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Modélisation des membranes biologiques avec des cartes de circuits et la mesure des signaux électriques dans les axones: Exercices de laboratoire étudiant

1, 1, 2, 1

1Department of Biology, University of Kentucky, 2Department of Physiology, University of Toronto

 

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Cite this Article: Modélisation des membranes biologiques avec des cartes de circuits et la mesure des signaux électriques dans les axones: Exercices de laboratoire étudiant

Robinson, M. M., Martin, J. M., Atwood, H. L., Cooper, R. L. Modeling Biological Membranes with Circuit Boards and Measuring Electrical Signals in Axons: Student Laboratory Exercises. J. Vis. Exp. (47), e2325, doi:10.3791/2325 (2011).

Abstract: Modélisation des membranes biologiques avec des cartes de circuits et la mesure des signaux électriques dans les axones: Exercices de laboratoire étudiant

Ceci est une démonstration de la façon dont les modèles électriques peuvent être utilisées pour caractériser les membranes biologiques. Cet exercice introduit également la terminologie utilisée dans biophysiques électrophysiologie. Le même équipement est utilisé dans le modèle de la membrane que sur les préparatifs en direct. Certaines propriétés d'un cordon nerveux isolés sont étudiés: les potentiels d'action nerveux, le recrutement des neurones, et la réactivité de la corde nerveuse à des facteurs environnementaux.

Discussion: Modélisation des membranes biologiques avec des cartes de circuits et la mesure des signaux électriques dans les axones: Exercices de laboratoire étudiant

Notre objectif dans la présentation vidéo en ligne et ce document est de démontrer que les propriétés biophysiques des cellules peuvent, en partie, être modélisée comme des circuits électriques. En outre, avec le tissu neural en direct qui est relativement facile à obtenir, les principes fondamentaux de la vitesse de conduction, les périodes réfractaires et les techniques d'enregistrement électrophysiologiques sont possibles pour les laboratoires étudiant de premier cycle avec un investissement modeste de l'équipement. Les thèmes et les paradigmes fondamentaux présentés peuvent être facilement modifiées pour les besoins de différents cours.

Entretien des écrevisses et leur abondance rend les modèles attrayants pour les étudiants-conduit l'expérimentation. Crustacés cordons nerveux ventraux sont généralement robustes et de conserver l'intégrité physiologique dans une solution saline minimale pendant des heures, ce qui est suffisant pour un laboratoire étudiant trois heures.

Étant donné que certains des axones grande dans le VNC de l'écrevisse sont connectés via des jonctions, l'expérimentation supplémentaire sur leur contribution peut être effectuée, et des propriétés différentes de celles trouvées dans la préparation du nerf sciatique de grenouille norme peut être démontrée. Le nerf sciatique est un modèle classique pour aborder les potentiels d'action composés et des propriétés de conduction. Il pourrait même être une expérience intéressante comparée aux étudiants de comparer les propriétés de conduction, le recrutement axone, et les périodes réfractaires entre ces deux préparations.

Disclosures: Modélisation des membranes biologiques avec des cartes de circuits et la mesure des signaux électriques dans les axones: Exercices de laboratoire étudiant

Aucun conflit d'intérêt déclaré.

Acknowledgements: Modélisation des membranes biologiques avec des cartes de circuits et la mesure des signaux électriques dans les axones: Exercices de laboratoire étudiant

Ces expériences ont été modifiés à partir d'un manuel de laboratoire qui a été utilisé dans un cours, orchestrée par le Dr HL Atwood, au Département de zoologie, Université de Toronto. Les exercices ont également été utilisés et modifiés à partir d'un manuel qui a été produit pour "6 ème IBRO atelier intensif sur neurosciences fondamentales" et a eu lieu à l'Université de Corée, Séoul, Corée du Sud en 1993 (Cooper et al., 1993). Les modifications actuelles ont été nécessaires pour utiliser l'équipement commun à présenter aux étudiants des laboratoires dirigés jours dans diverses universités. Soutenue par l'Université du Kentucky, Département de biologie, Bureau des études de premier cycle et le Collège des Arts et des Sciences.

Materials: Modélisation des membranes biologiques avec des cartes de circuits et la mesure des signaux électriques dans les axones: Exercices de laboratoire étudiant

Circuit board
  1. Electronics listed below for the breadboard experiments can be obtained at an local electronics store such as Radio Shack.
  2. Bread board, resistors, capacitors, batteries and wires that can serve as junctions for the breadboard as outlined in the experiments.
  3. A common voltmeter (Wavetek Meterman voltmeter)
  4. A/D board for on line recording to a computer. Electrical signals are recorded on line to a PowerLab/4s interface (ADInstruments, Colorado Springs, CO, USA). We use standard software from ADInstruments named Chart or Scope.

Physiology experiments
  1. Crayfish (Procambarus clarkii). Atchafalaya Biological Supply Co., Raceland, LA., USA.
  2. Standard crayfish saline: Modified from Van Harreveld’s solution (1936). (in mM) 205 NaCl; 5.3 KCl; 13.5 CaCl22H2O; 2.45 MgCl26H2O; 5 HEPES and adjusted to pH 7.4. All saline chemicals were obtained from Sigma chemical company (St. Louis, MO).
  3. Dissection tools: Fine #5 tweezers, fine scissors, knife blade holder, #26002-20 insect pins (all obtained from Fine Science Tools (USA), Inc., 373-G Vintage Park Drive, Foster City, CA 94404-1139)
  4. A nerve chamber dish (ADInstruments, Colorado Springs, CO, USA) to hold the nerve. The wires that come with the nerve chamber dish can be used to stimulate the nerve.
  5. A suction electrode is used to record the signals.
  6. The manipulator or a clamp on a ring stand will also serve as a holder for the suction electrode.
  7. Faraday Cage
  8. Dissecting Microscope
  9. High Intensity Illuminator (light source)
  10. Microscope Platform
  11. AC/DC Differential Amplifier (A-M Systems Inc. Model 3000)
  12. PowerLab 26T (AD Instruments)
  13. Extracellular amplifier (AD Instruments)
  14. LabChart 7 (ADI Instruments)
  15. Dissecting tools
  16. A ring stand and clamp to serve as a holder for the recording suction electrode

References: Modélisation des membranes biologiques avec des cartes de circuits et la mesure des signaux électriques dans les axones: Exercices de laboratoire étudiant

  1. Bennett, M. V. L., Barrio, L. C., Bargiello, T. A., Spray, D. C., Hertzberg, E. and Sdez, J. C. Gap junctions: new tools, new answers, new questions. Neuron. 6: 305-320 (1991).
  2. Bernardini, G., Peracchia, C., and Peracchia, L.L. Reversible effects of heptanol on gap junction structure and cell-to-cell electrical coupling. European Journal of Cell Biology. 34(2):307-312 (1984).
  3. Cooper, R.L., Chang, J.J., and Ito, M. A report on the, "SIXTH INTENSIVE IBRO WORKSHOP ON BASIC NEUROSCIENCE", held in July 1993, Seoul, South Korea. Abstracts, Society for Neuroscience 19:116.3 (1993)
  4. Cragg, B.G. and Thomas, P.K. The relationship between conduction velocity and the diameter and internodal length of peripheral nerve fibers. Journal of Physiology. 136: 606-614 (1957).
  5. Erlanger, J. Gasser, H.S. and Bishop, G.H. The compound nature of the action current of nerves as disclosed by the cathode ray oscillograph. American Journal of Physiology 70: 624-666 (1924).
  6. Furshpan, E. J. and Potter, D. D. Transmission at the giant motor synapses of the crayfish. Journal of Physiology. 145(2): 289-325 (1959).
  7. Johnston, M. F., Simon, S.A., and Ramrn, F. Interaction of anesthetics with electrical synapses. Nature (Lond.). 286:498-500 (1980).
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  9. Meda, P., Bruzzone, R., Knodel, S. and Orci, L. Blockage of cell-to-cell communication within pancreatic acini is associated with increased basal release of amylase. Journal of Cell Biology. 103(2):475-483 (1986).
  10. Peracchia, C. Increase in gap junction resistance with acidification in crayfish septate axons is closely related to changes in intracellular calcium but not hydrogen ion concentration Journal of Membrane Biology. 113 (1): 75-92 (1990).
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  12. Peracchia, C., Bernardini, G., and Peracchia, L. L. Is calmodulin involved in the regulation of gap junction permeability? Pfügers Arch 399: 152-154 (1983).
  13. Peracchia, C., Lazrak, A. and Peracchia. L. L. Molecular models of channel interaction and gating in gap junctions. In Handbook of Membrane Channels. Molecular and Cellular Physiology. C. Peracchia, editor. Academic Press, San Diego. 361-377 (1994).
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  15. Spray, D.C., Harris, L.L. and Bennett, M.V.L. Comparison of pH and Ca dependence of gap junctional conductance. In Intracellular pH: Its Measurement, Regulation, and Utilization in Cellular Functions, R. Nuccitelli and D. Deamer, eds., pp. 445-461, Alan R. Liss, New York. pp. 445-461 (1982).
  16. Spray, D.C., White, R., De Carvalho, C., Harris, A.L. and Bennett, M.L.V. Gating of gap junction channels. Journal of Biophysics 45: 219-230 (1984).
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