Eur J Public Health 1997 SEALE 379 84

8/4/2019 Eur J Public Health 1997 SEALE 379 84

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J . P h y s i o l . ( I 9 4 9 ) I 0 8 , 2 7 8 - 2 8 I 6 I 2 . 8 I 6

OPACITY CHANGES IN STIMULATED NERVEBY D . K . HILL A N D R . D . KEYNES

F r o m t h e P h y s i o l o g i c a l L a b o r a t o r y , U n i v e r s i t y o f C a m b r i d g e( R e c e i v e d 1 1 May 1 9 4 8 )

T h e n e r v e t r u n k o f t h e w a l k i n g l e g o f t h e s h o r e c r a b ( C a r c i n u s m a e n a s ) c o n t a i n sm t a n y h u n d r e d s o f n o n - m y e l i n a t e d f i b r e s w h i c h a r e o f a g r e a t v a r i e t y o f s i z e s ,m o s t o f t h e m b e i n g a b o u t 2 , i n d i a m e t e r , b u t w i t h a f e w l a r g e r f i b r e s u p t o 3 0 P .T h e o v e r a l l d i a m e t e r o f t h e n e r v e t r u n k i s a b o u t 0 - 5 mm. I n a p p e a r a n c e t h en er v e h a s a w h i t i s h o p a c i t y c a u s e d b y s c a t t e r i n g o f t h e l i g h t , t h o u g h i t i s f a rl e s s o p a q u e t h a n m y e l i n a t e d v e r t e b r a t e n e r v e . T h e e x p e r i m e n t s d e s c r i b e d b e l o ws h o w t h a t t h i s o p a c i t y u n d e r g o e s a s m a l l c h a n g e w h e n t h e n e r v e i s s t i m u l a t e d .L i i t h y ( 1 9 4 8 ) h a s r e p o r t e d t h a t s i n g l e m y e l i n a t e d n e r v e f i b r e s u n d e r g o a s l o w ,d e l a y e d c h a n g e i n t h e i r a b s o r p t i o n o f u l t r a v i o l e t l i g h t w h e n t h e y a r e s t i m u l a t e dr e p e t i t i v e l y f o r 5 - 1 0 s e c . F l a i g ( 1 9 4 7 ) h a s p u t f o r w a r d e v i d e n c e f o r t h e r e b e i n ga n a l t e r a t i o n i n t h e v i s c o s i t y o f t h e a x o p l a s m o f t h e g i a n t s q u i d a x o n w h e n i t i ss t i m u l a t e d , a n d L i i t h y s u g g e s t s t h a t t h e o p t i c a l c h a n g e may b e c a u s e d b ys w e l l i n g o r c o l l a p s e o f c e r t a i n p a r t s o f t h e f i b r e a s a r e s u l t o f t h i s c h a n g e i nv i s c o s i t y .

S c h m i t t & S c h m i t t ( 1 9 4 0 ) f a i l e d t o d e t e c t a n y c h a n g e i n t h e b i r e f r i n g e n c e o ft h e g i a n t s q u i d a x o n d u r i n g t h e p a s s a g e o f t h e n e r v o u s i m p u l s e .

METHODT h e n e r v e w a s i l l u m i n a t e d w i t h a n e a r l y p a r a l l e l b e a m o f w h i t e l i g h t f r o m a t u n g s t e n l a m p , t h ei n c i d e n t beam b e i n g e i t h e r i n a d i r e c t l i n e w i t h t h e p h o t o c e l l s o t h a t t r a n s m i t t e d l i g h t w a s r e c e i v e d ,o r i n a s l a n t i n g d i r e c t i o n , i n w h i c h c a s e n o d i r e c t l i g h t e n t e r e d t h e p h o t o c e l l a n d s c a t t e r e d l i g h to n l y was r e c e i v e d ( F i g . 1 ) . T h e i n t e n s i t i e s o f t he t r a n s m i t t e d a n d o f t h e s c a t t e r e d l i g h t v a r i e d i no p p o s i t e s e n s e i n r e s p o n s e t o a c h a n g e i n t h e o p a c i t y o f t h e n e r v e . A s e c o n d p h o t o c e l l w a s u s e d f o rb a l a n c i n g t h e s t e a d y c o m p o n e n t o f t h e l i g h t , a n d t h e d i f f e r e n t i a l p h o t o c u r r e n t r e s u l t i n g f r o ma c h a n g e i n t h e o p a c i t y o f t he n e r v e w a s m e a s u r e d a s a v o l t a g e a c r o s s a s e r i e s r e s i s t a n c e , u s i n ga c a t h o d e f o l l o w e r e i t h e r w i t h v i s u a l r e c o r d i n g o n a l o n g - p e r i o d g a l v a n o m e t e r , o r w i t h a c a t h o d er a y o s c i l l o s c o p e a n d p h o t o g r a p h i c r e c o r d i n g . T h e i n p u t t o t h e o s c i l l o s c o p e w a s s m o o t h e d w i t h a nR . C . c i r c u i t o f t i m e c o n s t a n t 0 1 s e c . t o c u t down e x t r a n e o u s d i s t u r b a n c e s .

O w i n g t o t h e v e r y h i g h a m p l i f i c a t i o n r e q u i r e d , p r e c a u t i o n s h a d t o b e t a k e n t o o v e r c o m e d i s -t u r b a n c e s c a u s e d b y t r a n s i e n t f l u c t u a t i o n s i n t h e l i g h t n o t a f f e c t i n g b o t h p h o t o c e l l s e q u a l l y .V i b r a t i o n s o f t h e b u i l d i n g w e r e r e d u c e d b y s p o n g e r u b b e r m o u n t i n g s , t h e d i s t u r b a n c e s c a u s e d b yc o n v e c t i o n o f t h e a i r i n t h e l i g h t beam w e r e o v e r c o m e b y r e d u c i n g t h e l e n g t h o f t h e a i r p a t h w i t hp e r s p e x o r g l a s s , a n d a t h i c k ' b r i d g e ' o f p e r s p e x c o v e r e d t h e n e r v e i n i t s b a t h t o a v o i d h a v i n g t h el i g h t p a s s t h r o u g h a l i q u i d s u r f a c e .

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OPACITY CHANGES IN NERVET h e n e r v e w a s m o u n t e d i n a P e t r i d i s h o f o x y g e n a t e d C a r c i n u e R i n g e r , w i t h i t s e n d s p u l l e d u pi n t o a l a y e r o f p a r a f f i n o i l , s o t h a t s t i m u l i c o u l d b e a p p l i e d a n d a c t i o n p o t e n t i a l s r e c o r d e d : i tg e n e r a l l y r e m a i n e d e x c i t a b l e f o r s e v e r a l h o u r s . T h e p a r t o f t h e n e r v e i n t h e l i g h t b e a m W a s a tl e a s t 5 mm. f r o m t h e p o i n t o f s t i m u l a t i o n .

I BS SP C

F i g . 1 . T h e n e r v e N , s h o w n i n c r o s s - s e c t i o n , i s i l l u m i n a t e d b y a b e a m o f w h i t e l i g h t , e i t h e r d i r e c t l y( a r r o w A ) , o r o b l i q u e l y ( a r r o w B ) . T h e t r a n s m i t t e d , o r t h e s c a t t e r e d l i g h t ( a s t h e c a s e may b e )p a s s e p t h e p a r a l l e l s l i t s , S , b e f o r e e n t e r i n g t h e p h o t o c e l l , P C . N o t t o s c a l e . D i a m e t e r o f n e r v e ,a b o u t 0 - 5 mm. S p a c i n g b e t w e e n s l i t s , a b o u t 4 mm.RESULTS

W i t h t h e s m o o t h e d o u t p u t t h e e f f e c t o f a s i n g l e i m p u l s e c o u l d j u s t b e d e t e c t e d ,b u t i t w a s e x c e s s i v e l y s m a l l . I t w a s p o s s i b l e t o o b t a i n q u i t e g o o d r e s u l t s f r o ma s f e w a s 2 0 i m p u l s e s , b u t t h e n e r v e w a s g e n e r a l l y s t i m u l a t e d a t a f r e q u e n c y o f5 0 / s e c . f o r 5 s e c . T h e r e s u l t o f o n e e x p e r i m e n t i s s h o w n i n F i g . 2 . T h e n e r v ea l w a y s b e c a m e m o r e o p a q u e w h i l e t h e s t i m u l a t i o n w a s p r o c e e d i n g , a n d t h eo p a c i t y i n c r e a s e d f o r a s e c o n d o r t w o a f t e r t h e s t i m u l u s . T h e f i r s t p h a s e w a sf o l l o w e d b y a d e c k e a s e i n o p a c i t y . T h e s i z e s o f t h e t w o c h a n g e s v a r i e d g r e a t l y i nt h e i r r e l a t i o n t o o n e a n o t h e r , a n d t h e t i m e o f c r o s s - o v e r v a r i e d c o r r e s p o n d i n g l y .S o m e t i m e s . t h e r e a p p e a r e d t o b e i n c o m p l e t e r e c o v e r y . A s o m e w h a t u n s t e a d yb a s e - l n e t e n d e d t o e x a g g e r a t e t h e s e v a r i a t i o n s . T h a t t h e e f f e c t ' i s l a r g e l ya c h a n g e i n t h e s c a t t e r i n g ( r a t h e r t h a n a b s o r p t i o n ) o f t h e l i g h t w a s s h o w n b y i t sr e a d y r e v e r s i b i l i t y w h e n t h e d i r e c t i o n o f t h e i n c i d e n t l i g h t w a s a l t e r e d f r o mt h e d i r e c t t o t h e o b l i q u e p o s i t i o n . T h e d e p e n d e n c e u p o n w a v e - l e n g t h w a s n o te x a m i n e d , a n d i t w o u l d i n a n y c a s e h a v e b e e n d i f f i c u l t t o i n v e s t i g a t e , o w i n g t ot h e n e c e s s a r y r e d u c t i o n i n i n t e n s i t y w h e n u s i n g m o n o c h r o m a t i c l i g h t .C o n t r o l s s h o w e d t h a t t h e o b s e r v e d c h a n g e s w e r e t r u l y a s i g n o f t h e a c t i v i t yo f t h e n e r v e , a n d e l i m i n a t e d t h e p o s s i b i l i t y o f t h e e f f e c t b e i n g a n a r t e f a c tr e s u l t i n g f r o m t h e s t i m u l a t i n g c u r r e n t i t s e l f . T h e s i m p l e s t t e s t w a s t o m a k et h e n e r v e i n e x c i t a b l e w i t h K C 1 , o r t o k i l l i t w i t h c h l o r o f o r m ; i n e i t h e r c a s e t h ee f f e c t w a s e n t i r e l y a b s e n t w h e n t h e s t i m u l a t i n g c u r r e n t w a s a p p l i e d . A n o t h e rc o n t r o l w a s p r o v i d e d b y t h e d e m o n s t r a t i o n t h a t t h e o p t i c a l r e s p o n s e w a s n o ts e e n b e l o w a c e r t a i n t h r e s h o l d s h o c k s t r e n g t h , a n d a l s o t h a t i t b u i l t u p t o

P H . C V r n I . 1 8

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D . K . HILL AND R . D . KEYNESa ' p l a t e a u ' l e v e l a s t h e s t r e n g t h w a s f u r t h e r i n c r e a s e d . A c o m p a r a b l e o p a c i t yc h a n g e c o u l d b e p r o d u c e d b y p a s s i n g a d i r e c t c u r r e n t o f a b o u t 0 5 m A . t h r o u g ht h e i n e x c i t a b l e n e r v e ; b u t w i t h a c u r r e n t d e n s i t y a s h i g h a s t h i s i t i s n o t s u r -p r i s i n g t h a t t h e t i s s u e s h o u l d u n d e r g o s o m e c h a n g e o f o p a c i t y . I t i s u n l i k e l yt h a t t h e e f f e c t o b s e r v e d d u ri n g a c t i v i t T c o u l d a r i s e d i r e c t l y f r o m t h e a c t i o nc u r r e n t s , s i n c e a r o u g h c a l c u l a t i o n s h o w s t h a t t h e s e a r e n o t g r e a t e n o u g h .

T h e m a g n i t u d e o f t h e c h a n g e c a n b e e x p r e s s e d a s t h e r a t i o o f t h e c h a n g e i ni n t e n s i t y o f s c a t t e r e d l i g h t t o t h e r e s t i n g i n t e n s i t y . T h e i n i t i a l i n c r e a s e i no p a c i t y i s a b o u t 1 p a r t i n 5 0 0 f o r 2 5 0 i m p u l s e s .

8 . , . I X 3 1 0 4 0 s e c . . | I I_0 2 0 \ 2 4 6 8 m i n .E

(/ 1 ~ ~ ~ ~ ~ ~ E l

F i g . 2 . T h e o p a c i t y c h a n g e r e s u l t i n g f r o m s t i m u l a t i o n a t 5 0 / s e c . f o r 5 s e c . O b l i q u e i l l u m i n a t i o n :p h o t o c e l l m e a s u r e s 8 c a t t e r e d l i g h t . P o s i t i v e d i r e c t i o n r e p r e s e n t s a n i n c r e a s e i n o p a c i t y . T h ee a r l y p h a s e , s h o w n o n t h e l e f t , w a s r e c o r d e d p h o t o g r a p h i c a l l y . T e m p e r a t u r e , 1 5 0 C .T h e ' s c i a t i c n e r v e o f t h e f r o g s h o w e d n o d e t e c t a b l e o p a c i t y c h a n g e e v e nf o l l o w i n g p r o l o n g e d s t i m u l a t i o n a t 2 0 0 / s e c . T h e h e a t p r o d u c t i o n p e r i m p u l s e o f

f r o g ' s n e r v e i s a b o u t 5 0 t i m e s s m a l l e r t h a n t h a t o f c r u s t a c e a n n e r v e ( H i l l , 1 9 3 2 ) ,a n d t h e a c t i v e p r o c e s s r e s p o n s i b l e f o r p r o p a g a t i o n a p p e a r s t o b e c o n f i n e d t ot h e n o d e s o f R a n v i e r ( H u x l e y & S t a e m p f i i , 1 9 4 8 ) . E v e n s o , i t i s p e r h a p ss u r p r i s i n g t h a t n o t h i n g w a s f o u n d ; b u t t h e g r e a t s c a t t e r i n g o f l i g h t b y t h em y e l i n s h e a t h may h a v e m a s k e d c h a n g e s i n t h e o p a c i t y o f t h e a c t i v e e l e m e n t s .An a t t e m p t w a s m a d e w i t h h i g h - f r e q u e n c y r e c o r d i n g , w i t h t h e s m o o t h i n gc i r c u i t r e m o v e d , t o d e t e r m i n e w h e t h e r a n y c h a n g e w a s d e t e c t a b l e d u r i n g t h ep a s s a g e o f s i n g l e i m p u l s e s , b u t t h i s w a s u n s u c c e s s f u l o w i n g t o i n t e r f e r e n c e b y' n o i s e ' f r o m t h e p h o t o c e l l .

DISCUSSIONT h e r e a r e s e v e r a l p o s s i b l e r e a s o n s w hy l i g h t may b e s c a t t e r e d b y t h e n e r v e , a n do n e o f t h e f i r s t q u e s t i o n s t h a t s h o u l d b e a s k e d i s w h e t h e r t h e c h a n g e o ns t i m u l a t i o n t a k e s p l a c e i n t h e a x o p l a s m o f t h e f i b r e s o r w h e t h e r , o n t h e o t h e r

2 8 0



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OPTICAL CHANGES IN NERVEh a n d , i t i s c a u s e d b y s o m e a l t e r a t i o n i n t h e o p t i c a l p r o p e r t i e s o f t h e m e m b r a n e .F l a i g ( 1 9 4 7 ) h a s s h o w n t h a t t h e v i s c o s i t y o f t h e a x o p l a s m o f t h e s q u i d f i b r ea p p e a r s t o i n c r e a s e w h e n t h e ' f i b r e i s s t i m u l a t e d a n d s u g g e s t s t h a t a p a r t i a ls o l - g e l t r a n s f or ma t i o n t a k e s p l a c e . I f t h i s i s s o i t m i g h t a c c o u n t f o r t h ei n i t i a l i n c r e a s e i n o p a c i t y . K r i s h n a m u r t i ( 1 9 2 9 ) h a s s h o w n a n i n c r e a s e i ns c a t t e r i n g d u r i n g t h e g e l a t i o n o f a n a g a r s o l u t i o n : t h e o l e a r s o l u t i o n b e c o m e so p a l e s c e n t o n s e t t i n g .

H i g h s p e e d r e c o r d i n g h a s n o t y e t r e v e a l e d f u l l d e t a i l s o f t h e t i m e c o u r s e o fd e v e l o p m e n t o f t h e e f f e c t . T h e o p a c i t y i n c r e a s e s f o r a t i m e a f t e r t h e p e r i o d o fs t i m u l a t i o n , a n d t h e r e s p o n s e i s e v i d e n t l y n o t e n t i r e l y d e v e l o p e d d u r i n g t h ea c t i o n p o t e n t i a l p h a s e , b u t a t p r e s e n t i t i s n o t p o s s i b l e t o s a y m o r e t h a n t h a t .I t i s p r o p o s e d t o d o f u r t h e r e x p e r i m e n t s w i t h t h e g i a n t a x o n o f t h e s q u i d .I n a f i b r e a s l a r g e a s t h i s t h e r e s h o u l d b e a b e t t e r c h a n c e o f d e t e r m i n i n g w h e t h e rt h e e f f e c t h a s i t s o r i g i n i n t h e a x o p l a s m o r w h e t h e r i t i s a m e m b r a n e p h e n o m e n o n .T h e v a r i a b i l i t y o f t h e r e s u l t s w i t h c r a b ' s n e r v e i s a t t r i b u t a b l e t o i t s g r e a tv a r i e t y o f f i b r e s , s o m e o f w h i c h a r e m o r e r e s i s t a n t t o f a t i g u e t h a n o t h e r s , a n dt h e s q u i d f i b r e s h o u l d b e h a v e w i t h g r e a t e r c o n s i s t e n c y . On t h e o t h e r h a n d , i fi t i s d u e t o a p r o p e r t y o f t h e m e m b r a n e , t h e c h a n g e may b e m u c h s m a l l e r i nt h e s q u i d n e r v e t h a n i t i s i n t h e c r a b ' s n e r v e , t h e l a t t e r h a v i n g a m u c h g r e a t e rs u r f a c e t o v o l u m e r a t i o .

SUMMARY1 . An i n c r e a s e i n t h e s c a t t e r i n g o f w h i t e l i g h t , f o l l o w e d b y a d e c r e a s e , h a s

b e e n r e c o r d e d i n t h e l i m b n e r v e o f t h e s h o r e c r a b ( C a r c i n u s m a e n a s ) a s t h -r e s u l t o f s t i m u l a t i o n .2 . I t h a s n o t b e e n p o s s i b l e t o d e t e r m i n e w h e t h e r t h e r e i s a n y e f f e c t c o i n c i d e n tw i t h t h e p a s s a g e o f t h e i m p u l s e s . T h e c h a n g e h a s b e e n r e c o r d e d o n l y a s t h ea f t e r - e f f e c t o f a r a p i d , s u c c e s s i o n o f s t i m u l i , g e n e r a l l y 2 5 0 i m p u l s e s i n 5 s e c .3 . T h e f i r s t p h a s e ( i n c r e a s e d o p a c i t y ) r e a c h e s i t s maximum a f e w s e c o n d sa f t e r t h e e n d o f t h e s t i m u l u s ; t h e s e c o n d p h a s e ( d e c r e a s e d o p a c i t y ) h a s i t smaximum a t a b o u t 2 m i n . a n d r e c o v e r y t a k e s 1 0 - 2 0 m i n . T h e r e i s c o n s i d e r a b l ev a r i a b i l i t y i n t h e r a t i o o f t h e m a g n i t u d e s o f t h e t w o p h a s e s , a n d t h e t i m ec o u r s e o f t h e c h a n g e i s c o r r e s p o n d i n g l y v a r i a b l e .We a r e i n d e b t e d t o t h e R o c k e f e l l e r F o u n d a t i o n f o r a g r a n t w h i c h h a s made t h i s w o r k p o s s i b l e .

REFERENCESF l a i g , J . V . ( 1 9 4 7 ) . J . N e u r o p h y 8 i o l . 1 0 , 2 1 1 .H i l l , A . V . ( 1 9 3 2 ) . C h e m i c a l W a v e T r a n s m i s s i o n i n N e rv e . C a m b r i d g e .H u x l e y , A . F . & S t a e m p f f i , R . ( 1 9 4 8 ) . H e l v . p h y 8 i o l . p h a r m a c o l . A c t a , 6 , C 2 2 .K r i s h n a m u r t i , K . ( 1 9 2 9 ) . P r o c . R o y . S o c . A , 1 2 2 , 7 6 .L u t h y , H . ( 1 9 4 8 ) . H e l v . p h y 8 i o l . p h a r m a c o l . A d a , 6 , C 2 8 .S c h m i t t , 0 . H . & S c h m i t t , F . 0 . ( 1 9 4 0 ) . J . P h y 8 i o l . 9 8 , 2 6 . 18-2

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Eur J Public Health 1997 SEALE 379 84

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