2). Se assim for, seria de esperar que valores maiores de cAP4 / cAP1 estivessem associados aos valores menores de cAP-d / cAP-p, e mais ainda com o aumento da temperatura, exatamente como visto na Figura 4F (n = 78).

Teoricamente, a excitabilidade pode ter aumentado durante o trem de quatro estímulos devido ao acúmulo de K + extracelular. Se mais K + se acumulou em alta temperatura do que em baixa temperatura, isso pode oferecer uma explicação para a correlação sensível à temperatura mostrada na Figura 4F. No entanto, com base nos resultados descritos na seção a seguir, achamos isso improvável.

As mudanças de latência sugeriram um aumento da excitabilidade de curso de tempo constante e magnitude seguindo cada pico

Espera-se que um pico com um DAP acelere a condução do pico que segue em sua cauda. Isso foi exatamente o que observamos, as latências do segundo (Lat2), terceiro (Lat3) e quarto (Lat4) cAPs foram mais curtas do que a latência do primeiro (Lat1) cAP (intervalo = 20 mseg, a 37 ° C, Fig. . 5A e B). A latência reduzida já no Lat2 confirmou que os axônios eram mais excitáveis ​​após serem ativados uma vez (Gardner-Medwin 1972 Wigstrom e Gustafsson 1981 Soleng et al. 2004). Este efeito não se acumulou durante o trem, observado como sobreposição das três últimas respostas (Fig. 5A, à direita) e foi confirmado por redução semelhante de Lat2-4 em 20 experimentos (a 37 ° C, Lat2-4 foram: 85 ± 2%, 84 ± 1% e 84 ± 1% de Lat1, respectivamente, Fig. 5B).

Embora a latência para cada cAP fosse mais curta em temperaturas mais altas, as reduções relativas em Lat2-4 foram semelhantes (Fig. 5C). A 40 ° C, Lat2-4 foram 89 ± 3%, 91 ± 3% e 89 ± 3% de Lat1, respectivamente (todos P & lt 0,003). Lat2-4 não foram significativamente diferentes um do outro (todos P & gt 0.4, n = 20, dados não mostrados).

É improvável que tal redução muito estável de Lat2-4 seja devido a fatores que se acumulam com picos repetidos, como K + extracelular, a menos que a velocidade máxima já tenha sido alcançada em Lat2 (um “efeito teto”). Para testar o efeito teto, usamos diferentes intervalos de estímulos (10, 20 e 30 mseg). Descobrimos que a velocidade máxima não foi atingida porque os diferentes intervalos resultaram em diferentes mudanças de latência. Os valores médios de Lat2-4 foram diferentes, 82 ± 1%, 84 ± 1% e 89 ± 2% de Lat1, para intervalos de estímulo de 10, 20 e 30 mseg, respectivamente (Fig. 5D).

Nos intervalos mais longos (30 mseg), a redução da latência não foi apenas a menor, mas também teve a menor variabilidade entre Lat2-4 (Fig. 5E, coeficiente de variação 3,2 ± 0,8%, 2,0 ± 0,7%, 0,8 ± 0,2% em Intervalos de 10, 20 e 30 mseg, respectivamente). Isso é o oposto do que seria esperado por um efeito teto, que ocorreria na latência mais curta quando o axônio não pudesse conduzir mais rápido. Concluímos, portanto, que a latência reduzida foi devido a um processo de aumento da excitabilidade de curso e magnitude constantes no tempo, relativamente independente da atividade.

O DAP em fibras paralelas ajuda a propagar picos

Nossa hipótese era que o DAP axonal aumentou a excitabilidade após picos individuais e ajudou a condução na faixa de temperatura onde alguns axônios falharam. Para testar isso, ativamos eletricamente as fibras paralelas enquanto registramos picos antidrômicos do soma da célula granular. As células registradas foram consideradas células granulares com base em sua localização no estrato granuloso, ativação do estrato molecular com latência e sua alta resistência a injeções de corrente somática (Fig. 6A, média = 2,10 GΩ, SD = 0,72 GΩ, n = 14, semelhante a, por exemplo, Diwakar et al. 2009). A latência média entre o estímulo e o pico do pico foi de 2,00 mseg (SD = 1,39 mseg, n = 14, Fig. 6B, traços verdes).

50% de falhas de invasão na primeira resposta na seqüência de quatro estímulos. No exemplo apresentado, sete estímulos consecutivos de igual força deram cinco falhas e dois sucessos no primeiro estímulo. (D) Os mesmos traços de C, mas separados verticalmente para que o trem individual de quatro estímulos possa ser visto. Quando o pico foi detectado (total ou atenuado, neste exemplo, atenuado), os estímulos a seguir sempre provocaram um pico que se propagou longe o suficiente para ser detectado no soma. (E) A fração média de sucesso no primeiro estímulo em 16 experimentos (barra aberta). Quando havia uma falha no primeiro, segundo ou terceiro estímulo, a taxa de sucesso para o estímulo seguinte não aumentava (barras vermelhas). No entanto, quando um pico bem-sucedido foi detectado no soma no primeiro, segundo ou terceiro estímulo (barras azuis), quase sempre se seguiu um sucesso (apenas duas falhas após 1784 sucessos totais).

Em potenciais moderadamente hiperpolarizados (-72 mV, Fig. 6B, traços vermelhos) em comparação com o repouso (-66 mV, Fig. 6B, traços verdes), o componente rápido do pico desapareceu, provavelmente porque a condução do pico falhou a alguma distância do soma e o componente rápido foi atenuado pelo cabo axonal (Sheffield et al. 2011). Em potenciais ainda mais hiperpolarizados, também o componente lento desapareceu (-75 mV, Fig. 6B, traços cinza). Ajustamos o potencial somático para dar

50% de falhas. As respostas a estímulos idênticos mostraram comportamento tudo ou nada semelhante a um pico (traços vermelhos e cinza).

50% de falhas em uma força de estímulo constante, repetimos o estímulo quatro vezes e observamos que se o axônio conduzisse um pico, o estímulo seguinte sempre resultaria em um pico conduzido com sucesso (Fig. 6C e D). Ao contar as falhas e picos (incluindo picos atenuados, como os traços vermelhos em B), observamos 1216 falhas imediatamente após uma falha, mas apenas duas falhas imediatamente após 1784 picos propagados com sucesso (16 experimentos). Isso confirma que um pico bem-sucedido (completo ou atenuado) aumentou a chance de condução bem-sucedida para os picos seguintes.

A menos que tenha ocorrido uma condução bem-sucedida, a taxa de sucesso não aumentou durante o trem (barras vermelhas Fig. 6E). Isso significa que o K + extracelular ou outros efeitos de aumento da excitabilidade de axônios adjacentes ou outras células tiveram efeitos menores na excitabilidade em comparação com o forte efeito de um pico propagado com sucesso que aboliu quase todas as falhas no estímulo seguinte.

Uma explicação provável para o efeito de redução de falha de um único pico é que a despolarização residual (o DAP) deixada pelo pico anterior ajudou a superar regiões de baixa excitabilidade. O DAP pode, portanto, oferecer uma explicação para as amplitudes maiores de cAP no quarto estímulo em comparação com o primeiro na faixa de temperatura que induziu as falhas (Fig. 4).

Amplitude e forma de onda constantes do DAP

Para que o DAP seja uma explicação aceitável para a redução de latência muito semelhante em todos os três cAPs (Lat2-4, Fig. 5), o DAP precisaria ter uma amplitude relativamente constante em um determinado intervalo após cada pico, que iremos abordar nesta secção. Os DAPs intracelulares dos picos antidrômicos, medidos na decadência das respostas 1-4 imediatamente antes do estímulo seguinte (setas na Fig. 7A) foram muito semelhantes durante o trem de quatro estímulos (Fig. 7B, -57,0 ± 2,6, -56,7 ± 1,9, −54,7 ± 2,5 e 56,6 ± 2,7 mV). O SD do potencial de membrana desses quatro DAPs nos experimentos individuais foi de apenas 0,75 ± 0,11 mV em média para 14 experimentos. Essa baixa variabilidade no potencial de membrana pode explicar as reduções de latência semelhantes em cAP2–4 (Fig. 5).

Como o segmento inicial do axônio tem outras correntes de membrana, resistência axial e resistência de entrada do que mais partes distais (Kole e Stuart 2012), que teoricamente poderiam influenciar nossos DAPs registrados somaticamente, também registramos a forma de onda dos picos axonais longe do soma usando um método de lacuna de graxa miniaturizado (Palani et al. 2012).

Os registros de lacunas de graxa fornecem informações sobre as mudanças temporais da tensão transmembrana, mas não a verdadeira tensão. Portanto, para comparar os registros intracelulares e de lacuna de graxa, usamos uma medida que poderíamos obter de ambas as técnicas de registro, ou seja, a diferença entre a amplitude do DAP e a linha de base medida antes do primeiro estímulo (setas nas Fig. 7A e C). Para comparar a variabilidade do DAP registrada por diferentes técnicas em uma escala semelhante, normalizamos as amplitudes para o valor da primeira amplitude do DAP, tanto em registros intracelulares como em graxa-gap (Fig. 7D).

A variabilidade DAP entre as respostas 1–4, medida como coeficiente de variação (SD / média) foi de 0,095 ± 0,019 (n = 14) e 0,090 ± 0,011 (n = 23, P = 0,84, dados não mostrados) para as medições intracelulares e de lacuna de graxa, respectivamente. Essa semelhança entre a variação dos DAPs medidos intra-somática e pela técnica de grease-gap apóia a hipótese de que ambas as técnicas detectam características do DAP axonal. O fato de a variabilidade ser semelhante também sugere que os axônios podem ter uma variabilidade DAP de aproximadamente 0,75 mV, conforme registrado no soma, também mais distante do soma. Além disso, esses dados mostram que o DAP axonal foi relativamente resistente à atividade moderada (a repetição de quatro pontas).

Influência da temperatura no potencial de ação e potencial de membrana

Quando Hodgkin e Katz (1949) descreveram os efeitos da temperatura no pico de propagação no axônio gigante da lula, eles notaram que o aumento da temperatura causou uma pequena despolarização do potencial de membrana em repouso, mas um grande efeito de redução de amplitude e largura no pico. Isso os levou a concluir que a falha do pico não era simplesmente devido à perda de potencial de membrana, mas dependia de mecanismos específicos do pico.

Uma vez que ainda não foi possível medir o potencial de membrana diretamente em finos axônios corticais amielínicos, medimos o potencial de membrana em estado estacionário no soma usando registros de lacre apertado. No entanto, mudanças rápidas de voltagem no axônio, como o pico, provavelmente não são bem representadas no soma. Por exemplo, Kv10.1 está localizado quase exclusivamente no axônio e provavelmente influencia a repolarização do pico, mas nenhum efeito disso pode ser detectado por registros somáticos (Mortensen et al. 2015). Portanto, medimos a amplitude do cAP das fibras paralelas usando um método de lacuna de graxa (Palani et al. 2012). O potencial da membrana somática e o cAP registrado do gap de graxa serão influenciados pelo potencial da membrana axonal e pela amplitude do pico, respectivamente, embora mais qualificações sejam fornecidas na discussão.

Os resultados foram qualitativamente muito semelhantes aos de Hodgkin e Katz (1949) (Fig. 8A). Potencial de membrana despolarizado em 3% (0,97 ± 0,02, n = 8) a 40 ° C em comparação com seu valor a 37 ° C (potencial médio de membrana antes da normalização a 37 ° C = -66,0 ± 3,4 mV). Em contraste, o cAP de pico de lacuna de graxa diminuiu 37% (0,63 ± 0,06, n = 13) a 40 ° C em comparação com seu valor a 37 ° C.

Se o DAP ajuda a reduzir as falhas de propagação do pico durante temperaturas elevadas, como propomos, ele deve estar presente também nas temperaturas em que os axônios começam a falhar. Este foi realmente o caso, conforme mostrado pela forma média dos potenciais de nove registros de lacunas de graxa a 36 e 40 ° C, alinhados temporalmente em sua amplitude de pico (Fig. 8B).


Nível de atividade

Esta atividade é adequada para alunos do ensino médio e acima, que têm uma compreensão conceitual básica do que são um axônio e um potencial de ação. Visto que a eletrofisiologia é uma novidade para muitos alunos e os métodos são sensíveis ao ruído eletromagnético que pode facilmente confundir e frustrar os alunos, a observação atenta e a ajuda do professor durante os experimentos (especialmente durante a coleta de dados para o primeiro verme) é essencial (consulte Solução de problemas abaixo). Um professor pode achar útil fazer uma demonstração rápida de uma leitura de velocidade de condução no início da aula.


A base da compartimentação celular

Papel dos elementos de ação cis no direcionamento de RNA

A visão predominante agora é que as assimetrias estruturais e funcionais de vários fenótipos celulares são determinadas pela distribuição de RNAs para domínios subcelulares. Numerosos exemplos da importância da tradução de mRNAs específicos localizados para a função local foram descritos em células que variam de fibroblastos a neurônios (ver 8). Como uma das células mais altamente polarizadas, a tradução de mRNAs em domínios subcelulares específicos neuronais parece conferir sua funcionalidade regional característica. Sequências de nucleotídeos, referidas como ciselementos atuantes, localizados na UTR 3 ′ ou 5 ′ de mRNAs são responsáveis ​​pelo direcionamento a domínios celulares específicos (26).Embora haja pouca ou nenhuma homologia entre essas sequências, transproteínas de fator de ação (TAF) foram encontradas para se ligar cisde ação de mRNAs e, assim, formar RNPs. Eles foram encontrados associados a proteínas motoras moleculares, o que sugere que as últimas podem translocá-los ao longo das vias de transporte do citoesqueleto 7-9). Esse mecanismo pode mediar o direcionamento de mRNA de tau e mRNA de β-actina para axônios imaturos. o cisA região de ação do mRNA de tau tem uma sequência de 240 bp localizada no 3'UTR, que é ligada por HuD, uma proteína TAF (27). o cis a sequência de 54 nt atuando na 3 ′ UTR de β-actina, referida como o 'código postal', está ausente em outras isoformas de actina e é responsável pelo direcionamento específico para axônios em crescimento distal por ligação a ZBP1 (28). Acredita-se que o direcionamento de mRNA de β-actina e a tradução local em cones de crescimento sejam responsáveis ​​pelo enriquecimento de actina necessário para a motilidade do cone de crescimento durante o alongamento do axônio (28, 29). Uma sequência de 65 nt no 5′UTR do RNA BC1, um RNA citoplasmático neuronal não traduzido específico para o cérebro de roedores, demonstrou ser suficiente para direcionar ao axônio de Mauthner (30), apesar do fato de ser um transcrito heterólogo. Curiosamente, foi demonstrado que o RNA de BC1 atua como um repressor da tradução (9).

Papel dos fatores de ação trans na segmentação de RNA

As partículas de ribonucleoproteína variam em composição e incluem vários mRNAs, ribossomos, proteínas, outros componentes ainda não caracterizados, bem como proteínas motoras moleculares. Como tal, são considerados metabolicamente silenciosos (31). Entre as proteínas de ligação de mRNA que foram descritas estão mStaufen, família de proteínas Hu (consideradas estabilizadores de mRNA), FMRP (Fragile X Mental Retardation Protein) e ZBP1 (para revisão, ver 8). Proteínas TAF, como Pur α, mStaufen e FMRP, foram associadas a ribossomos, proteínas motoras moleculares KIF5A (cinesina I) e miosina Va, e ER na mesma partícula (32). Tau mRNA, HuD e KIF3A (uma subunidade de cinesina II) foram associados a microtúbulos em neurônios P19 em cultura e Tau mRNA com HuD em células PC-12, ambos dependendo de um elemento rico em uracil no 3′UTR (27 , 33). Até o momento, proteínas motoras moleculares, como Cinesinas I e II (27, 34) e miosina II e V (32, 35), foram propostas para mediar o tráfego de RNA em neurônios e outros tipos de células. No entanto, a única demonstração experimental de que uma proteína motora se liga ao mRNA via proteínas adaptadoras foi feita em leveduras (12). No último caso, a proteína de ligação She2p recruta o complexo Myo4p-She3p para ASH1 mRNA. O mecanismo pelo qual as proteínas adaptadoras se ligam aos mRNAs e interagem com as proteínas motoras moleculares apropriadas nos neurônios ainda precisa ser elucidado. Dada a variedade de isoformas de proteínas motoras moleculares e suas moléculas adaptadoras, é provável que mais combinações possíveis sejam descobertas que poderiam transportar carga de RNA.


O axônio gigante da lula é o axônio amielínico de condução mais rápida conhecido? - Biologia

Um axônio (do grego ἄξων '' áxōn '', eixo), ou fibra nervosa (ou fibra nervosa: veja diferenças de grafia), é uma projeção longa e delgada de uma célula nervosa, ou neurônio, em vertebrados, que normalmente conduz impulsos elétricos conhecido como potenciais de ação longe do corpo da célula nervosa. A função do axônio é transmitir informações a diferentes neurônios, músculos e glândulas. Em certos neurônios sensoriais (neurônios pseudounipolares), como aqueles para tato e calor, os axônios são chamados de fibras nervosas aferentes e o impulso elétrico viaja ao longo delas da periferia para o corpo celular e do corpo celular para a medula espinhal ao longo de outro ramo do mesmo axônio. A disfunção do axônio tem causado muitos distúrbios neurológicos herdados e adquiridos que podem afetar os neurônios periféricos e centrais. As fibras nervosas são classificadas em três tipos - fibras nervosas do grupo A, fibras nervosas do grupo B e fibras nervosas do grupo C. Os grupos A e B são mielinizados e o grupo C não mielinizados. Esses grupos incluem fibras sensoriais e fibras motoras. Outra classificação agrupa apenas as fibras sensoriais como Tipo I, Tipo II, Tipo III e Tipo IV. Um axônio é um dos dois tipos de saliências citoplasmáticas do corpo celular de um neurônio; o outro tipo é um dendrito. Os axônios são distinguidos dos dendritos por várias características, incluindo forma (os dendritos geralmente diminuem enquanto os axônios geralmente mantêm um raio constante), comprimento (os dendritos são restritos a uma pequena região ao redor do corpo celular, enquanto os axônios podem ser muito mais longos) e função (os dendritos recebem sinais, enquanto os axônios os transmitem). Alguns tipos de neurônios não têm axônios e transmitem sinais de seus dendritos. Em algumas espécies, os axônios podem emanar de dendritos conhecidos como dendritos portadores de axônios. Nenhum neurônio tem mais de um axônio, entretanto, em invertebrados como insetos ou sanguessugas, o axônio às vezes consiste em várias regiões que funcionam mais ou menos independentemente umas das outras. Os axônios são cobertos por uma membrana conhecida como axolema, o citoplasma de um axônio é chamado de axoplasma. A maioria dos axônios se ramifica, em alguns casos muito profusamente. Os ramos finais de um axônio são chamados de telodendria. A extremidade inchada de um telodendro é conhecida como o terminal do axônio, que se junta ao dendron ou corpo celular de outro neurônio, formando uma conexão sináptica. Os axônios fazem contato com outras células - geralmente outros neurônios, mas às vezes células musculares ou glandulares - em junções chamadas sinapses. Em algumas circunstâncias, o axônio de um neurônio pode formar uma sinapse com os dendritos do mesmo neurônio, resultando em uma autapse. Em uma sinapse, a membrana do axônio está intimamente ligada à membrana da célula-alvo, e estruturas moleculares especiais servem para transmitir sinais elétricos ou eletroquímicos através da lacuna. Algumas junções sinápticas aparecem ao longo do comprimento de um axônio à medida que ele se estende - são chamadas de sinapses '' en passant '' ("de passagem") e podem estar na casa das centenas ou mesmo nos milhares ao longo de um axônio. Outras sinapses aparecem como terminais nas extremidades dos ramos axonais. Um único axônio, com todos os seus ramos juntos, pode inervar várias partes do cérebro e gerar milhares de terminais sinápticos. Um feixe de axônios forma um trato nervoso no sistema nervoso central e um fascículo no sistema nervoso periférico. Nos mamíferos placentários, o maior trato de substância branca do cérebro é o corpo caloso, formado por cerca de 200 milhões de axônios no cérebro humano.

thumb | right | Um cérebro humano dissecado, mostrando grey_matter_and _ [[white_matter_.html "style =" text-decoration: none "class =" mw-redirect "title =" white_matter.html "style =" text-decoration: none "class = "mw-redirect" title> substância cinzenta e [[substância branca "> white_matter.html" style = "text-decoration: none" class = "mw-redirect" title> substância cinzenta e [[substância branca Axônios são os principais linhas de transmissão do [[sistema nervoso]], e como feixes eles formam [[nervos]] s. Alguns axônios podem se estender até um metro ou mais, enquanto outros se estendem por apenas um milímetro. Os axônios mais longos do corpo humano são os do [[nervo ciático]], que vão da base da medula espinhal ao dedão de cada pé. O diâmetro dos axônios também é variável. A maioria dos axônios individuais tem diâmetro microscópico (normalmente cerca de um micrômetro (µm) transversalmente). Os maiores axônios de mamíferos podem atingir um diâmetro de até 20 µm. O axônio gigante de lula, que é especializado para conduzir sinais muito rapidamente, está perto de 1 milímetro i diâmetro n, o tamanho de uma pequena grafite de lápis. O número de telodendria axonal (as estruturas ramificadas no final do axônio) também pode diferir de uma fibra nervosa para outra. Axônios no sistema nervoso central (SNC) geralmente mostram telodendria múltipla, com muitos pontos finais sinápticos. Em comparação, o axônio das células granulares cerebelares é caracterizado por um único nó de ramificação em forma de T a partir do qual duas fibras paralelas se estendem. A ramificação elaborada permite a transmissão simultânea de mensagens para um grande número de neurônios-alvo em uma única região do cérebro. Existem dois tipos de axônios no sistema nervoso: axônios mielinizados e amielínicos. A mielina é uma camada de uma substância isolante gordurosa, formada por dois tipos de células gliais: células de Schwann e oligodendrócitos. No sistema nervoso periférico, as células de Schwann formam a bainha de mielina de um axônio mielinizado. No sistema nervoso central, os oligodendrócitos formam a mielina isolante. Ao longo das fibras nervosas mielinizadas, lacunas na bainha de mielina conhecidas como nódulos de Ranvier ocorrem em intervalos uniformemente espaçados. A mielinização permite um modo especialmente rápido de propagação do impulso elétrico denominado condução saltatória. Os axônios mielinizados dos neurônios corticais formam a maior parte do tecido neural chamado matéria branca no cérebro. A mielina dá a aparência branca ao tecido em contraste com a matéria cinzenta do córtex cerebral que contém os corpos celulares neuronais. Um arranjo semelhante é visto no cerebelo. Feixes de axônios mielinizados constituem os tratos nervosos no SNC. Onde esses tratos cruzam a linha média do cérebro para conectar regiões opostas, eles são chamados de "comissuras". O maior deles é o corpo caloso que conecta os dois hemisférios cerebrais e tem cerca de 20 milhões de axônios. A estrutura de um neurônio consiste em duas regiões funcionais separadas, ou compartimentos - o corpo celular junto com os dendritos como uma região e a região axonal como a outra.

A região ou compartimento axonal inclui o outeirinho do axônio, o segmento inicial, o resto do axônio, a telodendria do axônio e os terminais do axônio. Também inclui a bainha de mielina. Os corpos de Nissl que produzem as proteínas neuronais estão ausentes na região axonal. As proteínas necessárias para o crescimento do axônio e a remoção de materiais residuais precisam de uma estrutura para o transporte. Este transporte axonal é fornecido no axoplasma por arranjos de microtúbulos e filamentos intermediários conhecidos como neurofilamentos.

O outeirinho do axônio é a área formada a partir do corpo celular do neurônio à medida que se estende para se tornar o axônio. Ele precede o segmento inicial. Os potenciais de ação recebidos que são somados no neurônio são transmitidos ao outeirinho do axônio para a geração de um potencial de ação a partir do segmento inicial.

O segmento axonal inicial (AIS) é um microdomínio do axônio estrutural e funcionalmente separado. Uma função do segmento inicial é separar a parte principal de um axônio do resto do neurônio, outra função é ajudar a iniciar os potenciais de ação. Ambas as funções suportam a polaridade da célula do neurônio, na qual os dendritos (e, em alguns casos, o soma) de um neurônio recebem sinais de entrada na região basal, e na região apical o axônio do neurônio fornece sinais de saída. O segmento inicial do axônio não é mielinizado e contém um complexo especializado de proteínas. Tem entre aproximadamente 20 e 60 µm de comprimento e funciona como o local de iniciação do potencial de ação. Tanto a posição no axônio quanto o comprimento do AIS podem mudar, mostrando um grau de plasticidade que pode ajustar a saída neuronal. Um AIS mais longo está associado a uma maior excitabilidade. A plasticidade também é observada na capacidade do AIS de alterar sua distribuição e de manter a atividade do circuito neural em um nível constante. O AIS é altamente especializado na condução rápida de impulsos nervosos. Isso é obtido por uma alta concentração de canais de sódio dependentes de voltagem no segmento inicial onde o potencial de ação é iniciado. Os canais iônicos são acompanhados por um grande número de moléculas de adesão celular e proteínas de suporte que os ancoram ao citoesqueleto. As interações com ankyrin G são importantes, pois é o principal organizador do AIS.

O axoplasma é o equivalente ao citoplasma da célula. Os microtúbulos se formam no axoplasma no outeirinho do axônio. Eles são dispostos ao longo do comprimento do axônio, em seções sobrepostas e todos apontam na mesma direção - em direção aos terminais do axônio. Isso é notado pelas terminações positivas dos microtúbulos. Este arranjo sobreposto fornece as rotas para o transporte de diferentes materiais do corpo celular. Estudos sobre o axoplasma mostraram o movimento de numerosas vesículas de todos os tamanhos que podem ser vistas ao longo dos filamentos do citoesqueleto - os microtúbulos e neurofilamentos, em ambas as direções entre o axônio e seus terminais e o corpo celular. O transporte anterógrado de saída do corpo celular ao longo do axônio carrega as mitocôndrias e as proteínas de membrana necessárias para o crescimento até o terminal do axônio. O transporte retrógrado de entrada transporta os resíduos celulares do terminal do axônio para o corpo celular. As trilhas de entrada e saída usam diferentes conjuntos de proteínas motoras. O transporte de saída é fornecido pela kinesin e o tráfego de retorno de entrada é fornecido pela dynein. Dynein é direcionado para o lado negativo. Existem muitas formas de proteínas motoras de cinesina e dineína, e acredita-se que cada uma carregue uma carga diferente. Os estudos sobre o transporte no axônio levaram à denominação de cinesina.

No sistema nervoso, os axônios podem ser mielinizados ou não mielinizados. Este é o fornecimento de uma camada isolante, chamada de bainha de mielina. A membrana de mielina é única em sua proporção relativamente alta de lipídios para proteínas. No sistema nervoso periférico, os axônios são mielinizados pelas células gliais conhecidas como células de Schwann. No sistema nervoso central, a bainha de mielina é fornecida por outro tipo de célula glial, o oligodendrócito. As células de Schwann mielinizam um único axônio. Um oligodendrócito pode mielinizar até 50 axônios. A composição da mielina é diferente nos dois tipos. No SNC, a principal proteína da mielina é a proteína proteolipídica e no SNP é a proteína básica da mielina.

Os nós de Ranvier (também conhecidos como "lacunas da bainha de mielina") são segmentos curtos amielínicos de um axônio mielinizado, que são encontrados periodicamente intercalados entre os segmentos da bainha de mielina. Portanto, no ponto do nó de Ranvier, o axônio é reduzido em diâmetro. Esses nós são áreas onde os potenciais de ação podem ser gerados. Na condução saltatória, as correntes elétricas produzidas em cada nó de Ranvier são conduzidas com pouca atenuação até o próximo nó da linha, onde permanecem fortes o suficiente para gerar outro potencial de ação. Assim, em um axônio mielinizado, os potenciais de ação efetivamente "saltam" de nodo em nodo, contornando os trechos mielinizados intermediários, resultando em uma velocidade de propagação muito mais rápida do que até mesmo o axônio não mielinizado mais rápido pode sustentar.

Um axônio pode se dividir em muitos ramos chamados telodendria (grego - extremidade da árvore). No final de cada telodendro está um terminal de axônio (também chamado de botão sináptico ou botão terminal). Terminais de axônio contêm vesículas sinápticas que armazenam o neurotransmissor para liberação na sinapse. Isso possibilita várias conexões sinápticas com outros neurônios. Às vezes, o axônio de um neurônio pode fazer sinapse com os dendritos do mesmo neurônio, quando isso é conhecido como autapso.

A maioria dos axônios carrega sinais na forma de potenciais de ação, que são impulsos eletroquímicos discretos que viajam rapidamente ao longo de um axônio, começando no corpo celular e terminando em pontos onde o axônio faz contato sináptico com as células-alvo. A característica definidora de um potencial de ação é que ele é "tudo ou nada" - todo potencial de ação que um axônio gera tem essencialmente o mesmo tamanho e forma. Essa característica de tudo ou nada permite que os potenciais de ação sejam transmitidos de uma extremidade de um longo axônio para a outra sem qualquer redução no tamanho. Existem, no entanto, alguns tipos de neurônios com axônios curtos que carregam sinais eletroquímicos graduados, de amplitude variável. Quando um potencial de ação atinge um terminal pré-sináptico, ele ativa o processo de transmissão sináptica. A primeira etapa é a rápida abertura dos canais de íons de cálcio na membrana do axônio, permitindo que os íons de cálcio fluam para dentro através da membrana. O aumento resultante na concentração de cálcio intracelular causa vesículas sinápticas (minúsculos recipientes fechados por uma membrana lipídica) preenchidos com um neurotransmissor químico para se fundir com a membrana do axônio e esvaziar seu conteúdo no espaço extracelular. O neurotransmissor é liberado do nervo pré-sináptico por meio de exocitose. O neurotransmissor químico então se difunde através dos receptores localizados na membrana da célula-alvo. O neurotransmissor se liga a esses receptores e os ativa. Dependendo do tipo de receptores que são ativados, o efeito na célula-alvo pode ser excitar a célula-alvo, inibi-la ou alterar seu metabolismo de alguma forma. Toda essa sequência de eventos geralmente ocorre em menos de um milésimo de segundo. Posteriormente, dentro do terminal pré-sináptico, um novo conjunto de vesículas é movido para a posição próxima à membrana, pronto para ser liberado quando o próximo potencial de ação chegar. O potencial de ação é a etapa elétrica final na integração das mensagens sinápticas na escala do neurônio. Registros extracelulares da propagação do potencial de ação em axônios foram demonstrados em animais que se movem livremente. Embora os potenciais de ação somática extracelular tenham sido usados ​​para estudar a atividade celular em animais que se movem livremente, como células de lugar, a atividade axonal na substância branca e cinzenta também pode ser registrada. Os registros extracelulares da propagação do potencial de ação do axônio são distintos dos potenciais de ação somáticos de três maneiras: 1. O sinal tem uma duração de pico-vale mais curta (

150μs) do que de células piramidais (

250μs). 2. A mudança de tensão é trifásica. 3. A atividade gravada em um tetrodo é vista em apenas um dos quatro fios de gravação. Em gravações de ratos em movimento livre, os sinais axonais foram isolados em tratos de substância branca, incluindo o alvéolo e o corpo caloso, bem como substância cinzenta do hipocampo. Na verdade, a geração de potenciais de ação in vivo é sequencial por natureza, e esses picos sequenciais constituem os códigos digitais nos neurônios. Embora estudos anteriores indiquem uma origem axonal de um único pico evocado por pulsos de curto prazo, os sinais fisiológicos in vivo desencadeiam o início de picos sequenciais nos corpos celulares dos neurônios. Além de propagar potenciais de ação para os terminais axonais, o axônio é capaz de amplificar os potenciais de ação, o que garante uma propagação segura dos potenciais de ação sequenciais em direção ao terminal axonal. Em termos de mecanismos moleculares, os canais de sódio dependentes de voltagem nos axônios possuem limiar inferior e período refratário mais curto em resposta a pulsos de curto prazo.

O desenvolvimento do axônio até seu alvo é um dos seis principais estágios do desenvolvimento geral do sistema nervoso. Estudos feitos em cultura de neurônios do hipocampo sugerem que os neurônios inicialmente produzem vários neuritos que são equivalentes, mas apenas um desses neuritos está destinado a se tornar o axônio. Não está claro se a especificação do axônio precede o alongamento do axônio ou vice-versa, embora evidências recentes apontem para o último. Se um axônio que não está totalmente desenvolvido for cortado, a polaridade pode mudar e outros neuritos podem potencialmente se tornar o axônio. Essa alteração de polaridade ocorre apenas quando o axônio é cortado pelo menos 10 μm mais curto do que os outros neuritos.Depois que a incisão é feita, o neurito mais longo se tornará o futuro axônio e todos os outros neuritos, incluindo o axônio original, se transformarão em dendritos. A imposição de uma força externa a uma neurite, fazendo com que ela se alongue, fará com que ela se torne um axônio. No entanto, o desenvolvimento axonal é alcançado por meio de uma interação complexa entre a sinalização extracelular, a sinalização intracelular e a dinâmica do citoesqueleto.

Os sinais extracelulares que se propagam através da matriz extracelular ao redor dos neurônios desempenham um papel importante no desenvolvimento axonal. Essas moléculas de sinalização incluem proteínas, fatores neurotróficos e matriz extracelular e moléculas de adesão. A netrina (também conhecida como UNC-6), uma proteína secretada, atua na formação de axônios. Quando o receptor de netrina UNC-5 sofre mutação, vários neuritos são projetados irregularmente para fora dos neurônios e, finalmente, um único axônio é estendido anteriormente. Neuroglia e neurônios pioneiros expressam UNC-6 para fornecer pistas de netrina globais e locais para orientar as migrações em '' C. elegans '' Os fatores neurotróficos - fator de crescimento do nervo (NGF), fator neurotrófico derivado do cérebro (BDNF) e neurotrofina-3 (NTF3) também estão envolvidos no desenvolvimento do axônio e se ligam aos receptores Trk. A gangliosídeo da enzima conversora de gangliosídeo sialidase da membrana plasmática (PMGS), que está envolvida na ativação de TrkA na ponta dos neutritos, é necessária para o alongamento dos axônios. PMGS se distribui assimetricamente até a ponta da neurite que está destinada a se tornar o futuro axônio.

Durante o desenvolvimento axonal, a atividade de PI3K é aumentada na ponta do axônio de destino. A interrupção da atividade de PI3K inibe o desenvolvimento axonal. A ativação de PI3K resulta na produção de fosfatidilinositol (3,4,5) -trisfosfato (PtdIns), que pode causar alongamento significativo de uma neurita, convertendo-a em um axônio. Como tal, a superexpressão de fosfatases que desfosforilam PtdIns leva à falha de polarização.

A neurita com o menor conteúdo de filamentos de actina se tornará o axônio. A concentração de PGMS e o conteúdo de f-actina são inversamente correlacionados quando PGMS fica enriquecido na ponta de uma neurite, seu conteúdo de f-actina é substancialmente diminuído. Além disso, a exposição a drogas despolimerizantes de actina e toxina B (que inativa a sinalização Rho) causa a formação de múltiplos axônios. Conseqüentemente, a interrupção da rede de actina em um cone de crescimento fará com que sua neurita se torne o axônio.

Os axônios em crescimento se movem através de seu ambiente por meio do cone de crescimento, que fica na ponta do axônio. O cone de crescimento tem uma extensão larga em forma de folha chamada lamelipódio, que contém saliências chamadas filopódios. Os filópodes são o mecanismo pelo qual todo o processo adere às superfícies e explora o ambiente circundante. A actina desempenha um papel importante na mobilidade deste sistema. Ambientes com altos níveis de moléculas de adesão celular (CAMs) criam um ambiente ideal para o crescimento axonal. Isso parece fornecer uma superfície "pegajosa" para o crescimento dos axônios. Exemplos de CAMs específicos para sistemas neurais incluem N-CAM, TAG-1 - uma glicoproteína axonal - e MAG, todos os quais fazem parte da superfamília das imunoglobulinas. Outro conjunto de moléculas chamadas moléculas de adesão à matriz extracelular também fornecem um substrato pegajoso para o crescimento dos axônios. Exemplos dessas moléculas incluem laminina, fibronectina, tenascina e perlecan. Alguns deles estão ligados à superfície das células e, portanto, atuam como atrativos ou repelentes de curto alcance. Outros são ligantes difusíveis e, portanto, podem ter efeitos de longo alcance. As células chamadas células-guia auxiliam na orientação do crescimento dos axônios neuronais. Essas células que ajudam na orientação dos axônios são normalmente outros neurônios que às vezes são imaturos. Quando o axônio completa seu crescimento em sua conexão com o alvo, o diâmetro do axônio pode aumentar em até cinco vezes, dependendo da velocidade de condução necessária. Também foi descoberto por meio de pesquisas que se os axônios de um neurônio fossem danificados, desde que o soma (o corpo celular de um neurônio) não fosse danificado, os axônios se regenerariam e refariam as conexões sinápticas com os neurônios com a ajuda de um guia células. Isso também é conhecido como neurorregeneração. Nogo-A é um tipo de componente inibidor de crescimento de neurite que está presente nas membranas de mielina do sistema nervoso central (encontrado em um axônio). Tem um papel crucial na restrição da regeneração axonal no sistema nervoso central de mamíferos adultos. Em estudos recentes, se Nogo-A for bloqueado e neutralizado, é possível induzir a regeneração axonal de longa distância que leva ao aumento da recuperação funcional em ratos e na medula espinhal de camundongo. Isso ainda precisa ser feito em humanos. Um estudo recente também descobriu que macrófagos ativados por meio de uma via inflamatória específica ativada pelo receptor Dectina-1 são capazes de promover a recuperação do axônio, porém causando também neurotoxicidade no neurônio.

Os axônios variam muito em comprimento, de alguns micrômetros a metros em alguns animais. Isso enfatiza que deve haver um mecanismo de regulação do comprimento celular permitindo aos neurônios sentir o comprimento de seus axônios e controlar seu crescimento de acordo. Foi descoberto que as proteínas motoras desempenham um papel importante na regulação do comprimento dos axônios. Com base nessa observação, os pesquisadores desenvolveram um modelo explícito para o crescimento axonal, descrevendo como as proteínas motoras podem afetar o comprimento do axônio no nível molecular. Esses estudos sugerem que as proteínas motoras carregam moléculas de sinalização do soma para o cone de crescimento e vice-versa, cuja concentração oscila no tempo com uma frequência dependente do comprimento.

Diferentes receptores sensoriais inervam diferentes tipos de fibras nervosas. Os proprioceptores são inervados pelas fibras sensoriais do tipo Ia, Ib e II, os mecanorreceptores pelas fibras sensoriais do tipo II e III e os nociceptores e termorreceptores pelas fibras sensoriais do tipo III e IV.

Em ordem de grau de gravidade, a lesão de um nervo pode ser descrita como neurapraxia, axonotmese ou neurotmese. A concussão é considerada uma forma leve de lesão axonal difusa. A lesão axonal também pode causar cromatólise central. A disfunção dos axônios no sistema nervoso é uma das principais causas de muitos distúrbios neurológicos hereditários que afetam os neurônios periféricos e centrais. Quando um axônio é esmagado, um processo ativo de degeneração axonal ocorre na parte do axônio mais distante do corpo celular. Essa degeneração ocorre rapidamente após a lesão, com a parte do axônio sendo vedada nas membranas e dividida por macrófagos. Isso é conhecido como degeneração Walleriana. Trauma e degeneração walleriana
, Universidade da Califórnia, São Francisco A morte por causa de um axônio também pode ocorrer em muitas doenças neurodegenerativas, particularmente quando o transporte axonal está prejudicado, isso é conhecido como degeneração do tipo Walleriana. Estudos sugerem que a degeneração ocorre em decorrência da proteína axonal NMNAT2, sendo impedida de atingir todo o axônio. A desmielinização dos axônios causa a multiplicidade de sintomas neurológicos encontrados na esclerose múltipla da doença. A dismielinização é a formação anormal da bainha de mielina. Isso está implicado em várias leucodistrofias e também na esquizofrenia. Uma lesão cerebral traumática grave pode resultar em lesões generalizadas nos tratos nervosos, danificando os axônios em uma condição conhecida como lesão axonal difusa. Isso pode levar a um estado vegetativo persistente. Foi demonstrado em estudos com ratos que o dano axonal de uma única lesão cerebral traumática leve pode deixar uma suscetibilidade a danos adicionais, após lesões cerebrais traumáticas leves repetidas. Um conduto de orientação do nervo é um meio artificial de guiar o crescimento do axônio para permitir a neurorregeneração e é um dos muitos tratamentos usados ​​para diferentes tipos de lesão nervosa.

O anatomista alemão Otto Friedrich Karl Deiters é geralmente creditado com a descoberta do axônio, distinguindo-o dos dendritos. O suíço Rüdolf Albert von Kölliker e o alemão Robert Remak foram os primeiros a identificar e caracterizar o segmento inicial do axônio. Kölliker nomeou o axônio em 1896. Louis-Antoine Ranvier foi o primeiro a descrever as lacunas ou nódulos encontrados nos axônios e, por essa contribuição, essas características axonais são agora comumente chamadas de nódulos de Ranvier. Santiago Ramón y Cajal, um anatomista espanhol, propôs que os axônios eram os componentes de saída dos neurônios, descrevendo sua funcionalidade. Joseph Erlanger e Herbert Gasser desenvolveram anteriormente o sistema de classificação para fibras nervosas periféricas, com base na velocidade de condução axonal, mielinização, tamanho da fibra etc. Alan Hodgkin e Andrew Huxley também empregaram o axônio gigante de lula (1939) e em 1952 eles haviam obtido um quantitativo completo descrição da base iônica do potencial de ação, levando à formulação do modelo de Hodgkin-Huxley. Hodgkin e Huxley foram agraciados com o Prêmio Nobel por este trabalho em 1963. As fórmulas detalhando a condutância axonal foram estendidas aos vertebrados nas equações de Frankenhaeuser-Huxley. A compreensão da base bioquímica para a propagação do potencial de ação avançou ainda mais e inclui muitos detalhes sobre canais de íons individuais.


Estimulação e velocidade do potencial de ação

Evocamos um potencial de ação simulando uma injeção de corrente em uma extremidade do axônio do modelo. Geralmente, injeções de cerca de 10 μA para 100 μs foram suficientes, embora para alguns valores dos parâmetros biofísicos injeções maiores fossem necessárias. Após uma breve fase inicial, as propriedades dos potenciais de ação resultantes não dependem dos detalhes de sua produção.

As velocidades do potencial de ação simulado foram determinadas a partir dos momentos em que uma polarização particular da frente de onda passou por dois pontos diferentes ao longo do axônio do modelo. Escolhemos esses pontos a 5 e 8 cm do local de injeção da corrente simulada, momento em que todos os potenciais de ação investigados já haviam se estabilizado em forma e velocidade.


Materiais e métodos

Preparação animal

Os experimentos foram realizados em gafanhotos machos adultos (Locusta migratoria) com idades entre 2–5 semanas após sua muda final. Eles foram criados em uma colônia mantida na Queen's University com fotoperíodo de 12h: 12h. Os animais foram alimentados com grama de trigo e uma mistura de farelo, leite em pó desnatado e fermento diariamente. As temperaturas da gaiola foram elevadas acima da temperatura ambiente (25 ° C) a 30 ° C usando lâmpadas incandescentes de 60 W durante o ciclo de luz.

Os gafanhotos foram dissecados conforme descrito anteriormente (Robertson e Pearson 1982). Resumidamente, os animais foram abertos para expor os gânglios meso e metatorácicos e uma placa de metal foi colocada sob os gânglios torácicos para melhorar a estabilidade. Solução salina de alfarroba banhava os gânglios torácicos e era composta por (em mmol / L): 147 NaCl, 10 KCl, 4 CaCl2, 3 NaOH e 10 HEPES. As raízes nervosas foram cortadas perto do gânglio mesotorácico para permitir a administração da droga e um fio de prata clorado foi colocado no abdômen e aterrado (Fig. 1A).

Registro eletrofisiológico

Para experimentos com temperatura controlada, fluimos continuamente solução salina aquecida para a cavidade torácica usando uma bomba peristáltica (Peri-star) e um controlador de temperatura proporcional (Scientific Systems Design). Um termômetro BAT-12 (PhysiTemp) foi conectado a um fio termopar tipo T de diâmetro

0,3 mm e foi usado para monitorar a temperatura da solução salina colocando o termopar próximo ao gânglio mesotorácico.

Eletrodos de sucção de vidro foram colocados na superfície dorso-medial do conectivo entre os gânglios pró e mesotorácicos e entre os gânglios meso e metatorácicos. Os sinais foram amplificados e filtrados usando um AM-Systems AC Differential Amplifier modelo 1700 e digitalizados com um digitalizador Axon Instruments Digidata 1440A. As gravações foram feitas com AxoScope 10.3 (Molecular Devices) e foram analisadas usando o módulo Clampfit do software pClamp 10.2 (Molecular Devices). A atividade de DCMD foi facilmente distinguida do pico de fundo no conectivo por sua grande amplitude de pico e sua resposta robusta a estímulos visuais (gravação extracelular na Fig. 1B).

Eletrodos intracelulares foram retirados do vidro de borossilicato e preenchidos com KCl 3 mol / L, dando-lhes uma resistência de ponta entre 20 e 40 MΩ. As gravações foram amplificadas e filtradas com um amplificador AM-Systems Neuroprobe modelo 1600 e digitalizadas a 83 kHz por um Digidata 1440A. O deslocamento DC do amplificador foi zerado em relação ao banho antes da penetração de DCMD e a penetração foi feita apenas caudal ao gânglio mesotorácico na superfície dorso-medial (Fig. 1A). A temperatura foi mantida a 35 ° C e o potencial de membrana em repouso foi fixado em -65 mV, próximo ao potencial de membrana em repouso natural para o DCMD a 35 ° C (Money et al. 2005) permitindo comparações dos parâmetros de AP.

Farmacologia

Todos os produtos químicos usados ​​foram obtidos na Sigma-Aldrich Canada. Para experimentos de cádmio e níquel, 10 mmol / L de CdCl2 ou NiCl2 em solução salina de alfarroba padrão foi aplicada por 50 min ou até a falha de condução. Escolhemos uma concentração tão alta de cátions divalentes para garantir a entrega oportuna, já que as raízes nervosas cortadas que facilitam a entrega da droga são pequenas e residem na periferia do gânglio, enquanto o DCMD atravessa a superfície medial. Aplicações de banho mais longas não são ideais, particularmente com gravações intracelulares que duram apenas

15-20 min quando a preparação é exposta a cátions divalentes.

Usamos dois tipos de solução salina livre de cálcio, ambas eram solução salina padrão para alfarroba sem cálcio, no entanto, uma continha 4 mmol / L adicional de MgCl2 para manter a concentração de cátions divalentes. A solução salina com alto teor de cálcio teve um adicional de 4 mmol / L de CaCl2 adicionado à solução salina padrão para dobrar a concentração de cálcio. Em todos os experimentos, um registro inicial da atividade de DCMD foi feito antes da exposição e a cada 5 minutos depois disso.

Em experimentos TTX (tetrodotoxina), TTX foi dissolvido em tampão de ácido acético a 1% com um pH de 4,75 para produzir uma concentração de 300 nmol / L.

Análise de dados

A análise das medidas extracelulares incluiu a frequência instantânea dos PAs determinada pelo intervalo entre os picos e a VC, que é proporcional ao recíproco do tempo gasto para viajar do eletrodo anterior para o posterior. Os CVs foram calculados em relação ao primeiro PA na gravação para controlar uma ligeira variação na distância entre os eletrodos. As métricas usadas para analisar as gravações intracelulares foram extraídas por scripts Python personalizados usando a biblioteca StimFit (Guzman et al. 2014).

Ao comparar grupos múltiplos, usamos uma ANOVA unilateral com comparações múltiplas pareadas de Holm-Sidak ou ANOVA unilateral em Ranks com comparações múltiplas pareadas do método Student-Neuman-Keuls. Ao comparar vários grupos ao longo do tempo, usamos uma ANOVA de duas vias ou uma ANOVA de medidas repetidas de duas vias (RM) com comparações múltiplas em pares de Holm-Sidak. Os testes estatísticos foram concluídos com SigmaPlot 11.0 (Systat Software) e a significância foi definida como P & lt 0,05. Os dados são relatados como média ± erro padrão (SE) para dados normalmente distribuídos ou mediana (Mdn) e intervalo interquartil (IQR) para dados não paramétricos.

Significado estatístico (P & lt 0,05) em gráficos é denotado por uma letra. Colunas com letras diferentes indicam grupos estatisticamente diferentes, enquanto colunas com a mesma letra não são significativamente diferentes.

Modelo de compartimento único

Usamos um modelo básico cuja cinética atual foi descrita por Wang (1998) e que foi usado anteriormente para descrever o axônio LGMD (Peron e Gabbiani 2009). Modificamos o modelo incluindo apenas o sódio transiente, o potássio retificador retardado e as correntes de fuga. Alteramos o potencial de reversão para a corrente de sódio (VN / D) para 45 mV para melhor ajustar os dados experimentais e alterou a condutância de fuga 0,3 mS / cm 2, conforme explicado na seção de resultados. Também evoluímos temporariamente o portão de ativação do sódio , onde m é o portão de ativação, e τm = 1/(αm + βm) em oposição a Wang (1998), que assumiu . Funções para αm e βm são idênticos aos de Wang (1998).

Incluímos uma corrente de sódio persistente Onde GSesta é a condutância de sódio persistente definida para 0,2 ou 0,3 mS / cm 2, Vm é o potencial de membrana, e mp é a porta de ativação que evoluiu de forma semelhante à corrente transitória de sódio mencionada anteriormente. Foi governado pelo valor de estado estacionário do portão de ativação (Smith et al. 1998) e constante de tempo tp = 1 mseg (Chatelier et al. 2010).

Também incluímos simulações em que adicionamos uma corrente ressurgente de sódio ao nosso modelo básico (sem corrente persistente de sódio) euNar = GNar mr hr(VmVN / D) Onde GNar é a condutância de sódio ressurgente definida para 1,0 ou 1,5 mS / cm 2, mr e hr são a porta de ativação e inativação, respectivamente. As cinéticas para a porta de ativação e inativação são de D'Angelo et al. (2001).

(1)

Para testar a fidelidade dependente da frequência, o compartimento único foi estimulado com um 150 µCorrente A / cm 2 por 0,2 seg por 100 picos.

Modelo multicompartimento

(2)

Estimulamos o primeiro compartimento no modelo com uma injeção de corrente de 500 µA / cm 2 por 0,2 ms para eliciar APs. O padrão de tempo para o estímulo foi produzido a partir da atividade DCMD de 8 gafanhotos em resposta a um estímulo visual iminente.


Geoffrey Thomas


1. Quando um axônio gigante de lula é fixado em tensão a 0 mV, uma breve corrente de entrada é necessária para manter o potencial de membrana. Uma corrente de saída é então necessária para a duração da fixação. Quais íons, movendo-se em quais direções, são responsáveis ​​por tal comportamento?


2. Por que alguém não observaria nenhuma corrente interna inicial quando um axônio gigante de lula está com tensão de 50 mV? Além disso, por que a corrente de saída é observada antes da corrente de saída esperada devido ao efluxo de potássio atrasado quando o mesmo axônio é fixado a 75 mV?


3. Na figura 3.8, por que o pico de condutância do sódio é mais rápido, tem vida mais curta e é maior que o do potássio?


4. l = & Ouml [rm / (r0 + ri)] é a equação para determinar a constante de comprimento de um axônio. Defina cada uma das variáveis ​​e identifique as propriedades dos axônios que afetam os valores das variáveis ​​rm e ri.


5. Os canais dependentes de voltagem presentes nos axônios mielinizados são encontrados nos nódulos de Ranvier. Existem canais dependentes de voltagem nas porções mielinizadas dos axônios? Por que ou por que não? Nesse contexto, como a esclerose múltipla pode afetar a capacidade do axônio de propagar potenciais de ação?


6. Por que a propagação do potencial de ação é unidirecional?


7. Gravações de dentro para fora e de fora para fora com patch clamps permitem ao pesquisador observar as propriedades de diferentes domínios de uma proteína de canal de membrana. A quais regiões esses dois domínios são normalmente expostos? Por que devemos entender as propriedades dos poros externos e internos de uma proteína de canal?


8Da figura 4.1, por que as correntes do patch clamp nos canais de sódio têm vida tão curta e logo após a aplicação do clamp? Por outro lado (figura 4.2), por que as correntes de saída associadas aos canais de potássio são prolongadas e retardadas?


9. Qual é a diferença conformacional entre um canal de sódio ativado por voltagem fechado e um canal de sódio ativado por voltagem inativado? O que causa a abertura de um canal fechado? O que faz com que um canal inativado esteja novamente pronto para a atividade?


10. Qual é a região de uma proteína de canal que determina qual íon será chamado de transporte? Por que um íon com um raio iônico maior não pode passar por essa região? Além disso, por que um íon de raio iônico menor não passará?


11. Qual característica do domínio do sensor de voltagem de uma proteína de canal controlada por voltagem permite que o canal responda às mudanças no potencial de membrana? Quais respostas, em termos de domínio do sensor de voltagem e em termos de poros do canal, são eliciadas como resultado da despolarização da membrana?


12. Qual é o defeito nos canais de sódio dependentes de voltagem axonal que leva a convulsões em pacientes afetados com GEFS? Por que esse defeito causa convulsões?


Assista o vídeo: Lula COLOSSAL VS TUBARÃO da Groelândia DESCUBRA quem VENCE (Dezembro 2022).