Znaczenie zmian przewodności błony i gradientu stężeń jonów K+ i Na+ na parametry kodu cyfrowego.
1. Wstęp:
Informacja o bodźcu może być kodowana w dwojaki sposób: analogowy i cyfrowy.
W kodzie analogowym parametrem zawierającym informację o sile bodźca jest amplituda potencjału. W przypadku kodu cyfrowego informacja o sile bodźca zapisana jest w liczbie zaburzeń środowiska, czyli częstotliwości powstających potencjałów czynnościowych. (str.22, 30). Zmiany potencjału błony w przebiegu potencjału czynnościowego są wynikiem sekwencyjnej zmiany przepuszczalności błony dla jonów sodu i jonów potasu oraz różnicy w stężeniach tych jonów po obydwu stronach błony.
W czasie przekazu informacji na duże odległości sygnał kodujący jest narażony na zmiany amplitudy wynikające ze zmiennych warunków środowiska na drodze sygnału. Zaletą kodowania na sposób cyfrowy jest fakt, że pomimo zmian amplitudy na drodze sygnału częstotliwość zostaje zachowana.
Należałoby zatem zastanowić się jakie czynniki i w jaki sposób wpływają na wcześniej wspomniane parametry kodu cyfrowego. I zadajemy więc pytanie : Jakie jest znaczenie zmiany przewodności błony i gradientu stężeń jonów K+ i Na+ dla parametrów kodu cyfrowego?
2. Metoda:
W celu wyjaśnienia problemu wykonujemy eksperyment, w którym za pomocą stymulatora generujemy prąd stały o niskim natężeniu. Prąd ten jest przekazywany do wnętrza komórki za pomocą elektrody stymulującej. Tak wywołana zmiana potencjału błony może spowodować powstanie potencjałów czynnościowych, które są rejestrowane przez szklaną elektrodę wewnątrzkomórkową umieszczoną w aksonie. Sygnał z elektrody rejestrującej jest porównywany z sygnałem elektrody odniesienia, która znajduje się w płynie zewnątrzkomórkowym. Następnie sygnał przez wzmacniacz przekazywany jest do urządzenia rejestrującego.
Materiałem biologicznym, na którym przeprowadzamy doświadczenie jest wyizolowana komórka nerwowa.
Wykorzystana przez nas metoda, to metoda Current Clamp. Zmienną kontrolowaną jest w niej bodziec elektryczny, a obserwowaną - zmiany potencjału błony aksonu wynikające z różnicy ładunków po obu stronach tej błony. Metoda Current Clamp umożliwia poprzez długotrwałe pobudzenie komórki, uzyskanie na ekranie oscyloskopu obrazu powstających kolejno po sobie z określoną częstotliwością potencjałów czynnościowych. Częstotliwość ta jest charakterystyczną cechą kodu cyfrowego.
Protokół:
Przed przeprowadzeniem doświadczenia należy sporządzić roztwory o odpowiednich stężeniach, gdyż w stosowanej przez nas metodzie możemy jedynie wpływać na środowisko zewnątrzkomórkowe. Z materiału biologicznego izolujemy komórkę nerwową.
Początkowo komórkę wprowadzamy do roztworu o stężeniu odpowiadającym stężeniu płynu zewnątrzkomórkowego w organizmie. Jest to roztwór o stężeniu fizjologicznym. Postępujemy zgodnie z opisem metody Current Clamp, umieszczając odpowiednie elektrody w odpowiednich miejscach, podłączamy je do oscyloskopu.
Rozpoczynamy właściwe doświadczenie.
W pierwszym etapie na komórkę zanurzoną w roztworze o stężeniu jonów odpowiadającym warunkom fizjologicznym, działamy bodźcem o czasie trwania 500ms, który to czas w kolejnych pomiarach nie ulega zmianie. Modulujemy natomiast siłą bodźca w zakresie 10-55mV zmieniając wartość co 5mV. Służy do tego elektroda stymulująca. Zliczamy pojawiające się na ekranie oscyloskopu `piki' powstających po sobie potencjałów czynnościowych, które w czasie odzwierciedlają częstotliwość kodu cyfrowego. Wyniki zapisujemy w tabeli.
W drugim etapie dokonujemy kolejnych pomiarów. Czas trwania bodźca pozostaje bez zmian i wynosi 500ms. Siła bodźca w tym etapie doświadczenia jest również wartością stałą i wynosi 50mV. Zmienną jest gradient stężeń jonów sodowych LUB potasowych. Dla jonów potasu przyjmujemy stężenia roztworu od 0,1 do 1,8. Dla jonów sodu - od 0,1 do 2,1. Stężenie zmieniamy o 0,1.
Stężenie każdego kolejno sporządzanego roztworu oznaczono liczbowo jako stosunek gradientu stężeń jonów po obu stronach błony do stężeń występującego fizjologicznie. Określamy stosunek dla danego jonu, a nie wzajemny stosunek jonów Na+/K+. (Czyli np. jeśli stosunek wynosi 0,1 to musimy sporządzić roztwór 10x bardziej rozcieńczony od roztworu fizjologicznego.)
Zliczamy pojawiające się na ekranie oscyloskopu `piki' powstających po sobie potencjałów czynnościowych, które w czasie odzwierciedlają częstotliwość kodu cyfrowego. Wyniki zapisujemy w tabeli.