生物科實驗 神經訊息的傳導速率

<本內容參考PASCO教學資源，轉載請註明出處>

到目前為止，我們一直在觀察蟑螂或蟋蟀發出的神經脈衝訊號，主要是透過監測在特定刺激或條件下的「脈衝頻率」和「脈衝的存在性」。接下來，我們將探索「脈衝的速度」。

你可能認為神經系統的反應非常快速，當你觸碰蟑螂腿或吹動蟋蟀的尾毛時，似乎會立即聽到脈衝訊號的反應，但這真的是瞬間發生的嗎? 當然不是! 即使是光，宇宙最快的訊號，也不會瞬間傳播。那麼，神經系統的速度到底有多快呢? 它比汽車快嗎? 比飛機快嗎? 還是比手機快? 我們又該如何測量這個速度呢?

在之前的所有實驗中，我們僅使用單一通道來記錄神經元 (也就是說，我們只使用了一個紀錄電極和一個接地)。然而，要量測速率，你需要同時量測時間(脈衝發生的時刻)和距離(脈衝延神經傳遞的距離)

以高速公路上的一輛車為例，如果你站在路邊的一個小觀察亭裡，你可以辨識出是哪一輛車，還能判斷它是什麼類型的車，並記錄你看到它的時間

同樣的，使用你的電訊號盒，你可以知道是否偵測到一個神經脈衝，也許還能判斷是哪種神經元產生了這個脈衝，以及脈衝發生的時間，但你無法得知脈衝延神經傳遞的速度

讓我們再回到高速公路的那輛車，假設你的朋友在路上0.8 km的地方，也在一個類似的觀察亭中，稍後，你們可以比對各自的觀察結果，並確定那輛車的速度

1 min= 0.016 hr，將0.8 km的距離除以0.016 hr，你會計算出約50.4 km/hr的速度。因此，我們可以透過兩個觀察者來測量速度，這也是為什麼我們推出「Neuron Spikerbox Pro」，用來量測脈衝沿著神經傳遞過程中兩個點之間的時間差。

那麼，為什麼不把我們的Spikerbox，搭配兩個電極和接地，放進蟑螂裡，然後量測兩個通道的脈衝輸出呢? 你會立即發現，兩個通道上有大量的脈衝訊號，其實多到你無法一一追蹤。

讓我們再回到先前的類比，想像一條繁忙且快速的街道，充滿外觀相似的車輛，例如台北市的忠孝東路，而你和你的朋友只能把觀察亭設置於彼此相距非常近的地方

你可以看出問題所在: 在蟑螂的腿部發生了大量脈衝，要靠兩位觀察者來辨識其中特定的脈衝相當具有挑戰性。蟑螂腿的股骨內有兩條神經，每條神經大約包含100~200個神經元，且這些神經元會發射大量的脈衝。此外，我們也受到限制，無法將電極放得太遠，因為蟑螂腿的長度大約只有8 mm

理想情況下，考慮到我們的工具有限，我們希望能在一條較長的神經上量測脈衝，這條神經裡只有1~3條大軸突，而且這些軸突發射的脈衝數量不多。

在動物的世界中，是否有符合這些條件的物種呢? 有! 而且牠很可能就在你腳下，或是在你住家的後院或離你家最近的公園裡

我們一直在探索節肢動物(昆蟲)，但我們現在將轉向一個新的無脊椎動物類別: 環節動物，更常見的稱呼是「蠕蟲」。讓我們來介紹最新的實驗對象: 蚯蚓(Lumbricus terrestris)，這是一種比我們之前研究過的還要更簡單的動物，蚯蚓有三條長軸突，分別是「中間巨型纖維」和兩條「側面巨型纖維」。中間巨型纖維負責傳遞有關蚯蚓前端(靠近帶狀腺部分)的訊息，而側面巨型纖維則負責傳遞來自蚯蚓後端皮膚細胞的訊息

除了蚯蚓本身擁有足夠的長度，使我們能夠將紀錄電極放置的相距較遠外，蚯蚓還展現所謂的「稀疏編碼(Sparse Coding)」特性

什麼是稀疏編碼? 讓我們回到之前討論過的蟑螂以及「頻率編碼」的概念。在頻率編碼中，刺激的強度是透過神經放電的頻率來進行編碼的，如果蟑螂的腿部使用的是稀疏編碼，當你用牙籤觸碰刺時，腿部神經只會放電1~2次，而當你移開牙籤時，則會再放電1~2次

這種稀疏編碼方式正是我們在下方的蚯蚓實驗中會看到的，我們將利用它來測量神經脈衝的傳導速率

實驗目的

利用蚯蚓「稀疏編碼」的神經訊息處理特性，觀察兩個電極所偵測到神經脈衝的時間差，以換算出神經傳導速率

實驗設備與材料

• 神經元電訊號盒
• 蚯蚓
• 電腦/手機/平板
• 法拉第冰桶
• 直尺
• 輕木或保麗龍
• 酒精或汽泡水
• 兩個小塑膠桶，一個裝滿水，另一個裝滿含酒精/汽泡水的麻醉液

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