aeb practical guide

79
MFAC1526 Ageing and Endings B Practical Manual Session 2: TP4 2010 September 2010

Upload: mihir-desai

Post on 08-Apr-2015

234 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: AEB Practical Guide

  

 

   MFAC1526 Ageing and Endings B Practical Manual Session 2: TP4 2010    September 2010 

Page 2: AEB Practical Guide

 

 

Contents  

Preparation and Behaviour in Practical Classes ................................................................................... 3 

Practical Schedule ................................................................................................................................ 5 

Practical 1: Chest wall, Axilla and Breast ............................................................................................. 6 

Practical 2: Analysis of cell ageing ....................................................................................................... 9 

Practical 3: Histopathology of Breast Lumps ..................................................................................... 14 

Practical 4: Cranial Cavity and Introduction to the Brain .................................................................. 18 

Practical 5: Brainstem ........................................................................................................................ 20 

Practical 6: Membrane Potentials...................................................................................................... 23 

Practical 7: Oestrogen receptor binding ............................................................................................ 31 

Practical 8: QMP: Weighing the Evidence .......................................................................................... 36 

Practical 9: Cranial Nerves ................................................................................................................. 42 

Practical 10: Somato‐sensory System ................................................................................................ 44 

Practical 11: CNS: Normal and abnormal ........................................................................................... 50 

Practical 12: Internal Capsule and Horizontal Slices of the Forebrain ............................................... 55 

Practical 13: Motor Systems Physiology: Reflexes............................................................................. 57 

Practical 14: Human aspects of living with neuro‐degenerative disease .......................................... 64 

Practical 15: Coronal Slices of the Forebrain ..................................................................................... 65 

Practical 16: Visual Physiology ........................................................................................................... 67 

Practical 17: CNS Pharmacology ........................................................................................................ 73 

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 2 

Page 3: AEB Practical Guide

 

Preparation and Behaviour in Practical Classes  • You are  required  to  familiarise  yourselves with  the appropriate  section of  the practical manual before 

attending each class.  • In  the  interests  of  your  safety,  special  attention  should  be  paid  to  any  precautionary  measures 

recommended  in the notes.  If any accidents or  incidents occur, they should be reported  immediately to the demonstrator in charge of the class who will record the incident and recommend what further action is required. 

 • You must take due care with biological and hazardous material and make sure all equipment is left clean 

and functional.  • No eating, drinking or smoking is permitted in the teaching laboratories.  • A white laboratory coat must be worn to those practical classes identified by an asterisk * in the science 

practical  schedule. Coats must be  removed upon  leaving  the  laboratory  class. Enclosed  shoes must be worn to ALL classes. 

 • You are expected to be punctual. Those who arrive more than 10 minutes late may not be admitted to the 

class.  • When participating in Anatomy laboratory classes   

1.  Gloves  should  always  be worn when  handling  the  specimens  in  the  dissecting  room.  You  should provide your own gloves. 

 2.  Proper  care  should  be  taken when  handling  specimens.  The  appropriate  probes  should  be  used 

when demonstrating. Please do not grip delicate  tissue with serrated  forceps. All gross specimens should  be  covered  with  a  damp  towel  at  the  end  of  the  class.  Each  specimen  represents  an enormous  investment of  staff  time  and money  and must be  treated with  care. Nerves  and  small vessels are particularly prone to damage by desiccation. 

 3.  You  should  place  any  rubbish  into  the  appropriate  waste  receptacle.  This  applies  to  both  the 

dissecting  room  and  histology  teaching  laboratories.  If  rubbish  is  left  in  the  histology  teaching laboratories, those labs may be closed to revision. 

 NB: Those who do not adhere  to  these basic  laboratory  rules will be excluded  from  the class and marked absent.  

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 3 

Page 4: AEB Practical Guide

 

 ATTENDANCE REQUIREMENTS 

  

• Given  the  considerable  time,  effort  and  cost  involved  in  the design, preparation  and delivery  of practical classes, attendance is expected at all practical classes/demonstrations by all students. 

 • A roll will be marked in some classes. 

 

• You are also expected to attend only the class to which you have been rostered.  Teachers can and will  exclude  from  a  class  any  student who  is  not  rostered  to  attend,  unless  they  have written approval from the principal teacher to be there. 

  

Requests  for changes to Laboratory times  for Biochemistry, Genetics, Microbiology and Molecular Biology Practicals This  notice  applies  to  ALL  Phase  1  practical  classes  held  in  the  School  of  Biotechnology  and Biomolecular Sciences (BABS) laboratories – Rooms 107 and 107D, Biological Sciences Building.  Please  note  that  there will  be  NO  pre‐arranged  changes  to  times  for  attending  these  practical classes.  Each  laboratory can accommodate up  to 56 students  in 4 groups of 14. Students wishing  to change practical classes should arrive early and consult the member of academic staff in charge at the start of the practical session they wish to attend.  If there are places available  in any of the groups, students with genuine reasons for a change of lab will be allowed to do the practical at that time.  If there are more students wishing to change to that time than there are places available, places will be allocated on a “first come” basis.  The total number of students in each laboratory will not be allowed to exceed 56.    Under  no  circumstances  will  a  student  who  is  attempting  to  change  practical  classes  be accommodated if they turn up late to the class they wish to attend.  Please do NOT email  the course co‐ordinators or academic staff  in BABS about changes  to practical times.  Such emails will not be responded to.  

  

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 4 

Page 5: AEB Practical Guide

 

Practical Schedule   

This schedule is subject to change.  Refer to the eMed Timetable system and email updates sent to your UNSW email account for times and locations.    Science Practical   Principal Teacher 

1  Chest wall, Axilla and Breast*  Prof. Ken Ashwell 

2.  Analysis of cell ageing *  Dr Louise Lutze‐Mann  

3.  Histopathology of breast lumps  A/Prof Gary Velan 

4.  Cranial cavity and brain*  Dr Elizabeth Tancred  

5.  Brainstem*  Dr Elizabeth Tancred  

6.  Membrane potentials*  Dr Andrew Moorhouse  

7.  Oestrogen receptor binding*  Dr Anne Galea  

8.  QMP: Weighing the Evidence  Dr Rachel Thompson 

9.  Cranial Nerves*  Dr Elizabeth Tancred  

10.  Somato‐sensory System  Dr Richard Vickery 

11.  CNS: Normal and abnormal Mr Patrick de Permentier / Dr Gary Velan  

12.  Internal Capsule and Horizontal Slices of the Forebrain*  Dr Elizabeth Tancred 

13.  Motor Systems Physiology: Reflexes*  Dr Paul Bertrand 

14.  Human aspects of living with neuro‐degenerative disease  Dr Úte Vollmer‐Conna 

15.  Coronal slices of the forebrain*  Dr Elizabeth Tancred 

16.  Visual Physiology  Dr Richard Vickery 

17  CNS Pharmacology*  Dr Nicole Jones 

  

 * Denotes those classes win which laboratory coats must be worn. 

Enclosed shoes must be worn to all classes. 

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 5 

Page 6: AEB Practical Guide

 

Practical 1: Chest wall, Axilla and Breast 

Principal Teacher: Prof. Ken Ashwell 

Specific objectives: 

In the  limited time dedicated  for this practical class, you are expected to know only the anatomical  features listed in the following practical guide. Use the materials from the lecture on the chest wall and axilla, and the lecture on  the  lymphatic  system,  and  read  the  recommended  reading material  to prepare  for  this practical class.  Watch  the video at  the beginning of  the class and work your way  through  the various stations answering question  in the notes below.   Please note that you do not need to work through the stations  in numerical order.   The answers to the questions may be found  in your  lecture notes or your textbook.   Staff resource persons will assist you if you are unable to find listed structures on your own.  They will ask you questions to challenge you and stimulate your learning.  A mini‐spot test will be available for you to test your knowledge at the end of the class.  I. THE CHEST WALL The thoracic or chest wall is formed by the thoracic part of the vertebral column (thoracic spine), the sternum, ribs and costal cartilages, and  the muscles, which  fill  in  the gaps between  the  ribs  (intercostal muscles) and cover the thoracic cage.  Station  Instructions and Notes  Questions

1  Review  the  major  features  of  a  typical  thoracic  vertebra and identify  the  following:  body,  costal  demifacets,  pedicle  and lamina, articular, transverse and spinous processes. Identify the articular surface on the transverse processes  for the tubercle of the corresponding rib. 

Which  vertebral  joints  are involved  in  joints  between vertebrae?   How do  the parts of the  thoracic  vertebrae  protect the  spinal  cord  and  spinal nerves? 

2  Review the major features of a typical rib and identify: head with articular facets, neck, angle, shaft, and tubercle with its articular and  non‐articular  components.  Use  your  lecture  notes  to consider how  the head and  tubercle of a  rib articulate with  the body  and  transverse  process  of  the  thoracic  vertebra (costovertebral and costotransverse joints). Identify  parts  of  the  sternum:  manubrium,  body  and  xiphoid process. 

What  type  of  joint  is  found between  the  manubrium  and body  of  the  sternum?   What  is this point called? What  structures  lie  within  the costal groove? 

3  On  the  articulated  skeleton,  observe  the  general  shape  of  the thoracic  cage  (truncated  cone, elliptical on  cross  section). Note that  the  transverse  diameter  of  the  thorax  increases  gradually from the first to eight or ninth rib. Note that the cartilages of the ribs 1‐7 articulate directly with the sternum (true ribs) via costal cartilages, the cartilages of ribs 8‐10 articulate with  cartilages  immediately  above  them  (false  ribs), and  ribs  11‐12  are  free  (floating  ribs).  The  costal  margin  is formed by the 10th rib and the anterior ends of ribs 7‐10. Note that a typical rib runs anteriorly and downwards.  

Which costal cartilage articulates with the sternal angle? 

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 6 

Page 7: AEB Practical Guide

 

 

Station  Instructions and Notes  Questions 4  Identify,  by  palpation  on  yourself  and  your  colleagues, the 

following  reference  landmarks  that  are  used  in  clinical examination: 

• First rib • Sternal angle • Xiphoid process • Costal margin • Midclavicular line • Anterior and posterior axillary lines (and folds) • Midaxillary line 

5  On  the  specimen of  the posterior  chest wall,  identify  the  three layers  of  muscle  (the  external,  internal  and  innermost intercostals) in an intercostal space. The external intercostals do not reach the sternum, and the  internal  intercostals only extend posteriorly  to  the  angles  of  the  ribs. Note  the  direction  of  the intercostal  muscle  fibres.    The  external  oblique  fibres  run inferiorly and anteriorly, whereas the  internal oblique fibres run anteriorly and superiorly. 

What  are  the  directions  of muscle fibres in the three layers? 

6  Identify  the  intercostal nerve and vessels  (posterior  intercostal artery and vein)  that  lie  in  the plane between  the  internal and innermost  intercostals  (vein,  artery  and  nerve  from  above downwards).  The  intercostal  nerves  have  lateral  and  anterior cutaneous branches. The blood supply to the chest wall  is derived from the posterior intercostal arteries with  their  lateral branches, and  the anterior intercostal  arteries  arising  from  the  internal  thoracic  arteries (from respective subclavian arteries). 

Between which muscle  layers do the neurovascular elements run? 

 II. HUMERUS and MUSCLES OF THE AXILLARY WALLS AND ARM Use the bones and wet specimens for the following stations. Station  Instructions and Notes  Questions 

7  Use the isolated humerus and articulated skeleton to identify key bony  landmarks at this bone’s upper end.   Note the greater and lesser  tubercles,  head,  anatomical  neck  and  surgical  neck  and the  intertubercular  groove with  its medial  and  lateral  lips. On the articulated skeleton, outline the medial, lateral and posterior walls  of  the  axilla  and  the  superior  entrance  into  the  axilla (cervicoaxillary canal; bounded by the first rib, clavicle and upper border of the scapula). 

What structures pass through the cervicoaxillary canal? 

8  Use  the wet  specimens  to  identify  pectoralis major,  pectoralis minor,  latissimus dorsi, subscapularis, teres major and serratus anterior.  Use  your  lecture  notes,  atlas  or  the  specimens  to determine  the  attachments  of  pectoralis major,  subscapularis, teres  major  and  latissimus  dorsi  on  the  humerus.  On  the prosected specimens, identify the coracobrachialis, the long and short heads of biceps brachii, and discuss the attachments of the above with colleagues. 

What  are  the  functions  of  the muscles in bold to the left? 

9  On favourable specimens you may be able to see branches of the brachial  plexus  to  the  muscles  that  bound  the  axilla  (long thoracic nerve  to  the  serratus  anterior, pectoral nerves  to  the pectoralis  muscles,  subscapular  nerve  to  the  subscapularis muscle. 

In  what  sort  of  surgery  might these nerves be damaged? 

 

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 7 

Page 8: AEB Practical Guide

 

III. THE LYMPHATIC SYSTEM AND AXILLARY LYMPH NODES Refer to your lecture notes concerning the general organisation of the lymphatic system. Station  Instructions and Notes  Questions10  Note  that  axillary  lymph  nodes  have  been  removed  from  the 

prosected specimens along with loose connective tissue, but you should be able to use your lecture notes to indicate to colleagues the expected positions of the five groups of axillary lymph nodes (central,  apical,  lateral  or  humeral,  anterior  or  pectoral,  and posterior or  subscapular).   Use  your  lecture notes  to  recall  the pattern of lymph drainage between these groups. 

Which  lymph node  group would first receive lymph from the arm? Which would  first  receive  lymph from the breast? Why are  lymph nodes enlarged when there  is an infection  or  cancer  in  the  area that  they  drain?  How  does palpation  of  enlarged  lymph nodes help differentiate between infection and cancer? 

 IV. THE MAMMARY GLAND (THE BREAST) Station  Instructions and Notes  Questions11  Using the torso model, observe and discuss with colleagues:

• the extent of the breast (anterior to ribs 2‐6, extending from the margin of the sternum to the midaxillary line) 

• the posterior relations of the breast (pectoralis major, part of serratus anterior and external oblique) 

• the axillary  tail of  the breast.   This may be  felt by patients and mistaken for enlarged axillary lymph nodes. 

12  The mammary  gland  is  removed  from  our  specimens  but  you should  refer  to  your  lecture notes  and models while discussing the macroscopic structure of the breast with colleagues: • nipple, areola • mammary  gland  lobules,  lactiferous  ducts,  lactiferous 

sinuses • fibrous septa (suspensory ligaments) 

How  does  the  internal  structure of  the  breast  change  with puberty, pregnancy/lactation and menopause? 

13  Identify the three main arteries that provide blood supply to the breast: • Lateral thoracic (a branch of axillary artery) • Internal thoracic artery (perforating branches) • Posterior intercostal arteries 

14  Most of the veins draining  the breast  follow  the arteries  to end eventually  in  the  internal  thoracic  and  axillary  veins.  There  is some drainage into the posterior intercostal veins. The posterior intercostal  veins  are  also  connected  (by  the  azygos  system  of veins)  with  the  plexus  of  veins  around  the  vertebral  column (called vertebral venous plexus); this connection could provide a path  for breast cancer  to  spread  to  the vertebrae.    Identify  the posterior  intercostal  veins  and  the  components  of  the  azygos system of veins (azygos and hemiazygos veins). 

What is the course that might be followed by metastases from the breast  to  the  vertebral  column and skull base? 

 Materials: isolated thoracic vertebrae, parts of sternum, typical ribs, articulated skeleton, dissected specimens of axilla, torso model, model of breast, thorax specimens with azygos venous system. 

 

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 8 

Page 9: AEB Practical Guide

 

Practical 2: Analysis of cell ageing 

Principal Teacher: Dr. Louise Lutze‐Mann 

Aims 

To evaluate the genetic and environmental conditions that can influence ageing; To produce and analyse growth curves for eukaryotic cells.  

Introduction 

Ageing and Werner’s Syndrome The molecular mechanisms that underlie ageing are not yet well‐understood.   Many different processes have been implicated in the aging process, and it is likely that ageing is the result of a progressive accumulation of changes.  To date, the processes that appear to directly influence ageing, and so play a causal role in the ageing process,  are  those  involved  in  energy metabolism,  oxidative  stress  and  the maintenance  of  DNA  stability. Indeed,  given  the myriad of  age‐related  changes  and  the many proposed mechanistic  theories of  ageing,  a major problem in gerontology is distinguishing causes from effects (see Table 1, below).  

Table 1. Genes that appear to modulate ageing in mammals 

Gene name  Common name  Phenotype  Primary reference 

Mouse (Mus musculus) 

 GHR/BP  Growth hormone receptor Increase in lifespan of 40–50% in homozygous knock‐outs 

Coschigano et al. (2000) 

 IGF‐R1  Insulin‐like growth factor type 1 receptor 

Heterozygous mice live 26% longer than wild‐type 

Holzenberger et al. (2003) 

 MSRA  Methionine sulfoxide reductase A 

Decreased lifespan and possible accelerated ageing in homozygous knock‐outs 

Moskovitz et al. (2001)

 p53  Tumour suppressor protein 53 Heterozygous mutant mice display signs of accelerated ageing 

Tyner et al. (2002)

 p66shc  p66shc (SHC1)  Roughly 30% increase in lifespan in ‐/‐ mice 

Migliaccio et al. (1999)

 PASG  Proliferation associated SNF2‐like gene 

Possible accelerated ageing phenotype due to disruption 

Sun et al. (2004)

 Pit1  Snell dwarf mouse  Lifespan increase of 42% in homozygous mice 

Flurkey et al. (2001)

 Thdx1  Thioredoxin  35% increase in average longevity in transgenic mice 

Mitsui et al. (2002)

 XPD  Xeroderma pigmentosum, group D 

Possible accelerated ageing phenotype due to homozygous mutation 

de Boer et al. (2002)

 

Human (Homo sapiens sapiens) 

 CKN1  Cockayne syndrome Type I Possible premature ageing due to recessive mutation 

Henning et al. (1995)

 WRN  Werner syndrome  Possible accelerated ageing due to recessive mutation 

Yu et al. (1996)

 Lamin A  Hutchinson–Gilford syndrome Possible premature ageing due to dominant mutation 

Eriksson et al. (2003)

 

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 9 

Page 10: AEB Practical Guide

 

One of the most intriguing phenotypes in the biology of ageing is the accelerated ageing witnessed in humans and animals as a result of certain mutations. Progeroid syndromes, as they are called, are rare genetic diseases of which the two most impressive forms are Werner's syndrome (WS) and Hutchinson‐Gilford's syndrome. Both these diseases have a phenotype that is remarkably similar to an accelerated ageing process, particularly in the case of WS. Though differences exist in terms of pathology, what most markedly distinguishes these syndromes is the age of onset, with Hutchinson‐Gilford's syndrome almost exclusively affecting children while WS patients normally reach adulthood.  These  diseases  have  attracted  considerable  attention  because  they may  provide  information  about  normal ageing processes. The gene responsible for WS has been cloned and  is designated WRN. The gene encodes a member of the E. coli RecQ DNA helicase family that converts double‐stranded DNA into single stranded DNAs. While it is known that E. coli RecQ participates in recombination and the repair of UV‐damaged DNA, the in vivo functions of the eukaryotic RecQ‐like helicases are currently unknown.   Ageing and oxidative damage Apart from inactivation of “longevity” genes, one of the prime candidates considered to contribute to ageing is the accumulation of oxidative damage  in cells. Eukaryotic cells are dependent on aerobic  respiration  for  the generation of the majority of their energy needs. This energy production (through the electron transport chain) also  generates  a  very  small  level  of  free  oxygen  radicals  which  can  damage  biological  molecules.    The accumulation  of  this  damage  can  lead  to  a  decline  in  cellular  function,  the  induction  of  mutations  and, eventually,  the death of  the  cell.   Cells  contain a  repertoire of  compounds and enzymes  such as ascorbate, peroxidases and superoxide dismutases that can scavenge or inactivate the free radicals and so protect the cell.  Loss of  these protective mechanisms  can  lead  to  the  rapid accumulation of damage and  cell  senescence or death, especially if the cells are stressed by high oxygen tensions (hyperoxia) or the presence of oxygen radical generators such as hydrogen peroxide.  Use of yeast as a surrogate for human The conservation of metabolic and signalling pathways between yeast and humans is strikingly high, leading to the expectation that ageing mechanisms will also be common to both organisms. While this is not necessarily the  case,  there  are  reasons  to  believe  that  in  both  organisms,  similar  cellular  systems will  fail  earlier  than others. Certainly, many of the genes that extend yeast  life span have human counterparts.   Indeed, the WRN gene  that  is mutated  in Werner’s  syndrome has a homologue,  called SGS1,  in  the yeast S.  cerevisiae. Yeast mutants  lacking SGS1 function have  life spans only 40% that of congenic wild type strains and undergo what appears to be a rapid ageing process. Initially, young sgs1 cells are indistinguishable from wild type by external phenotypes. After about five divisions, sgs1 cells begin to slow down in their cell cycle and eventually become senescent (cease dividing).   Similarly,  yeast  cells  which  have  one  of  the  superoxide  dismutases  (Mn‐SOD)  inactivated  (by  insertional deletion)  are  highly  susceptible  to  oxidative  damage  and will  rapidly  accumulate  damage which  negatively affects their lifespans. In this class, we will examine growth curves for the wild type yeast and for the sgs1 and Mn‐SOD‐ mutants under different oxidant conditions.   Cell Culture The  ideal way to study factors affecting growth  is to utilise cells that are growing  in a defined and controlled environment  (tissue or cell culture).   This can be achieved  for many cell  types,  including  those derived  from multicellular organisms, although there are limitations on the conclusions that can be drawn from experiments conducted solely on cells cultured  in vitro. While the controlled environment allows different conditions and factors  (drugs, growth  factors,  inhibitors) to be analysed, the complex  interactions of cell types that occur  in vivo cannot be reproduced in the lab. Cell culture techniques have been established for many organisms from both plants and animals as well as with various tissue types.   

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 10 

Page 11: AEB Practical Guide

 

A particularly useful experimental guidepost to the study of growth (and its decline!) involves the mathematical prediction of growth rates.  It can be demonstrated that simple equations that describe the colony growth of microorganisms  can  also  be used  to  describe  growth  of  eukaryotic  cells  in  cell  culture.   We will  use  these equations to help discriminate different populations: 

• a wild type yeast population growing under normoxia conditions; • a wild type yeast population growing under hyperoxia conditions; • yeast with a mutation in the Mn‐SOD gene, growing under hyperoxia conditions. • yeast with a mutation in the SGS1 gene, growing under normoxia conditions; 

Experimental (Work in pairs) 

Innocula of the yeast were placed into growth media (YEPD: 10g/l yeast extract, 20g/l peptone, 20g/l glucose) and allowed to grow with shaking (to provide aeration) for 18 hours at 30ºC under either normoxia conditions or hyperoxia (95% O2, 5% CO2). Samples were removed at various times and stored on ice. Within a group you need to analyse the growth of each of the four yeast samples (labelled A, B, C and D).  1. For each strain there are 8 samples that were collected at different times.  Pipette 200 µl of each sample 

into a well in a microtitre plate, making sure that the first well is a blank (YEPD media). You must swirl the contents of the tube before you take your sample (why?). 

2. Use the microtitre plate reader to determine the absorbance at 620nm (A620nm) for the samples. Transfer these results to the table on page 5.  Collect the results from another pair of students within your group so that you can average the results. 

3. You will need to determine the relationship between the number of cells in a sample and the absorbance at 620nm that you measured. For this, count the number of cells in a defined volume.  Use the samples placed near the microscope for this part of the exercise. Each student should count one sample. 

4. Pipette 20µl of yeast cells into a microfuge tube.  Again, ensure that you swirl the tube containing the yeast before you take the sample. 

5. Add 20µl of Trypan Blue dye to your sample. Mix gently and thoroughly.  Collect about 20µl with a micropipette. 

6. Immediately transfer the cell suspension to the notched side of the Kova Glastic Slide 10 by gently pipetting the suspension into the chamber at the gap indicated by the arrow in the diagram below.  You will need to share the counting slide with other students as there are 10 counting chambers on each slide.  

                  

1. Transfer the slide to the microscope stage and focus on the grid on the slide using the 10X objective. Then change to the 40X objective. 

2. Count the number of cells within a small grid (an area that just fills the field of view when using the 40X objective). Average your counts with those of the other pair of students sharing the slide. 

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 11 

Page 12: AEB Practical Guide

 

3. The section within the small grid contains a volume of 10‐5 ml. Therefore, the concentration can be calculated from:       c = n/v  where c = cell concentration (cells/ml), n = number of cells counted, and  v = volume counted  (ml). Use  this  to compute  the concentration  (cells/ml)  for  the yeast culture  (don’t forget the dilution factor!).   

4. A linear relationship exists between the absorbance at 620nm and the concentration of cells in a sample (until  the  number  of  cells  becomes  saturating  and  there  are  so many  cells  that  the  absorbance  has reached a maximum).   Consequently, by extrapolation, you can determine  the concentration of cells  in each of your samples based on  their absorbance at 620nm.   The sample that you counted was  from a yeast sample that had an absorbance of 0.3. 

5. Use this data to complete the table on page 5 and then prepare a growth curve (cells/ml vs time) using the graph paper provided.  Collect the data for the other yeast populations (A, B, C and D) from the other members of your group and plot the data for all samples on the one graph so that you can compare them directly. 

 

Sample Time 

sampled (hrs) A620 

Your data A620 

Colleague’s data AverageA620 

Cells/ml 

  0     

  2     

  6     

  8     

  10     

  12     

  14     

  18     

       

     Data for the other samples from your group: 

Sample Time  

sampled (hrs) 

Cells/ml  Sample Time  

sampled (hrs) Cells/ml 

  0      0   

  2      2   

  6      6   

  8      8   

  10      10   

  12      12   

  14      14   

  18      18   

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 12 

Page 13: AEB Practical Guide

 

 

   

Sample Time 

sampled (hrs) 

Cells/ml  Sample Time  

sampled (hrs) Cells/ml 

  0      0   

  2      2   

  6      6   

  8      8   

  10      10   

  12      12   

  14      14   

  18      18   

 6. Are the growth curves exponential in shape? If not, what shape are they? Why? 7. Label the following phases on your growth curves and identify what is occurring in each phase in the table 

below:  

  Growth phase  Growth characteristics 

1  Lag phase    

2  Exponential phase   

3  Stationary phase   

4  Declining phase   

 8. It is possible to determine the growth rate and generation time for these cultures using the following 

fomula: ln n = ln no + kt 

where no is the initial number of cells in a culture, n is the number of cells after time t and k is a constant for that culture representing the growth rate constant (growth rate/time).   This follows ONLY  for cells that are growing exponentially.   Consequently, you must choose values for no and n that are from the exponential phase of your growth curve, with the appropriate time interval.  For example, if at 6 hours there are 1000 cells and at 12 hours there are 10,000  cells, then: 

no = 1000;  n = 10,000;  t = 6 hours;  and k can be calculated from:  ln 10,000 = ln 1,000 + 6k 

  9.2 = 6.9 + 6k Therefore, k = 0.38/hr, or expressed another way, there is a 38% increase in population density every hour. 

 The generation time  (g)  i.e. the time  for the population to double, can also be calculated, using the following: 

g = ln2/k g = 0.69/0.38 =  1.82 hours 

So the doubling time for this strain is 1 hour and 49 mins.  

9. Calculate the growth rate and generation time for each of the yeast populations.  Based on this information and the shape of the growth curves, can you determine which population (A,B,C and D) corresponds to each of the different growth conditions? Why did you reach this decision? 

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 13 

Page 14: AEB Practical Guide

 

Practical 3: Histopathology of Breast Lumps 

Principal Teacher: A/Prof Gary Velan 

Specific objectives 

This practical class will provide you with an opportunity to recognise the histopathological features of common causes of lumps in the breast. The emphasis will be on the importance of findings on histological examination in  distinguishing  non‐neoplastic  and benign  lesions  from  carcinoma,  as well  as  their  relevance  to  assessing prognosis. 

Learning activities 

Case 1 ‐ Clinical History 

A 45 year old woman presented to her  local medical officer with a  lump  in the right breast. The  lesion, which was in the lower outer quadrant of her breast, had been noticed to be enlarging over the last two weeks. There was no change in the size or nature of the lump in relation to her menstrual cycle. On examination there was a 3 cm stony hard  lump, which was tethered  to  the overlying skin. There was dimpling of  the overlying skin on contraction of the pectoralis muscle. There were firm, but mobile axillary lymph nodes on the right side. 

Task 1 

The  class  will  be  divided  into  4  groups.  Each  group  will  be  assigned  one  of  the  4  virtual  slides  labelled "Fibrocystic  change,  breast",  "Fibroadenoma,  breast",  "Ductal  carcinoma,  breast"  and  "Metastatic adenocarcinoma,  lymph node". The members of  the group  should work  together  to prepare a presentation based on their slide. The presentation should include a histopathological description of the lesion, followed by a  discussion  of whether  the  lesion  is  consistent with  the  clinical  features  in  this  case.  You may  include comment  on  risk  factors  and  predisposing  conditions,  investigations,  prognostic  indicators  and  any  other relevant information. Each group will have 10 minutes to deliver their presentation; group members may elect their own spokesperson(s). 

Fibrocystic change, breast 

    

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 14 

Page 15: AEB Practical Guide

 

Fibroadenoma, breast 

  

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ductal carcinoma, breast 

 

 

 

 

 

 

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 15 

Page 16: AEB Practical Guide

 

Metastatic adenocarcinoma, lymph node 

     

         Four months later the patient returned with back pain and right shoulder pain. She had lost 6 kg in weight over the  past  two months  and was  anorexic.  Examination  revealed  tenderness  over  the  fifth  and  sixth  thoracic vertebrae and also over the right acromion. 

Task 2 

What is the likely cause of these symptoms and signs? What investigations would you perform to substantiate your provisional diagnosis?      The results of biochemistry tests are outlined in the table below:  

Clinical Chemistry Analyte  Measured Value Reference Interval   Sodium (mmol/L)  135 135‐145   Potassium (mmol/L)  4.1 3.4‐4.5   Chloride (mmol/L)  108 95‐110   Bicarbonate (mmol/L)  28 22‐32   Calcium (mmol/L)  3.0 2.10‐2.55   * Phosphate (mmol/L)  1.9 0.8‐1.50  * Urea (mmol/L)  6.0 3.0‐8.0   Creatinine (mmol/L)  0.09 0.05‐0.12   Bilirubin (mmol/L)  15 2‐20   Alkaline phosphatase (U/L)  285 38‐126  * �‐glutamyltransferase (U/L)  25 <30   AST (U/L)  31 <45   ALT (U/L)  26 <45   Tot Protein (g/L)  64 62‐80   Albumin (g/L)  35 33‐48   

 

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 16 

Page 17: AEB Practical Guide

 

Task 3 

How would you interpret the abnormalities based on the patient's clinical features and her past history? 

 

 

 

      The patient died four months later. The virtual slide labelled "Metastatic adenocarcinoma, bone" was prepared from tissues removed at autopsy. Your tutors will project and discuss this slide. 

Task 4 

Explain the sequence of events leading to the development of this lesion.     

      

Homework Task 

What  are  the  likely  causes of death  in  this woman? What other  abnormalities might  you  expect  to  find  at autopsy? 

    

   

References: 

Kumar, V., Abbas, A.K., Fausto, N. & Mitchell, R.N. (2007). Robbins Basic Pathology. (8th ed.). Philadelphia, PA: Elsevier Saunders. 

• Chapter 6, pp. 173‐185 • Chapter 19, pp. 739‐750 

  

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 17 

Page 18: AEB Practical Guide

 

Practical 4: Cranial Cavity and Introduction to the Brain 

Principal Teacher: Dr. Elizabeth Tancred 

Specific objectives 

1.  Identify bones forming the cranial cavity and cranial fossae. 2.  Identify meningeal coverings of the brain and major dural reflections (falx cerebri, tentorium cerebelli). 3.  Identify major  parts  of  the  brain,  including  key  gyri  and  sulci  and  lobes  of  the  cerebral  cortex,  and 

observe their relationship to skull bones, falx cerebri and tentorium cerebelli.  4.  Identify the components of the ventricular system of the brain and its relationship to the subarachnoid 

space 

Learning activities 

1.  Identify  the bones  that  form  the cranial cavity –  frontal bone  (squamous and orbital parts),  temporal bone (squamous, petrous parts, mastoid and styloid processes), sphenoid bone (body, greater and lesser wings)  and  occipital  bone  (squamous  and  basilar  (clivus)  parts,  internal  and  external  occipital protuberances).  Identify the sagittal, coronal and occipitotemporal sutures, the bregma and the lambda.  What is the significance of the bregma in infants? 

 2.  Note the bones that form the anterior, middle and posterior cranial fossae and the hypophysial fossa.  

Identify  the  following  foramina  –  f. magnum,  internal  acoustic meatus,  f.  lacerum,  f.  ovale  and  f. rotundum, jugular f. and the superior and inferior orbital fissures.  As we proceed through the course you will  learn about the structures that pass through these  foramina.   You do not need to know their details at this stage. 

 3.  On prosected specimens examine the dura mater, the outermost layer of the meninges, which lines the 

inside of the cranial cavity.  Note the presence of tentorium cerebelli and the falx cerebri, double layers of dura mater that divide the cranial cavity into compartments and hold the brain in position.  On a brain specimen  identify  the arachnoid mater and  the pia mater.   These are separated by  the subarachnoid space which contains cerebrospinal fluid and blood vessels. 

 4.  Examine whole and half brain specimens and  identify the components of the hindbrain – the medulla 

oblongata  (a  continuation  of  the  spinal  cord),  pons  and  cerebellum.    Identify  the  relatively  small midbrain and in front of it, the hypothalamus and thalamus.  Together the medulla, pons and midbrain form  the  brainstem.    The  hypophysis  (pituitary  gland)  attaches  to  the  ventral  surface  of  the hypothalamus just behind the optic chiasm but it breaks off when the brain is removed from the skull.  In general terms what are the main functions of the brainstem, cerebellum and hypothalamus? 

 5.  Identify the major parts of the cerebellum ‐ identify its two large cerebellar hemispheres, the relatively 

narrow midline part  that connects  them,  the vermis  (L. vermis =worm), and  the  flocculus a separate small area of cerebellar cortex on each side. 

 6.  Now examine  the  large cerebral hemispheres,  separated by  the  longitudinal  fissure and covered by a 

highly folded layer of grey matter called the cerebral cortex.  The cerebral cortex has a very large surface area and  in order  to  fit  into  the cranial cavity  it  is  thrown up  into  folds  (known as gyri), separated by grooves  (known  as  sulci).    On  the  lateral  surface  identify  the  central  sulcus  (passing  downwards approximately midway between  the anterior and posterior poles of  the brain) and  the  lateral  sulcus.  Identify  the precentral and postcentral gyri.   On  the medial surface  identify  the parieto‐occipital and calcarine sulci.   Now  identify  the  four  lobes of  the cerebral cortex –  the  frontal  lobe  (anterior  to  the central  sulcus),  the parietal  lobe  (between  the parieto‐occipital and  central  sulci),  the  temporal  lobe (inferior to the lateral sulcus) and the occipital lobe (posterior to the parieto‐occipital sulcus).  Note that each lobe of the cerebral cortex is named according to the skull bone that overlies it.  On the half brains identify the corpus callosum, a  large bundle of white matter that  interconnects the two hemispheres.  

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 18 

Page 19: AEB Practical Guide

 

What part or lobe of the brain occupies each of the anterior, middle and posterior cranial fossae?  What is the function of the cerebral cortex (in general terms)? 

 7.  Finally  examine  the main  components  of  the  ventricular  system  of  the  brain  –  the  fourth  ventricle 

(between  the pons and  cerebellum),  the  cerebral aqueduct  (passing  through  the midbrain),  the  third ventricle  (between the two thalami) and the  interventricular  foramen, an opening  just  in  front of the thalamus that  leads  into the  lateral ventricle (located within the hemisphere).   CSF  is produced within the ventricles.  How does it get into the subarachnoid space? 

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 19 

Page 20: AEB Practical Guide

 

Practical 5: Brainstem 

Principal Teacher: Dr. Elizabeth Tancred 

Specific objectives 

1.  Identify  external  features  of  the medulla,  pons  and midbrain  and  understand  their  relationship  to internal structure. 

2.  Identify the boundaries and openings of the fourth ventricle, including the rhomboid fossa. 3.  Identify  the  characteristic  features of  cross‐sections of  the brain  stem  at  the  following  levels:  caudal 

medulla, rostral medulla, mid‐pons, midbrain (superior colliculus) levels. 4.  Identify major motor  (corticospinal)  and  sensory  (spinothalamic  and medial  lemniscus)  tracts  in  the 

brainstem. 

Learning activities 

Gross Anatomy 1.   Study the external features of the brainstem. Inspect the medulla.  Identify the pyramids, olive, gracile 

and  cuneate  fasciculi  and  tubercles  and  the  inferior  cerebellar  peduncle.    The  corticospinal  fibres, which  run  in  the pyramids, cross  to  the opposite  side at  the  junction of  the medulla and  spinal cord forming  the pyramidal decussation.   At  this  level  the  ventral median  fissure  can usually be  seen  to deviate to one side. 

2.  Inspect  the  pons.    Identify  the  large middle  cerebellar  peduncle,  the  attachment  of  the  trigeminal nerve,  the  superior  cerebellar  peduncles  and  the  superior medullary  velum  connecting  them.  The ventral surface of the pons is formed by the base of the pons, which contains the pontine nuclei. 

3.   Inspect  the  floor  of  the  fourth  ventricle  (rhomboid  fossa).  List  the  boundaries  and  openings  of  this ventricle.  Identify the obex, the most caudal point of the rhomboid fossa and the deep groove  in the midline, the median fissure, connecting the caudal end of the cerebral aqueduct with the entrance to the central canal of  the spinal cord. Further details of  the  rhomboid  fossa will be studied  in  the next practical. 

4.   Inspect the midbrain.  Its dorsal part is formed by two grey masses, the superior and inferior colliculi, which are collectively known as the tectum (L. = lid) of the midbrain. The ventral part of the midbrain is dominated by the cerebral peduncles, two massive structures containing fibre systems descending from the forebrain towards the brainstem and cord. Between them, ventrally,  is the interpeduncular fossa.  Identify  the exits of  the  two cranial nerves, which emerge  from  the midbrain,  the oculomotor nerve arising  from  the  interpeduncular  fossa,  and  the  trochlear nerve  arising  from  the dorsal  surface,  just caudal to the inferior colliculus.  Identify the isthmus, the narrow region of the brainstem that forms the transition between pons and midbrain. 

5.  Examine  the major  arteries  that  supply  the brainstem.    Identify  the paired  vertebral arteries, which unite  at  the  pontomedullary  junction  to  form  the  basilar  artery.  Identify  the  posterior  inferior cerebellar  artery  (arising  from  the  vertebral)  and  superior  cerebellar artery  (from  the basilar).    The basilar artery ends by dividing into the two posterior cerebral arteries.  Note that each of these arteries send small penetrating branches that enter the brainstem. 

 Microscopic Anatomy Examine cross‐sections through the brainstem using “BrainStorm” on School computers.  A CD of BrainStorm is also available for purchase from the University Bookshop.  Open the program, select Cross‐sections, select the Brainstem  submenu  then  select  the  ‘Caudal Medulla  –  Sensory  Decussation’  cross‐section.    The  sections photographed for these frames were stained for myelinated fibres,  in which the tracts are darkly‐stained and the grey matter appears lighter. The density of myelinated fibres within the grey matter is not uniform and thus some nuclei (specific cell groups) within the grey matter are recognizable, as clear, less stained regions.  You will notice that the plane and  level of the cross‐section are shown  in the upper right hand corner of the screen. Structures in the main image can be identified (selected) either by clicking on the structure in the image or on its name in the Structures list.  Once a structure is selected, a window with statement about the function 

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 20 

Page 21: AEB Practical Guide

 

of the structure can be displayed by clicking on the Function button and the structure can be followed through consecutive levels by clicking on the up or down arrows in the upper right of the screen. You can view a gross dissection, diagram or information screen about it by clicking on the G, D, I (or X – cross‐section) buttons.  As  you  identify  the  structures  listed below on  the  computer  sections, mark  and  label  their  location on  the outline diagrams provided.  1.  Examine  the  Caudal Medulla  –  Sensory  Decussation  cross‐section.    Note  or  identify  the  following 

characteristic features:  (i)  its roughly circular shape (ii)  the presence of the central canal, which extends throughout the spinal cord and into the caudal 

medulla.  (iii)  the pyramids, on the ventral surface – these are  formed by the descending  fibres of our major 

motor tract, the corticospinal tract. (If you view the section below (click the down arrow  in the upper right corner) you will see that these fibres cross over to descend on the opposite side of the spinal cord). 

(iv)  the  gracile  and  cuneate nuclei  form  two  swellings  (the  gracile  and  cuneate  tubercles)  on  the dorsal  surface.    These  nuclei  are  part  of  a  chain  of  neurons  that  transfer  somatosensory information from the spinal cord to the cerebral cortex.  Fibres (axons) arising from cells in these nuclei  (internal arcuate  fibres)  can be  seen passing ventrally and medially  through  the  central core of grey matter (the reticular formation) before they cross over in the sensory decussation.  They  then  form  a  prominent  bundle  called  the medial  lemniscus, which  ascends  through  the brainstem to the thalamus. 

(v)  the spinal nucleus of the trigeminal nerve – this is a continuation of the dorsal horn of the spinal cord and is involved in relaying somatosensory information from the head to the cerebral cortex. 

 2.  Now examine the Medulla ‐ Rostral cross‐section. (This can be reached by clicking the UP arrow three 

times or by going back to the Cross‐Sections menu).  The major distinguishing features of this level are: (i)  the presence of the very prominent  inferior olivary nuclei, dorsolateral to the pyramids,  (which 

you will note, are still in the same location as the previous section). (ii)  the central canal  is no  longer present.    Instead,  it has opened out  to  form  the  fourth ventricle, 

which  is  located dorsal  to  the medulla at  this  level.   Note  the choroid plexus,  forming  its  roof. What is the function of the choroid plexus? 

(iv)  the prominent medial lemnisci, lying on either side of the midline, dorsal to the pyramids (v)  the  reticular  formation, which,  at  this  level,  contains  important  respiratory  and  cardiovascular 

control centres (vi)  the floor of the fourth ventricle is formed by nuclei associated with cranial nerves and which you 

do not need  to  identify  individually  at  this  stage.   However  you will notice  a  sulcus  called  the sulcus  limitans,  which  separates  nuclei  involved  in  motor  control  (medial  to  it)  from  those involved in sensory processing (lateral to it).  

(vii)  the inferior cerebellar peduncle, forming on the dorsolateral corner of the section.  3.  Examine the Pons – Trigeminal Nuclei cross‐section.  Note the following features: 

(i)  the  two  main  parts  of  the  pons,  the  large  base  (the  basis  pontis)  and  the  relatively  small tegmentum more dorsally.   The basis pontis contains grey matter (the pontine nuclei) scattered amongst both descending and transverse fibres.  

(ii)  the corticospinal tracts passing down through the basis pontis (iii)  the massive middle  cerebellar  peduncles  on  its  lateral  sides.    These  contain millions  of  fibres 

passing from the pontine nuclei into the cerebellum. (iv)  the fourth ventricle, dorsal to the pons, with the superior cerebellar peduncles forming its lateral 

walls. (v)  the medial lemniscus, which has been pushed dorsally by the presence of the pontine nuclei and 

associated fibres.  

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 21 

Page 22: AEB Practical Guide

 

4.  Examine the Midbrain – Superior Colliculus cross‐section and note the following features: (i)  the tectum, forming the dorsal part of the midbrain.  It is formed by two (paired) grey masses, the 

superior colliculus at this level and the inferior colliculus, more caudally. (ii)  the cerebral peduncles forming the ventral part of the midbrain (iii)  the fourth ventricle is no longer present.  It has closed down to form a rather narrow canal called 

the cerebral aqueduct.  This is surrounded by the periaqueductal grey matter. (iv)  the base of  the  cerebral peduncle  (also  known  as  the  crus  cerebri)  is  formed by white matter 

which includes the corticospinal tract in its middle third. (v)  the decussation of  the SCP  (the dark mass  in  the  centre)  formed by  the  fibres of  the  superior 

cerebellar  peduncle  (previously  identified  in  the  pons)  crossing  over  to  the  opposite  side (decussating). 

(vi)  the substantia nigra, an important motor nucleus which will be studied later in this course. (vii)  the medial lemniscus, pushed laterally by the decussation of the SCP.   

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 22 

Page 23: AEB Practical Guide

 

Practical 6: Membrane Potentials 

Principal teacher: Dr. Andrew Moorhouse 

Safety Summary: Physiology Practical

MEMBRANE POTENTIALS

CLOSED SHOES REQUIRED Hazards:

Chemical Hazard. Concentrated KCl can be an irritant

A. Safety controls to be observed: Only dilute KCl solutions are used in the large reservoirs. The concentrated KCl in the small reservoir should not need to be replaced unless it has become contaminated. If you suspect this needs to be replaced, use gloves and carefully use the pasteur pipette to refill the small reservoir.

B. In the event of an emergency evacuation: • Stop the experiment, log off the computers and turn off the voltmeter • Wash your hands. • Dispose of gloves in the biological hazards bag • Pack up your bags. • Follow the instructions of the Demonstrators.

C. Clean-up: • Dispose of gloves in the biological hazards bag • Wash your hands thoroughly at the conclusion of the practical class.

Declaration: I have read and understand the safety requirements for this practical class and I will observe these requirements Signature: ........................................ Date: .........................................  

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 23 

Page 24: AEB Practical Guide

 

INTRODUCTION Students often find the concept of transmembrane potentials a difficult one. This class has been designed to show that  ‐‐ whatever the complexities of all of the fine details  ‐‐ the principles which govern the origin and magnitude of these potentials are relatively simple.  The first point to grasp is that the concentration differences which exist across the membranes of living cells – i.e. between  the  intracellular  fluid  (ICF) and  the extracellular  fluid  (ECF)  ‐‐ are essentially energy differences. When these fluids are partitioned by a membrane which allows no electrolyte permeation, then no potential differences across the membrane occur.   However, when the separating membrane  is selectively permeable, then ions move down their concentration gradient across the membrane and, as ions have positive or negative charges, a transmembrane potential difference is established.  In  this  class we will model  the  cell with  a  simple  Perspex  apparatus which  consists  of  two  chambers  (to replicate  the  ICF  and  the  ECF)  separated  by  an  artificial  hydrocarbon  membrane*  which  is  selectively permeable to either anions or cations. These  ion exchange membranes have fixed charges within them (from sulphonic  acid  or  quarternary  ammonium  groups)  that  preferentially  allow  ions  of  the  opposite  charge  to permeate, and are used for various industrial applications (desalination, concentration of table salt, purification of solutions).  KCl  solutions of different  concentrations will be used  in  the  two  chambers. One of  these  chambers will be considered the ICF and its concentration will be unchanged at 150mmol/litre; the other will be deemed the ECF and its concentration will be varied (as may occur in natural circumstances, though not to the extent which we will employ in these experiments).  We  have  tried  to minimise  the  technicalities. However,  you  should  note  that,  in  order  to  reduce  artefacts associated with  the  electrodes,  they  (AgCl‐coated  silver  [Ag] wire)  are  connected  to  the  fluid  chambers  via "salt‐bridges" (polythene tubes filled with 3 molar KCl in agar gel).  The potentials will be measured with simple digital multimeters (used as voltmeters).  The experimental set‐up and procedures are given on the next page.   LEARNING OBJECTIVES 1) To measure potential differences across a  selectively permeable membrane  separating  two  solutions of 

different ionic composition, and to measure how the magnitude of this potential varies as a function of the ionic concentration gradient. 

 2) To determine if the artificial membrane is more permeable to cations (K+) or anions (Cl‐).  3) To calculate the theoretical equilibrium potentials for K+ and Cl‐ at different concentration gradients using 

the Nernst equation and to consider how this relates to the measured potentials.  4) To  gain  experience  plotting  results  and  to  consolidate  principles  relating  to  membrane  potentials  in 

excitable cells   

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 24 

Page 25: AEB Practical Guide

 

Measurement of electrical potentials across an artificial membrane The simple experimental setup used for measuring the transmembrane potentials is shown in Figure 1.  Identify and label the ICF, ECF, salt bridges, voltmeter and Ag/AgCl electrodes.  Include the solution composition in the different compartments.           

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 1. The Experimental Set‐Up  The two halves of the perspex bath have been clamped together to sandwich an artificial membrane between an aperture on each of them.  The bath contains two main chambers (ICF and ECF) and two auxiliary recording chambers  (filled with 3M KCl) containing Ag/AgCl electrodes.   Polythene salt bridges  (with 3M KCl and 3‐4% agar) connect the main chambers to the auxiliary chambers. This provides a stable method for measuring the potentials, which are displayed on  the voltmeter.   The chamber connected  to  the voltmeter ground  (ie zero potential) electrode is defined as the ECF (just as membrane potentials are defined as the intracellular potential with respect to the extracellular potential).  EXPERIMENTAL PROCEDURE Fill both reservoirs with 150mmolar (mM) KCI (carefully making sure that there are no air bubbles in the vicinity of  the membrane) and ensure  the  salt‐bridges and  silver‐silver chloride  (Ag‐AgCl) electrodes are correctly  in place and the ECF chamber  is connected to ground.   Measure the potential  (with the voltmeter set onto the 200 mV range).  Consult a demonstrator if the value is not close to zero or is continuously changing.  Record the voltage. Note room temperature.  Keep the 150 mM solution in the ICF throughout the experiment.  Use the Pasteur pipette to suck the solution from the other reservoir  (the ECF); make sure that all solution  is drained  from the tunnel which  leads to the membrane.   Using  a  different  pipette,  fill  this  chamber with  100mmolar  KCI  solution;  repeat  the  drainage procedure and refill with the 100mmolar solution to ensure proper washout of the previous solution. Record the voltage. 

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 25 

Page 26: AEB Practical Guide

 

Repeat  the  solution  exchange  procedure  (double  washout)  and  voltage measurement  using  the  following solutions:  50mmolar,  10mmolar,  5mmolar,  1.5mmolar.  Flush  the  filling  syringe  with  a  little  of  each  new solution before adding it to the reservoir. Conclude with 150mmolar solutions in both chambers to check that, in this experimental condition, the membrane potential has not shifted from its initial value.  EXPERIMENTAL RESULTS i) Record the measured membrane potential values in Table 1 below.  ii) Based on your results, determine if your membrane is K+ selective or Cl‐ selective (think about the direction of the KCl concentration gradient and the sign of the charge across the membrane)  proposed selectivity of the membrane ……………………………………………..  Table 1. Experimental and theoretical results 

Concentration of KCl in the outside bath 

[KCl]o  (mM) 

Membrane Potential (mV) 

Theoretical K+ equilibrium (Nernst) 

Potential (mV) 

Theoretical Cl‐ equilibrium (Nernst) 

Potential (mV) 

150 mM       

100 mM       

50 mM       

10 mM       

5 mM       

1.5 mM       

150 mM        

 Write some notes on how the membrane potential was generated. What ion was involved? What direction did it move?  Why did the voltage not continually change for the smaller gradients?  Why was there some drift in voltage for the largest gradient? 

         

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 26 

Page 27: AEB Practical Guide

 

iii) Calculate the theoretical equilibrium potential for both K+ (EK+) and Cl‐ (ECl‐) at each concentration gradient 

using the Nernst equation (below).  Include these results in Table 1.  Use the space below to show each step in at least one calculation of ECl‐ and one of EK+.  Recall that the Nernst equation gives the electrochemical equilibrium potential for a single ion.  In other words, it describes  the membrane potential  in  the  case of a membrane  that  is perfectly permeable  to  just one  ion species.  As an ion diffuses across a membrane down its concentration gradient it carries a charge with it.  This charge difference, or electrical potential difference, will oppose further diffusion of the ions down their chemical gradient.  Very  quickly  the  ion  comes  into  equilibrium,  where  the  electrical  potential  exactly  balances  the chemical gradient, and there is no further net flux/movement of ions. 

The Nernst equation is: 

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=

i

om X

XzFRTV

][][ln

where R  is  the gas constant  (8.3145 VCmol‐1K‐1), T  is absolute  temperature  (293.15 K at 20°C), F  is Faraday’s constant (96,485 Cmol‐1) and z is the valency of the ion species, X. The concentration of the ion, X, in the outside bath is given by [X]o and that for the inside bath is [X]i.     ECl‐ calculation:               EK+ calculation:   

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 27 

Page 28: AEB Practical Guide

 

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 28 

  2 3 4 5 6 7 8 9 2 3 4 5 6 7 8 9 2 3 4 5 6 7 8 91 1 1 1

Page 29: AEB Practical Guide

 

iv) Plot your measured potentials against the concentration of KCl on both the standard  (linear‐linear) graph paper provided, and then on the log‐linear graph paper.  Include a plot of either EK+ or ECl‐ against the K

+ or Cl‐ concentration on your log‐linear graph paper. 

 

v) Was each membrane potential equal to the theoretical Nernst potentials?  What does it mean if the values are exactly equal?  What does it mean if the measured voltages are not exactly equal to the Nernst potentials for K+ or Cl‐? 

    

   

  

 

 

 

 

 

 

 

 APPENDIX 1: REFINEMENTS USING ACTIVITIES RATHER THAN CONCENTRATIONS Strictly  speaking,  quantification  of  all  such  phenomena  which  follow  from  the  properties  of  electrolyte solutions  ought  employ  activity  rather  than  concentration  in  every  calculation.  This  is  because  inter‐ionic attractions reduce the "freedom" of the ions to move and those attractions (and hence the difference between calculated concentration and activity) are dependent upon ionic "strength" (i.e. concentration). Activity can be calculated from concentration using the relationship: 

a = γc where: a is activity; c is concentration and γ is the activity co‐efficient (see Table, below).   c (mmol)  1.5  2.5  5.0  10 25 50 75 100  125  150γ  0.958  0.946  0.927 0.902 0.858 0.817 0.750 0.770  0.753 0.740  

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 29 

Page 30: AEB Practical Guide

 

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 30 

  APPENDIX 2: CALCULATING THE MEMBRANE POTENTIAL WHEN BOTH K+ AND Cl‐ ARE PERMEABLE USING THE GHK EQUATION  

The Nernst equation is only equal to the membrane potential when only one species of ion can permeate the membrane.  When, as in this practical class, the membrane is permeant to more than one ion a more complex equation,  the  Goldman‐Hodgkin‐Katz  (GHK)  equation,  must  be  used  to  take  into  account  the  relative permeability of  the membrane  to each  ion present.   When only K and Cl‐ are present,  the equation can be simplified using permeability ratios. 

 

The simplified GHK equation is: 

where Vm  is  the membrane  potential,  R  is  the  gas  constant  (8.3145 VCmol‐1K‐1),  T  is  absolute  temperature (293.15  K  at  20°C),  F  is  Faraday’s  constant  (96,485  Cmol‐1),    is  the  relative  permeability  of  the membrane  to  potassium  and  chloride,  and  subscripts  o  and  I  refer  to  the  extracellular  and  intracellular concentrations (or, even better, activities), respectively.  

.: PClPK

 

 

Results and other notes     

              

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−++−++

⋅=oCliKPClPKiClKPClPK

FRTV o

m ][].[:][].[:

ln

Page 31: AEB Practical Guide

 

Practical 7: Oestrogen receptor binding 

Principal Teacher: Dr. Anne Galea 

Aims 

• To illustrate the principles of a binding assay. • To  illustrate  how  the  properties  of  oestrogen  receptors  present  in  breast  cancer  tissue  might  be 

investigated. 

Risk Assessment 

• Diethylstilbesterol is carcinogenic.  • [3H]‐estradiol is radioactive.  • Lamb uterine tissue cell‐free extract is a potential biological hazard and potentially infectious.   • Gloves must be worn for this experiment and all laboratory work must be confined wherever possible to 

an area of bench covered with disposable "bench‐coat".   • Demonstrators will give specific  instructions on the handling of radioactive materials and these must be 

adhered to at all times.   • All spillages must be wiped up immediately, and all waste placed in the containers for radioactive waste. 

 

Introduction 

The ability of a cell  to  respond  to  the hormone oestrogen depends on  the presence of  specific high affinity 

receptors,  since  like  other  hormones  it  functions  at  very  low  concentrations  (10‐8  ‐  10‐10 M).   Oestrogen receptors  are  members  of  a  superfamily  of  intracellular  receptors  that  bind  steroids,  retinoids,  thyroid hormones and Vitamin D.  When the ligand binds to the receptors, the receptors then bind directly to specific regions  in genomic DNA which  regulate  the  transcription of  specific genes.   All members of  the  superfamily have similar structures; they contain a transcription activating domain near the N terminus, followed by a DNA‐binding domain with a hormone binding domain at the C terminal end of the protein.  Binding of the hormone changes the conformation of the receptor protein, exposing the DNA binding domain and promoting transport to the nucleus.  This practical involves investigating the binding of [3H]‐labelled oestrogen to its receptors in a cell‐free extract of ovine uterine tissue. 

Ligand/Receptor Binding Assays 

The binding of a ligand to a receptor is a saturable phenomenon. The quantity of receptor is limited, resulting in a finite number of binding sites and a limited capacity to bind a specific ligand.  However, in crude systems such as cell‐free extracts it is common to also observe a component that is non‐specific, has low‐affinity and is apparently non‐saturable ligand binding.  This results from interactions with a variety of components.  Ligand binding can be studied using labelled ligand, by incubating with a biological sample containing the receptor to allow ligand‐receptor association to reach equilibrium, separating “free” (unbound) ligand from receptors (and “bound” ligand) and measuring the amount of “bound” ligand associated with the receptors.  It is essential that the “label” should be measurable at very low concentrations and should not affect ligand‐receptor interactions.  As a result, radio‐labelling (e.g. [3H]‐oestrogen) is commonly employed for binding studies.  Non‐specific ligand binding  can be assessed by  carrying out parallel experiments  in  the presence of a high  concentration of an unlabelled  ligand  (e.g.  diethylstilbesterol)  for  the  receptor  of  interest.    The  unlabelled  ligand  saturates  the specific, high affinity receptor sites but does not affect low affinity non‐specific binding of the labelled ligand.  This is illustrated in the binding curves for [3H]‐oestrogen to rat uterine cytosol in the absence and presence of unlabelled diethylstilbesterol (DES) shown below. 

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 31 

Page 32: AEB Practical Guide

 

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 32 

Figure 1:  Steroid binding to specific and non‐specific sites.  The quantity of specifically bound steroid is determined by subtracting non‐specific (+DES) from total (‐DES) binding.  

   

The  line designated as  "total"  (‐DES)  in Figure 1,  represents  [3H]‐oestrogen bound  to both  specific  receptor sites  and  non‐specific  binding  sites  and  thus  reflects  both  saturable  and  non‐saturable  components.  The saturable,  or  receptor  component  is  defined  by  the  arithmetic  difference  between  total  and  non‐specific 

binding. Non‐specific or non‐saturable binding is measured as the [3H]‐steroid bound in the presence of excess unlabelled competitive ligand (diethylstilbesterol).  This method assumes that non‐specific binding sites are of low affinity and high capacity  relative  to  the  receptor system, which  is  true  for uterine oestrogen receptors, and would have to be verified when investigating other hormone receptors.  

Analysis of Binding Assays (Scatchard Analysis)  

The method of choice for analysis of binding data (shown in Fig. 2) uses Scatchard Plots.  This analysis permits one to estimate the number of specific receptor sites (n) after subtracting non‐specific or non‐saturable binding from total binding (as in Fig. 1) and the dissociation constant (Kd) of the ligand‐receptor complex (and thereby assess the affinity of the receptor for the ligand).   

 All proteins, receptors included, bind their specific ligands (from the word “ligate”, to bind or attach) according to the laws of mass action, i.e. there is an equilibrium between free receptor R, free ligand L (e.g. estradiol) and the receptor‐ligand complex R‐L. 

   R + L <‐‐‐‐‐> R‐L  The dissociation constant Kd for estradiol and its receptor can be written as,    Kd = [R] [L]  = ([R]total ‐ [R‐L] ) [L]             ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 1.              [R‐L]         [R‐L]  

0 5 100.0

0.5

1.0

TotalSpecificNon-Specific

TOTAL STEROID (nM)

[BO

UN

D S

TER

OID

] (pm

ol)

Page 33: AEB Practical Guide

 

This equation can be used to derive various forms of the Scatchard equation, of which the most useful for the type of binding study in this experiment is:      B  =  (Bmax‐B)              ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 2.     F            Kd 

 where  B  =  concentration  of  specifically  bound  ligand,  F  =  concentration  free  ligand  and  Bmax  is  the  total concentration  of  ligand‐binding  sites  on  receptors.    Thus  a  graph  of  B/F  against  B  (both  of which  can  be calculated from the experimental results) will give a straight  line from which the Kd and the concentration of receptor ligand‐binding sites on receptors can readily be determined ‐ see Figure 2.  

0

1

2

3

4

5

B/F

0 1 2 3 4

B (nM)

 Figure 2  Determination of receptor binding parameters. The data for specific binding is used for construction of a Scatchard plot (B/F against B).  The concentrations of “bound” (B) and “free” (F) ligand may be measured directly in binding experiments.  The Scatchard Plot gives a straight line with a slope of –1/Kd and an x‐intercept of Bmax.  Furthermore, the parameters Bmax (which equates to the number of receptor binding sites (n) present) and  Kd  have  practical  use  and  significance.    Consequently,  Scatchard  Plots  are  the  preferred method  for analysing data from binding studies. 

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 33 

Page 34: AEB Practical Guide

 

EXPERIMENTAL (Work in Pairs) 

Lamb Uterine Cell‐free Extract (prepared for the Class) Tissue was homogenised in 10 volumes of 10 mM Tris/HCl buffer, pH 7.4, containing 1.5 mM EDTA and 5mM sodium molybdate. Prior to homogenisation, 10 µl of 10% aqueous monothiolglycerol was added to 10 ml of the above buffer. After centrifugation  for 10 min at 600 x g  to  remove cell debris etc.,  the supernatant was transferred to polypropylene tubes and centrifuged at 10,000 x g for 1 hour and the supernatant collected ‐ this is the lamb uterine cell‐free extract. 

Incubation with [3H]17β‐Estradiol (E2) 

1) Set up the following twelve incubation mixtures in labelled microcentrifuge tubes: 

   

  Tube Number 

Addition (µl)  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12 

Buffer  25  25  25  25  25  25  ‐  ‐  ‐  ‐  ‐  ‐ 

DES in buffer  ‐  ‐  ‐  ‐  ‐  ‐  25  25  25  25  25  25 

Cell‐free extract  100  100  100  100  100  100  100  100  100  100  100  100 

[3H]‐E2   

0.75 nM  25  ‐  ‐  ‐  ‐  ‐  25  ‐  ‐  ‐  ‐  ‐ 

1.5 nM  ‐  25  ‐  ‐  ‐  ‐  ‐  25  ‐  ‐  ‐  ‐ 

3 nM  ‐  ‐  25  ‐  ‐  ‐  ‐  ‐  25  ‐  ‐  ‐ 

6 nM  ‐  ‐  ‐  25  ‐  ‐  ‐  ‐  ‐  25  ‐  ‐ 

12 nM  ‐  ‐  ‐  ‐  25  ‐  ‐  ‐  ‐  ‐  25  ‐ 

30 nM  ‐  ‐  ‐  ‐  ‐  25  ‐  ‐  ‐  ‐  ‐  25 

 

Buffer:   10 mM Tris/HCl, 1.5mM EDTA, 5mM sodium molybdate, pH7.4. 

DES:  1.5 mM diethylstilbesterol in the above buffer. 

[3H]‐E2:  [2,4,6,7‐3H]17β‐estradiol.  

 

 

2) Carefully mix the contents of each tube by inversion. 

3) Place in 5˚C water bath for at least 30 min. While the tubes are incubating, discuss the experiment 

with your demonstrator. 

4) At the end of the incubation, centrifuge briefly (why?) before adding 150 µl dextran‐coated charcoal 

to each tube and mixing. 

5) Transfer tubes to the 5˚C bath and mix four or five times over a 5 min. period. 

6) Centrifuge for 2 min. 

7) Carefully remove tubes. Place your tubes in a rack and transfer 150 µl of clear supernatant into clean, 

labelled microcentrifuge  tubes  (numbered  1‐12).   Do not disturb  the  charcoal which  contains  the 

unbound [3H]E2. The clear supernatant contains the protein‐bound [3H]E2. Place your 12 tubes in the 

rack  provided  by  your  demonstrator.    Your  samples will  be  processed  overnight  and  the  average 

group data for dpm in each of the 12 tubes will be provided online within the next week.  

 

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 34 

Page 35: AEB Practical Guide

 

RESULTS and CALCULATIONS 

The specific activity of the [3H]17β‐Estradiol is 61.8 Ci/mmol.  (This means that 1 nmol of the [3H]17β‐Estradiol gives 1.36 x 108 dpm.  The protein concentration of the lamb uterine cell‐free extract is 0.60 mg/ml. 

 

[3H]17β‐Estradiol concentrations Determine  the Total  [3H]‐E2 concentration  in each binding assay  tube. The concentration of  [

3H]‐E2 added  to tubes 1 and 7 was 0.75 nM.   However,  this was diluted by  the addition of 100 µl cell‐free extract and 25 µl buffer or DES  in buffer.   Calculate the final total concentration of [3H]‐E2  in the 150 µl binding assay.   Repeat this calculation for the other 10 tubes.  Multiply your average group dpm values for each tube by 2 (only 150 µl of the 300 µl after addition of charcoal was measured).  Use the specific activity given above to calculate pmol of bound estradiol (both total and non‐specific).  Calculate pmol of specifically‐bound estradiol by subtraction, and plot your data as shown in Figure 1.  Calculate  the  concentrations  of  specifically‐bound  (B)  and  non‐specifically‐bound  estradiol  at  each  total estradiol  concentration  from  the  pmol  values  calculated  above.    Remember  that  the  total  volume  in  each binding experiment was 150 µl (the volume before addition of the charcoal).  Calculate  the  concentration  of  free  estradiol  (F)  at  each  total  estradiol  concentration  by  subtracting  the concentrations of both specifically‐ and non‐specifically‐bound estradiol from the totals.  Scatchard Plot Calculate values of B/F and plot your group data as a Scatchard Plot (see Figure 2).   From the Sctachard Plot calculate the Kd of the Oestrogen Receptor for estradiol and the concentration of estradiol binding sites in the binding assays (=Bmax).  Using the protein concentration of the cell‐free extract, calculate the concentration of estradiol binding sites per mg protein.   Sample data:        Tube No.              dpm 

1  5192  10313  14794  25335  29766  47297  268  509  10910  19611  38512  1076

  

Sample Calculations Your calculations might look like this.  (The "Sample data" for tubes 1 & 7 have been calculated.) Tubes  [E2]  [E2]  Total bound  Non‐spec bound  Specific bound  [B] nM  [F] nM  [B]/[F] 

  (stock) nM  (assay) nM  E2 (pmol)  E2 (pmol)  E2 (pmol)       

1 & 7  0.75  0.125  0.00763 0.00038 0.00725  0.0483  0.0741 0.652

2 & 8  1.5       

3 & 9  3       

4 & 10  6       

5 & 11  12       

6 & 12  30       

← These are data obtained by the laboratory staff in setting 

up the experiment. 

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 35 

Page 36: AEB Practical Guide

 

Practical 8: QMP: Weighing the Evidence 

Principal Teacher: Dr Rachel Thompson  Students should prepare for these classes in the following ways:   1st years >>> should begin the QMP online tutorial 5 on Critical Appraisal and go on to the tutorial 6 on Bias and Trial methodology if you have time. Bring any questions you have on these topics with you to the class.   2nd years >>> should revise both of these tutorials with attention to the "Advanced Student" areas. Come ready to do a prac (will be working in small groups)   Bias in trials Aims of the practical: To consolidate the knowledge and skills learned in the QMP Online tutorials 5 and 6. This practical aims to start first years on the road to understanding critical appraisal and the problems that occur in trial methodology. For second years, there will be some revision prior but a new prac based on learning more about the detection of bias. This practical aims to give you the opportunity to study some papers on trials and work through set questions on bias within a supported environment.  Learning objectives • To consolidate what you have learnt so far about bias in medical trials  • To improve critical thinking skills • To work within pairs and small groups   PAPER 1: Hip Protector Study Kannus, P. et al.  (2000). Prevention of hip  fracture  in elderly people with use of a hip protector. NEJM, 343, 1506‐13.   Instructions: • First read the paper thoroughly. Specifically look for major forms of bias and *ANTI‐BIAS* in the paper. 

Think about the stages that you went through to design your trial in SGS4. • Discuss the paper with your partner or group and then answer the following questions.  • Answers will be available online in a week but try and work it out first. • Tutors are available to answer your queries.   Relative Hazard  (using Cox’s Proportional Hazards and Poisson analysis)  is used  for analysis of most of  the results here. These are statistical methods that can test for significance and are useful where there is significant expected loss in the trial due to death and other outcomes (e.g. here with people leaving the trial as they fall and  fracture  their  hip).  It  is  often  used  in  trials  where  the  main  outcome  is  death  such  as  in  oncology treatment.  The  Hazard  Ratio  is  like  relative  risk  and  is  used when  the  risk  of  developing  the  outcome  in question is not constant over the time of the trial. By measuring the risk over time it will take into account the loss by attrition as subjects developing the outcome can no longer continue in the trial. If the hazard ratio (HR) is 0.5 then the relative risk of dying in one group is half the risk of dying in the other group. The outcomes are often shown graphically as you will see in this paper.   Advanced students (i.e. 2nd years and the mathematically minded) may wish to read : Spruance et al. (2004). Hazard Ratio  in Clinical Trials. Antimicrobial Agents and Chemotherapy, 48, 8, 2787‐2792: Accessed 05.9.10:  http://aac.asm.org/cgi/content/full/48/8/2787   

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 36 

Page 37: AEB Practical Guide

 

1. Trial population:  Who were the subjects and how were they enrolled? What bias might this cause? 

     

How might the researcher’s choice of subjects right at the beginning of a trial affect the external validity of this trial? 

        2. Selection Criteria:  

Can you list the selection criteria used for this trial?               

Do you see any problems with these that might affect the internal or external validity of the trial?         

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 37 

Page 38: AEB Practical Guide

 

3. Baseline assessment:  Did the researchers show the baseline assessment?  

    

What does this show and how do you think this might affect the trial?           4. Trial groups: 

Why do you think they decided to have ‘treatment’ units and ‘control’ units (p.1507)?         

How might this choice of allocating subjects for the intervention and control groups affect the results of the trial? 

        

What bias is this and was there another way around the original problem that might have avoided this?     5. Group allocation 

How did the researchers allocate the numbers between the groups and do they explain why they do this?        

   

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 38 

Page 39: AEB Practical Guide

 

6. Randomisation: Was the randomisation method explained fully and what can you look at to see whether it was done well? 

        

Was it done well here? If not – why not?        7. Confounders: 

Can you think of any possible confounding factors that might affect the validity of this trial?          

Did the researchers mention any of these specifically?      

What did they do to minimise their effect?      8. Trial intervention: 

What was done to minimise bias during the running of the trial?  

     

What was not done that could have been done? What bias would this minimise?     

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 39 

Page 40: AEB Practical Guide

 

9. Drop‐outs: How many subjects were lost during the follow‐up? 

     

Should we include those who refused in our analysis as they did not take part in the trial at all?        

Did the authors look at this and did they compare the two groups’ base‐line characteristics before or after the refusers left? 

       

What might be important about these two groups of refusers?          

How did the researchers deal with the attrition effect?         

Did they do enough? If not – what should they have done and what difference might this have made to their results and conclusion? 

       

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 40 

Page 41: AEB Practical Guide

 

10. Conclusions:  What are you overall impressions of this paper and the trial? Was the trial well‐conducted? Are there major flaws due to bias? If there are – what would you have done to make it better? 

          Was the paper itself well‐written? If it wasn’t – what would you have done?           

Next   When you have finished the prac worksheet you should go on to analyse this trial using the Critical Appraisal Worksheet introduced in the lecture (week 2). The worksheet is available in Blackboard.  Some of the answers will be much easier now as you have taken such a close look at the biases involved in this trial. 

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 41 

Page 42: AEB Practical Guide

 

Practical 9: Cranial Nerves 

Principal teacher: Dr. Elizabeth Tancred 

Specific objectives 

1.  To understand the fibre composition of each of the cranial nerves 3 ‐ 12. 2.  To review the origin of cranial nerves 3 ‐ 12 from the brainstem. 3.  To review, on the skull and on dissected specimens, the site where each nerve pierces the dura mater 

and the point of emergence from the skull of each cranial nerve. 4.  To review the distribution and functional significance of cranial nerves 3 ‐ 12.  Learning activities 1.  On whole brain specimens and brainstem models identify each of the following cranial nerves: 

 Oculomotor n. (CN 3) – emerging from the interpeduncular fossa before it passes between the superior cerebellar and posterior cerebral arteries.  Trochlear n. (CN 4) – emerges from the dorsal surface of the midbrain, just below the inferior colliculus and then winds around the edge of the cerebral peduncle to reach  the ventral surface.  (Because of its size and fragility this nerve is often difficult to see in specimens.)  Trigeminal n. (CN 5) – the largest of the cranial nerves, emerges from the middle cerebellar peduncle at the side of the pons.    Abducens (CN 6), facial (CN 7) and vestibulocochlear (CN 8) nerves – emerging (from medial to lateral) along the pontomedullary junction.  Glossopharyngeal (CN 9) and vagus (CN 10) nerves, emerging from medulla along the lateral surface of the olive.  Accessory n.  (CN 11) – emerging  in a  line extending down  the ventral  surface of  the medulla  to  the upper levels of the cervical spinal cord.  Hypoglossal n. (CN 12) – emerging as rootlets from the medial surface of the olive.  

2.  On  deep  head  dissections  identify  where  each  of  the  above  nerves  pierces  the  dura  mater.    On dissections of the cavernous sinus,  identify the trigeminal ganglion and  its branches, the ophthalmic, maxillary and mandibular nerves.   What  is  the  function of  the  trigeminal ganglion?   On dried  skulls identify the following foramina – the superior orbital fissure, optic canal, foramen rotundum, foramen ovale,  foramen  lacerum,  jugular  foramen,  internal  acoustic  meatus,  hypoglossal  canal  and stylomastoid foramen.  List the major structures pass through each of these foramina. 

 3.  Review the function of the oculomotor, trochlear and abducens nerves.   On orbit models  identify the 

oculomotor, trochlear and abducens nerves and their branches (although the branches do not need to be named).  Identify the ciliary ganglion, the levator palpabrae superioris muscle and the extraocular muscles (as a group). (It is not necessary to identify each muscle by name at this stage – this will form part of a presentation by students in SGS 8). 

 4.  Review  the  general  functions  of  the  trigeminal n.  and  its branches.    In  specimens  and orbit models 

identify the ophthalmic and maxillary nn.  Find the terminal part of the maxillary n. (the infraorbital n.) as it emerges onto the face (through the infraorbital f.).  Identify the mandibular nerve (emerging from the mandibular foramen) and its inferior alveolar and lingual branches. What do they supply? Identify the temperomandibular  joint and the muscles of mastication  (as a group).   Because the nerve arises 

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 42 

Page 43: AEB Practical Guide

 

behind these muscles many of its branches to them have been removed during dissection.  How would you  test  the  integrity  of  the  trigeminal  n.?   Map  the  location  of  the  sensory  deficits  resulting  from lesions of the ophthalmic, maxillary and mandibular branches. 

 5.  In specimens of the face and head identify the parotid gland and the muscles of facial expression (as a 

group).  Identify the facial n. at the stylomastoid f., where it emerges from the skull before entering the parotid gland.  Note the distribution of its branches, which can be seen passing onto the face from the parotid gland.  Other than the muscles of facial expression, what else does the facial nerve supply? 

 6.  Review the functions of the vagus n. (which was studied previously in a Year 1).  Identify this nerve in 

neck pro‐sections and observe its relationship to the internal carotid artery and internal jugular vein.  7.  Identify  the  hypoglossal  nerve  in  the  neck  and  follow  its  course  to  the  tongue muscles,  which  it 

supplies.  Note: BrainStorm  contains  extensive  text  screens,  gross  images  and  diagrams  of  the  cranial  nerves,  including  a simulated cranial nerve exam, with which the effects of lesions of individual nerves can be studied.  Because of time constraints the effects of lesions of the cranial nerves will not be covered in this practical.  Instead they will be  the  focus of clinical case presentations  in SGS 8.     Students  in  this course are not expected  to study details of the nuclei associated with each cranial nerve, nor do they need to name the branches of the nerves except  those  mentioned  above.    They  should  however  have  an  understanding  of  the  composition  and functions of each nerve. 

 

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 43 

Page 44: AEB Practical Guide

 

Practical 10: Somato‐sensory System 

Principal teacher: Dr. Richard Vickery 

Introduction: 

The somatosensory system  is a complex sensory system  involving receptors  from several sensory modalities:  touch, temperature, pain, and proprioception/kinaesthesia. The receptor systems are quite distinct but all are represented  in  cortical  areas  3a &  3b  (S1)  as well  as  other  brain  areas. Beyond  primary  sensory  cortex  lie specialised processing areas for each sense, and then integrative cross‐modal areas where the different senses converge.  The experiments  in this practical class are designed to help you  learn about the cerebral cortex and the way that  the  cortex  perceives  somatosensory  stimuli.  The  primary  focus  of  the  practical  class  is  not  on  the properties of  the peripheral  receptors, but  rather on  the  integration of  information,  including  from multiple senses, and the way that integration can be manipulated to alter perception.  

Aims: 

1. Be able to explain the contribution of slowly and rapidly adapting receptors to tactile perception. 2. Be  able  to  explain  the  role  of  spindle  afferents  in  proprioception,  and  the  contribution  of  the 

vestibular, vision and proprioceptive senses to balance. 3. Be able to explain sensory convergence and describe an example. 4. Be able to describe the topographic map of tactile  inputs  in primary somatosensory cortex, and how 

this map is subject to ongoing modification. 

1.  Tactile Perception   ‐ role of receptor types and motor system (efference copies) 

Active versus passive texture discrimination 

Tactile sensation is an active sense, in part because of interactions with the motor system, and also due to the many  rapidly adapting  receptors. We will examine both of  these  features and  should be able  to  show  that restricting tactile activity to only slowly adapting receptors significantly reduces the performance of the tactile system.  1) For this experiment your subject must be blindfolded. The subject has to discriminate the difference in 

texture between two squares of sandpaper. We will test them under several different conditions. 

2) You should have a set of sandpaper squares with grit #'s as indicated on the table below. We will use 240 as a standard. The subject will be asked to feel the standard and then a different square of sandpaper and should then rate the second square as “rougher” or “smoother”. 

3) For the Active touch condition the subject should be guided to each sandpaper square, and then she is allowed to explore the surface for ~2s before having her finger to the second square where she again has ~2s to explore the square before making a judgement. 

4) Present the second squares in a random order. You will need to test each one 8 times to get useful data.  

5) Now choose whether to test the role of the motor system by testing Passive Touch or the role of rapidly adapting receptors by testing  Static Touch.  

6) For Static Touch, take the subject's index finger and rest the tip on each of the squares of sandpaper in turn, beginning with the reference sheet. The subject must not move their finger so as to reduce the amount of rapidly adapting tactile activity. As before the subject must report whether the second sheet of sandpaper is “rougher” or “smoother” than the standard.  

7) For Passive Touch, take the subject's index finger and move the tip backwards and forwards on each of the squares of sandpaper in turn, beginning with the reference sheet. The subject must relax their hand and not make active movements, but let the experimenter control their movements. As before the subject must report whether the second sheet of sandpaper is “rougher” or “smoother” than the standard. .  

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 44 

Page 45: AEB Practical Guide

 

Grit #  Rep. 1  Rep. 2  Rep. 3 Rep. 4 Rep. 5 Rep. 6 Rep. 7  Rep. 8  %  called rougher 

Active touch

60       

100       

180       

240       

320       

360       

400       

Static touch

60       

100       

180       

240       

320       

360       

400       

Passive touch

60       

100       

180       

240       

320       

360       

400       

 How different does the coarseness (grit number) have to be before the subject can reliably discriminate between them using the active touch protocol?       Does the accuracy of discrimination change when the subject can move only passively, or cannot move at all? Why?      What additional information would be required to build  a mental map of the textures and objects on a table in front of you when exploring blindfolded with just your finger tips?   

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 45 

Page 46: AEB Practical Guide

 

 2. Kinaesthetic Sensations  

Kinaesthesia  (perception of movement) and proprioception  (perception of position) both utilise a variety of somatosensory receptors:  joint receptors, Golgi tendon organs, and muscle spindle receptors. Some of these receptors,  in  particular muscle  spindles,  are  exquisitely  dynamically  sensitive,  and  can  signal  both muscle length and rate of change of muscle  length. We can exploit this sensitivity to explore kinaesthesia by using a vibrator  applied  to  a  tendon:  the  small  but  rapid  changes  in muscle  length  cause  strong  activation  of  the spindle afferents. 

2.1 The role of muscle spindles in proprioception   

 We will explore the contribution of muscle and joint afferents to the sense of limb position 1. Blindfold your subject and have him rest his elbows on the bench while holding his arms in front of his 

body in a relaxed manner (half‐way between full flexion and extension).  2. Now grasp one forearm and move the arm around the elbow (bend it up and down) and ask the 

subject to follow the imposed movement with his other arm so that their positions match. 3. Now repeat the procedure while you apply a vibrator to the biceps tendon of one arm. 

 Does the vibration cause errors in the movement?     What might cause the errors?       

• Repeat the procedure with the subject’s blindfold removed. Are the movements more accurate?    What information is being used in making these movements in the two cases?       What  does  that  tell  you  about  the  relationship  between  the  senses,  in  terms  of which  tends  to  dominate perception?      Try another demonstration of the same phenomenon is to have the subject stand still and close their eyes.  

1. Ask the subject to SLOWLY reach towards his nose with the unstimulated arm so as to touch the tip of his nose with his index finger (this should pose no problem).  

2. Now apply the vibrator to the tendon of the triceps muscle. Ask the subject to repeat the action of trying to slowly try to touch his nose with the stimulated arm.  

 Can you explain the subject's actions/perception on the basis of your knowledge of the muscle spindle afferents and their role in proprioception?  

    

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 46 

Page 47: AEB Practical Guide

 

2.2 Maintaining posture ‐ the role of three different sensory systems   

Staying balanced upright on just two legs is an essential requirement for normal human function. We use three different sensory systems to assist us in this task. In this experiment we evaluate their respective contributions.  

1. Ask the subject to take his/her shoes off, put both feet together and stand straight with eyes closed.  2. The demonstrator now applies a vibrator to each Achilles tendon. For safety, a classmate should stand 

behind the subject to prevent them from falling. 3. Repeat this procedure with the subject’s back in contact with the bench top.  4. Finally, repeat the procedure with the subject’s eyes open.   

   What did the subject experience/do in the first case?     What additional information was added in the second experiment, and did it affect the subject's experience?     What further information was added in the third case and did it change the subject's experience?  

 

3. Cross‐modal convergence in sensation  

3.1 Parchment skin illusion       

In this experiment we will examine the role of convergent auditory inputs in shaping tactile perception. 1. Put the headphones over your ears and adjust the volume to a comfortable level, then close your 

eyes.  2. With the tone control set to bass, rub your hands together gently about 10cm in front of the 

microphone so you can hear the sound of them rubbing. If you can't hear the sound clearly, then try directly rubbing the edge of the microphone. 

3. Note whether your hands (or the microphone edge) feels smooth or rough. 4. Now have a friend adjust the tone control to a high treble component, and then repeat the rubbing 

movements,and again note the apparent roughness.     Does your perception of skin texture change when you change the auditory feedback? If so, how?       Where in the nervous system is this change occurring?       What  does  this  tell  you  about  the  relationship  between  hearing  and  touch? What  does  it  tell  you  about integration between the senses?     

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 47 

Page 48: AEB Practical Guide

 

 3.2 Wet hands illusion       

In this experiment we will examine the role of convergent somatosensory inputs in shaping tactile perception. 1. Put on a surgical glove of the appropriate size.   2. Put your hand under cold running water in the sink at the front of the lab. What do you feel? 3. Now put your hand in the bucket of warm water. What do you feel?  4. If you did not have a strong sense of wetness under the cold tap, have one of your lab partners cut 

slits in two glove fingers (without you knowing which fingers have the slits). Then try under the cold tap again and see whether you can identify which fingers have got the slits (and so are truly wet).  

  Do we have somatosensory receptors for the stimulus of “wet”?     By comparing the two sensations, can you determine what gives rise to the sense of “wetness”?       At what level of the nervous system does this illusion occur?     

4. Organization of cortical maps  

4.1 Archimedes’ illusion  

Vision and touch both use topographic organisation where the sheet of receptors  in the periphery  (retina or skin) are connected in a smooth map‐like fashion through to sheet of cortical neurons in the primary sensory cortex. In this experiment we can probing the cortical organization and interpretation strategies for the sense of touch.  

1. Cross your index and middle fingers over each other so that the tips are a centimetre apart.  2. Now close your eyes and try and roll a small bead back and forth between the tips of these fingers. 3. What happens as the bead rolls up and down the gap, or from one finger to another?  

 Does it feel like one stimulus or two?        If you un‐cross your fingers and touch the same parts, does it feel like one stimulus or two?        If they seemed different, what explains the difference in perception? Where would the re‐interpretation occur?  

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 48 

Page 49: AEB Practical Guide

 

4.2 Whose hand is that? 

The  cortical map  has  its  broad  parameters  fixed  in  development,  but  is  constantly  updated  by  day  to  day experience.  We  will  demonstrate  a  remapping  of  proprioception  based  on  congruent  visual  and  tactile stimulation. 

1. Have your subject put on their lab coat with only one arm in its sleeve. They should then sit with both their arms palm up on the table. Put the rubber arm in the empty sleeve, and position next to the real arm (real arm on the outside). Use the folder to screen the real arm so that the subject can not see it.  

2. While the subject watches, use the cotton tips to touch the rubber hand and the subject’s own matching hand (hidden by the screeen) in exactly the same way – i.e. if you brush along the index finger of the rubber hand, do the same thing to the subject’s hand simultaneously. You can alternate with occasional stroking of the real unpaired hand. 

3. Keep this up for several minutes, and after a while the subject may begin to identify the rubber hand as part of their own body.   

4. Test the 'adoption' of the rubber hand by stroking just the rubber hand without a matching stimulus of the normal hand. The subject may report a feeling of “numbness”. A more drastic test is to try hitting the rubber hand with an object and observing the subject to see if they try to withdraw it!  

  Why might the subject identify the hand as their own?       What  is happening during  the  time  that  the experimenter  is stimulating  the  real hand and  the  rubber hand? Where is it likely to be happening?        What utility does this remapping have in normal life?         

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 49 

Page 50: AEB Practical Guide

 

Practical 11: CNS: Normal and abnormal 

Principal teachers: Patrick de Permentier and Assoc. Prof. Gary Velan 

Learning objectives 

1) Obtain an understanding of the normal histological appearance of selected central and peripheral nervous system tissues namely spinal cord, cerebellum and peripheral nerve. 

2) To examine unique microscopic characteristics of each of the nervous tissues. 3) To introduce the histology and neuropathology associated with cerebral infarction and haemorrhage. 

Nervous Tissue 

A brief description of Nervous Tissue The brain and spinal cord comprise the central nervous system (CNS).  The nerves that emerge from the spinal cord and brain to pass to parts of the body are the peripheral nervous tissue (PNS).  Nervous tissue, with many interconnections,  forms a complex system of neuronal communication within the body and  is specialized  for detecting stimuli,  integrating functions, controlling effectors and higher functions.   Nervous tissue consists of cell bodies, cell processes (nerves), and neuroglia (supporting cells).  Cell Types  Neurons: Structural and Functional units of the nervous system These  cells  (around  12  billion)  are  responsible  for  the  receptive,  integrative,  and motor  functions  of  the nervous system.   They can generate nerve  impulses  (irritability), and can transmit these  impulses along their processes (conductivity). They range  in diameter from 5 to 150 µm and contain 3 parts: a cell body, multiple dendrites and a single axon.  1)  Cell  body  (soma,  perikaryon)  is  the  region  of  the  neuron  containing  a  large  pale‐staining  spherical, 

nucleus with a conspicuous nucleolus and perinuclear cytoplasm.  2) Dendrites project from the cell body and are specialized for receiving (afferent) stimuli from sensory cells, 

axons and other neurons which are then transmitted towards the soma. 3) Axons arise as a single thin process extending  longer distances from the cell body than the dendrite.   As 

with dendrites, the terminals of the axon are branching and terminate  in end bulbs (terminal boutons), which come close to another cell and form a synapse. 

 Peripheral Nerve Fibers Peripheral nerves are bundles (fascicles) of nerve fibers (axons) surrounded by several CT sheaths.  Each bundle contains sensory and motor components.   Myelinated Fibers (1‐20µm diameter)  Myelin  (rich  in  lipid)  is  the membrane of  the  Schwann  cell organized  into  a  spiral  sheath  that  is wrapped several times around the axon.  Schwann cells are cells whose cytoplasm contains a flattened nucleus, a small Golgi apparatus, and a few mitochondria.  Myelinated fibers are capable of rapid transfer of impulses (touch sensory pathways).  Unmyelinated Fibers (less than 2µm in diameter)  Some axons  in  the PNS are  surrounded by Schwann  cells but not wrapped with  layers of myelin.   They are found in pain and temperature sensory pathways and motor paths to the viscera. 

Virtual Slide Box 

The virtual histology slides for this and subsequent practicals can be found at: http://vslides.unsw.edu.au/VirtualSlideV2.nsf/id/8074FA  

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 50 

Page 51: AEB Practical Guide

 

Additional  virtual  images  can  be  found  on  the  student  computers  by  accessing  Class  Program‐School  of Medical  Sciences,  UNSW.    Then  click  on  Anatomy  followed  by  Neocortex  Virtual Microscope‐Histology‐P. Groscurth (Zurich, Web)  

Learning activities 

Spinal Cord 

Virtual Slide Box (Spinal cord and Spinal cord smear) and Zurich Virtual Slide database  (Spinal cord‐Thoracic Segment‐Luxol Fast Blue, Neutral Red and Spinal cord‐Lumbar Segment‐Azan and Meninges‐Azan).  Identify  gray  and  white matter,  central  canal  (surrounded  by  ependymal  cells),  dorsal  and  ventral  horns, meninges (pia, arachnoid and dura mater), subarachnoid space with dorsal and ventral rootlets, blood vessels, a motor neurone with a cell body  (soma), nucleus, nucleolus, Nissl granules, an axon with axon hillock area, dendrites, glial cells (oligodendrocytes, astrocytes).  • What is the difference between white and gray matter? • What is the function of ependymal cells? • What do Nissl granules represent? • What function do the meninges serve and what type of tissue are the meninges made up of? • What is the functional difference between an axon and a dendrite? • What is the function of an oligodendrocyte and of an astrocyte? 

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 51 

Page 52: AEB Practical Guide

 

Cerebellum 

Virtual Slide Box (Brain/Cerebellum and Cerebellum silver stain) and Zurich Virtual Slide database (Cerebellum silver stain).  • Identify the folia  (folds), meninges  (pia and arachnoid mater), blood vessels, and white and gray matter.  

The  gray matter  is  subdivided  into 3 distinct  layers namely outer molecular,  inner granular  and middle Purkinje cell layer.  Note the processes on the Purkinje cells. 

• What does white matter consist of? • What is the function of the Purkinje fibers? 

    

        

Peripheral Nerve 

Virtual  Slide  Box  (Peripheral  Nerve)  and  Zurich  Virtual  Slide  database  (Nerve;  Goldner  and  Nerve; Haematoxylin and Eosin) • Identify  fascicles  (bundles)  of  nerves,  levels  of  connective  tissue wrappings  (epineurium,  perineurium, 

endoneurium),  fibroblast  nuclei,  adipose  tissue,  blood  vessels,  myelinated  nerve  fibers,  axons,  and Schwann cells. 

• What is the function of a Schwann cell and what effect does myelin have on nerve transmission? • Why do 3 levels of connective tissue wrap nerve fibers? 

 

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 52 

Page 53: AEB Practical Guide

 

Neuropathology Component  

Case History 

A 56‐year‐old man was admitted  to hospital  through  the Casualty department after an hour‐long episode of dull, central chest pain at rest accompanied by shortness of breath and profuse sweating.  He was  investigated and treated for myocardial  infarction, and appeared to be slowly recovering until 6 days later, when he developed right‐sided hemiparesis and severe aphasia.  His level of consciousness deteriorated, and he died 3 weeks later.   Task 1 A virtual slide of a cerebral  infarct was prepared from tissues removed at autopsy.   Examine the virtual slide, which has 3 distinct areas – a zone of  liquefactive necrosis, a zone of reactive gliosis  (healing) and a zone of normal cerebral cortex. An Adaptive Tutorial is available to assist with identification of these regions.   Write brief descriptions of each of  these areas.    In which vascular  territory did  this  lesion occur?   Could  this lesion have been responsible for the patient's death? 

   

      Task 2 Examine the virtual slide of a cerebral arteriovenous malformation, which is a congenital abnormality of blood vessels within the cranial cavity.    What types of vessels can you observe?  What are the likely clinical effects and complications of such a lesion? 

    

     

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 53 

Page 54: AEB Practical Guide

 

Additional resources to support this practical and help with revision 

Prescribed Textbook:  • Junqueira, L.C.  (2010) Chapter 9  in Basic Histology, (12th ed.). New York: Lange Medical Books/McGraw‐

Hill • Frosch, M.P.  in: Kumar, V., Abbas, A.K., Fausto, N. & Mitchell, R.N.  (2007). Chapter 23  in Robbins Basic 

Pathology, (8th ed., pp. 860‐869.). Philadelphia, PA: Elsevier Saunders. 

Computer resources 

1. LANGE Educational Library, the medical education resource for on‐going study, review, and reference.  http://info.library.unsw.edu.au/cgi‐bin/local/access/access.cgi?url=http://www.accessmedicine.com/lange.aspx  

2. A website showing normal histology slides http://vslides.unsw.edu.au/ 

3. On student computers:   Go to Class Menu‐School of Medical Sciences, UNSW, Anatomy, Neurohistology pdf file 

4. On student computers:  Digital Atlas of Electron Microscopy   

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 54 

Page 55: AEB Practical Guide

 

Practical 12: Internal Capsule and Horizontal Slices of the Forebrain 

Principal teacher: Dr. Elizabeth Tancred 

Specific objectives 

1.  To identify the components of the forebrain in horizontal sections. 2.  To identify the caudate nucleus, globus pallidus, putamen and the relationship of these grey masses to the 

thalamus and cerebral cortex. 3.  To identify the internal capsule and predict the results of damage to it from a knowledge of its chief fibre 

components. 4.  To identify parts of the ventricular system and their relationship to the basal ganglia, thalamus and limbic 

structures. 

Learning activities 

1.  Examine  brainstem  specimens,  and  identify  the  thalamus  and  third  ventricle  just  anterior  to  the midbrain. The cavity of the lateral ventricle lies dorsal to the thalamus with the caudate nucleus in its lateral wall.  Identify the head, body and tail of the caudate nucleus. Identify the fibres of the trumpet‐shaped internal capsule lateral to the caudate nucleus and thalamus. The internal capsule carries fibres (in both directions) between the cerebral cortex and subcortical structures. Many of its fibres continue inferiorly  in the base of the cerebral peduncle (and appear to converge onto  it). The concavity on the lateral side of the  internal capsule  is occupied by the  lentiform nucleus, which made up the putamen laterally and the globus pallidus in its deep medial part.  Identify the internal capsule on prosections of the  forebrain  white matter.  Identify  the  fibres  of  the  optic  radiation  passing  backwards  from  the internal capsule  to  the visual cortex  in  the occipital  lobe.    (Photos of good dissections of  the  internal capsule and white matter are also available in BrainStorm). 

 2.  The horizontal brain slices give a good  insight  into the  internal organisation of the forebrain provided 

that they are kept in order and are handled with care.  Using the slices identify the structures described starting from the medullary centre of the hemisphere ‐ the large mass of white matter which is above the lateral ventricle. This region contains fibres which run in different directions: many are commissural fibres  from  the  corpus  callosum,  others  run  towards  the  cortex  from  the  direction  of  the  thalamus (forming the corona radiata). The commissural fibres of the corpus callosum form the roof of the lateral ventricle. The dorsal part of the body of the lateral ventricle may actually appear in the central part of the second section. 

 3.  In  the  next  sections  identify  the  head  and  tail  of  the  caudate  nucleus,  the  lentiform  nucleus,  the 

thalamus and their relationship to the internal capsule. Identify the two parts of the lentiform nucleus: the globus pallidus and the putamen. Lateral to the putamen are the external capsule, claustrum and the insular cortex.   In several sections the caudate nucleus appears twice (its head and tail) as it circles around  the  lentiform  nucleus.  The  caudate  nucleus  runs  in  the  lateral wall  of  the  lateral  ventricle. Identify the anterior horn, body, collateral trigone, posterior and inferior horns of the lateral ventricle. Notice that most of the lateral ventricle surrounds the thalamus, while its inferior horn extends into the temporal lobe and the posterior horn into the occipital lobe. Look into the inferior horn and identify in it the  large hippocampus, covered by a sheet of white matter called the alveus.     In the body, collateral trigone and inferior horn you may identify the choroid plexus; however this part of the specimen is only loosely attached to other structures and it may be missing. If present, notice that the attachment of the plexus is along a line next to the fornix (see below). 

 4.  Identify the fornix. This is a major tract of the brain which runs virtually free for most of its length. The 

majority of  its  fibres  arise  from  the hippocampus  and  appear on  its medial edge  in  the  form of  the fimbria which is the tail of the fornix. Then the fornix forms the medial wall of the lateral ventricle until it passes  in  front of the  interventricular  foramen to enter the gray matter of the hypothalamus. The fornices of the two hemispheres are, above the third ventricle, attached to each other and many fibres 

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 55 

Page 56: AEB Practical Guide

 

pass from one to the other: this is the hippocampal commissure. The dorsal surface of this commissure is attached to the undersurface of the corpus callosum.  In front of the  interventricular foramen  is the column of  the  fornix which  then passes  through  the hypothalamus  to  terminate  in  the mammillary body. 

  5.  Study the internal capsule in the slices.  Describe the position of its 3 major parts: anterior limb, genu 

and posterior  limb. Note  the  three parts of  the posterior  limb:  lenticulothalamic, retrolenticular and sublenticular.  Discuss the position of the fibre systems that run through these parts   Draw a horizontal section of  the  internal  capsule and  indicate on  this drawing  the  location of  the  following  fibre  tracts travelling  in  it:  pyramidal  tract  (corticospinal  +  corticobulbar  tracts),  parts  of  the  corticopontine system,  anterior, middle  and  posterior  thalamic  radiations,  including  the  acoustic  and  radiations.  Discuss the clinical significance of the  internal capsule. Predict the effect of a vascular  lesion  involving the posterior limb (lenticulothalamic part)? 

 6.  Study  the white matter passing  through  the corpus callosum.    Identify  the major parts of  the corpus 

callosum ‐ the genu, body and splenium. The fibres which pass through the genu form the medial wall of the anterior horn, and connect the frontal poles to each other.  

 7.  Identify the anterior commissure. The cut fibres of this major commissure appear on the medial surface 

of the hemisphere just anterior to the columns of the fornices. A fortuitous section may show the more lateral parts of this fibre bundle, passing through the basal ganglia towards the temporal  lobes, which the anterior commissure connects. 

 8.  Examine  CT  and  MRI  scans  in  the  axial  (horizontal)  plane. What  differences  can  you  note  in  the 

appearance of the major structures within the skull (brain (grey matter and white matter), ventricles, paranasal sinuses, skull  itself)  in  the  two  types of  image?     Try  to  identify as many as possible of  the features listed in learning activities above in these images.  

 9.  Full  sets  of  labelled MRI  and myelin  stained  cross‐sections  are  available  in  BrainStorm  and  can  be 

accessed from the Cross‐sections menu.  In your own time review your knowledge by going through the Horizontal  Forebrain  and Horizontal MRI  sections  in BrainStorm  and  identifying  the  structures  listed above. You can toggle between myelin‐stained and MRI images by using the MRI/Tissue button. 

  

 

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 56 

Page 57: AEB Practical Guide

 

Practical 13: Motor Systems Physiology: Reflexes 

Principal teacher: A/Prof Paul Bertrand 

Introduction: The motor system is the set of neurons, organised in feed‐forward and feedback networks, which is primarily involved  in the production of movement through contraction of muscle.   One method to study the control of muscle  contraction  is  to  record  the  depolarization  of  muscle  in  response  to  transmitter  release  at  the neuromuscular  junction.    Such a  recording,  known as an EMG or electro‐myogram, does not have a  simple relation  to  the  force or velocity of muscle contraction, but  rather  reflects  the electrical activity of  the many muscle fibres that make up an individual muscle.  In  this  science practical class you will  record EMG potentials  from  the elbow  flexors and extensors during a variety of functional tasks and movements.  After each experiment there are questions for you to answer as a group.   These questions will prompt you  to  think about what  the experiment  lets  you  infer about how  the nervous system controls movement.  

Aim of the Learning Activity  

1) You should understand the basic principles of EMG operation in order to appreciate research results and clinical techniques that utilize these recordings. 

2) You should appreciate how these EMG measurements enable you to draw conclusions about motor control mechanisms such as: 

• agonist/antagonist pairing • the role of feedback in maintaining muscle position • the feed‐forward nature of ballistic movements. 

Equipment Required:  

• Disposable Adhesive Electrodes (15 per station) • Gauze pads for abrasion; Alcohol swabs • Micropore tape • PowerLab station; Button‐press trigger device; BioAmp leads • Cloth strap • 1 kg weight  

Experiment 1 – Setting up 

• Ask any volunteers to read the Participant Information Statement and then sign the consent form if they choose to continue as a subject. 

• Prepare electrode sites over Biceps Brachii and Triceps Brachii by lightly abrading skin over the muscle belly using a gauze pad, and then thoroughly cleaning the area with an alcohol swab.  

• Attach the disposable adhesive electrodes to the BioAmp leads and attach leads to the electrodes.  Channel 1 should be Biceps, Channel 2 Triceps.  

• Wait until skin is dry and then fix electrodes to the skin. The positioning for the biceps and triceps electrodes are shown in Figure 1.  

• Ensure that the wires are neatly arranged and taped securely.  

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 57 

Page 58: AEB Practical Guide

 

  

Figure 1: placement of biceps and triceps electrodes 

• Make sure your PowerLab is switched on (at the back) and you are logged into the computer to which the PowerLab is connected.  The PowerLab must be on before you start LabChart7. 

• On the desktop, double click on the " LabChart7" icon.  This opens the PowerLab module which records your data.  You then need to open an appropriate settings file: at the welcome screen choose  "Open" and use the dropdown menu to select: pp_class on 'Adunsw\data\medicine"  

• Click into the directory ‐> PowerLab/Chart Settings/EMG.adiset • Press the on‐screen button labelled "Start" to begin collecting data. The experimenter should tap the 

EMG leads with their fingers to determine if the system is picking‐up a response from the electrodes.   Question: What happens  to  the EMG  signal when  the electrodes  are  tapped? Could  this be  a problem during EMG recordings? What could we do to avoid this? 

     

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 58 

Page 59: AEB Practical Guide

 

Experiment 2 – Neural control of the force of contraction 

• Continue using the settings file: EMG.adiset • Seat the subject comfortably and ask them to grip the bench, and then to exert a weak elbow flexion.  

Then have the subject execute a strong elbow flexion. • Repeat this procedure for elbow extension. • Examine your data: use the scroll buttons if required to show parts of the trace that have scrolled out of 

sight.   You may find it useful to adjust the vertical axis by dragging the numbers so that the signal occupies about a half to two thirds of the vertical axis, or change the horizontal compression. Ask your demonstrator for help if you need it.   

• Stop the recording, then move the Waveform Cursor along the EMG trace until you find the peak reading during a weak contraction.  Read off the amplitude from the Range/Amplitude display at right and write this number in your table. 

 Contraction  muscle  Peak EMG (Volts) Apparent frequency (Hz) weak flexion  biceps 

  triceps 

strong flexion  biceps 

  triceps 

weak extension biceps 

  triceps 

strong extension  biceps 

  triceps 

 Question: What happens  to  the  size and  frequency of  the EMG  signal with  increasing  force of  contraction? Why? 

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 59 

Page 60: AEB Practical Guide

 

 

Experiment 3 – Joint movement depends on the activity of all muscles that act on it 

• Continue using the settings file: EMG.adiset • Ask the subject to hold a weight in their palm.  Approximately 1 kg is a good weight. • Ask the subject to close their eyes while holding the weight without generating any arm tension greater 

than that required to hold the weight. At an unexpected moment, apply a brief tug to the strap at the wrist to cause an elbow extension.   

• Record your observations on movement at the elbow and peak EMG measurement in the table below.  You can have the subject rest their elbow on the bench if you are finding it difficult to separate shoulder and elbow movement. 

• Now ask the subject to produce EMG activity in both Biceps and Triceps with their elbow bent at 90 degrees and palm up so that the EMG in the biceps is approximately the same size as it was while holding the weight. This is known as co‐contraction of antagonist muscles, and tends to stiffen the joint.  

• Ask the subject to close their eyes but maintain the steady co‐contraction. At an unexpected moment, apply a brief tug to the strap at the wrist to cause an elbow extension.  

• Note the EMG response and the size of the resultant movement at the elbow in the table below.   

Experiment  muscle  Peak EMG  Elbow movement 

holding weight  biceps   

  triceps   

co‐activation  biceps   

  triceps   

 Question:  Compare  the  size  of  resultant movement  and  EMG  changes  after  the  tug  to  the  co‐contraction situation. What is different in these two situations? 

 

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 60 

Page 61: AEB Practical Guide

 

Experiment 4 – Reflex control of posture using feedback 

• From the file menu open the settings file: EMG_trigger.adiset.  • Now when you click “Start recording”, the computer will wait until the red button is pressed and then 

released before signals will be captured. Data will be captured from 100 ms before the button was released until 400 ms after the button was released.  

• We will test the subject’s reaction time as a measure of voluntary activity.  We will then compare this with the time for a reflex postural correction. You will use the button‐press trigger device in this exercise (large red button connected to PowerLab). 

• Click Start and hold the red button down.  • Ask the subject to hold their elbow at 90 degrees until they hear the button being released. Ask them to 

produce a short elbow flexion movement as quickly as possible after they hear the button sound.  • Record the time it takes to produce biceps EMG voluntarily after the stimulus. Repeat this five times and 

take the average. • Now have the subject to hold the button‐press trigger device and press the button against the underside of 

the bench using a moderate elbow flexion force.  • Ask them to close their eyes, and then apply a brief tug to the strap so that the elbow is extended making 

the button pull away from underneath the bench causing it to be released.  • Record the time it takes to produce the first peak in biceps after the stimulus (button release).   Again 

repeat five times and take the average.  

 

Experiment  biceps response time  average of 5 response times 

voluntary activation (reaction time) 

  

activation by wrist pull   

  Question:  Do you think the biceps response you recorded in the second case is voluntary activity? Why? 

  

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 61 

Page 62: AEB Practical Guide

 

Experiment 5 – Ballistic movements using feed‐forward activity 

• Go to the file menu and return to the settings file: EMG.adiset • Ask the subject to sit in a low chair and hold the red button protruding from the bottom of their fist.  They 

should press the red button against the SIDE of the bench by applying a small elbow extension force. The shoulder joint should be abducted to approximately 90 degrees, and the elbow joint extended to approximately 145 degrees. 

• Determine the arc taken by the subject’s finger when they produce a pure elbow flexion movement from the starting position. Have an experimenter place their finger as a target along this arc so that the subject has to make an elbow flexion of approximately 45‐60 degrees to reach the target.  

• Ask the subject to make an elbow flexion movement, as fast as possible, from the start position with the button pressed down to the target.  

• Observe the Biceps and Triceps EMG activity. Repeat a number of times to see the most common patterns.  Draw your response here, indicating timing. 

 

 

 

 

 

 

 

 Questions:  

• When does the Biceps EMG start relative to the button press? Is this what you would expect?        

• What happens to the Triceps EMG and when? How do you explain this?        

• Do you see a second burst of Biceps EMG on any trials? Why might this be useful?      

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 62 

Page 63: AEB Practical Guide

 

• Repeat the procedure with subject’s eyes closed by getting them to move to a standard position as fast as possible.  Then, without  causing  any  increase  in  tension  in  the  strap  and  thereby warning  the  subject, attempt to prevent the elbow flexion movement by holding the strap.  Draw your response here, indicating timing. 

 

 

 

     Questions:  • How  does  the  pattern  of  Biceps  and  Triceps  EMG  in  this  restricted movement  compare with  the  full 

movement? Is this what you would expect?        • What  does  this  tell  you  about  the  way  in  which  the  nervous  system  controls  rapid  goal  directed 

movements? 

    

 • Compare the response you record when the subject is warned that their movement will be restricted with 

the response obtained without warning.  What is different in these two situations?     

 

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 63 

Page 64: AEB Practical Guide

 

Practical 14: Human aspects of living with neuro‐degenerative disease 

Principal teacher: Dr. Úte Vollmer‐Conna  Material will be provided as required at Prac sessions. 

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 64 

Page 65: AEB Practical Guide

 

Practical 15: Coronal Slices of the Forebrain 

Principal teacher: Dr. Elizabeth Tancred 

Specific objectives 

1.  To identify the components of the forebrain in coronal sections. 2.  To identify the specific rostro‐caudal order of the main internal structures of the hemisphere and their 

relationship to the surface features of the cortex. 3.  To identify the main components of the limbic system in gross dissections, coronal slices and MRI’s. 4.  To identify parts of the ventricular system in coronal sections and MRI’s and observe their relationship 

to the basal ganglia, thalamus and limbic structures. 5.  To identify the major arteries on the base of the brain. 

Learning activities 

1.  Divide each set of the coronal sections into three groups and treat them in sequence as sections of the anterior, middle and posterior thirds of the hemisphere.   The middle third extends from the olfactory trigone  to  the  splenium  of  the  corpus  callosum  and  is  the most  complex  region.  It  is  advisable  to compare the coronal sections with the  intact hemispheres  in order to determine the exact position of each section, and also to correlate them with the horizontal slices to gain a fuller understanding of the three dimensional organization of the hemisphere. 

 2.   In the first set of sections identify the genu of the corpus callosum and the anterior horn of the lateral 

ventricle.  Identify the head of the caudate nucleus and note that it merges basally with the putamen. The  region  where  these  nuclei merge  is  called  the  nucleus  accumbens.  Dorsally,  the  head  of  the caudate nucleus and putamen move apart but they are still connected to each other by strands of gray matter  passing  through  the  anterior  limb  of  the  internal  capsule.  This  gives  the  complex  a  striated appearance,  hence  the  name  corpus  striatum.  Medial  to  the  nucleus  accumbens,  in  a  ventral continuation  of  the  septum  pellucidum,  is  the  septal  area which  is  an  important  part  of  the  limbic system.  It is at this level that the anterior commissure comes into section (check again the medial edge of the sections), together with the optic chiasm.   Behind the genu and below the body of the corpus callosum, the septum pellucidum separates the anterior horns of the lateral ventricles from each other, while more posteriorly the septum becomes gradually smaller and the ventricles move away from the midline.  

 3.  In the sections of the middle third, observe the internal organization of the lentiform nucleus, with the 

two segments of  the globus pallidus medially and  the darker putamen  laterally. Note  in  the sections that the putamen extends beyond the globus pallidus in all directions. Medial to the lentiform nucleus identify the internal capsule. Follow this white band of fibres posteriorly into the crus cerebri. 

 4.  Identify  the major masses  of  the  diencephalon.    Identify  the  thalamus,  on  the medial  side  of  the 

posterior limb of the internal capsule and on its ventral surface, the optic tract. The grey matter around the basal part of  the  third  ventricle  is  the hypothalamus, which  is delimited posterolaterally by  the cerebral peduncles.  

 5.  Ventral  to  the  thalamus  and  lateral  to  the  hypothalamus  is  the  subthalamic  region.  Identify  the 

subthalamic  nucleus which  appears  just  dorsal  to  the  fibres  of  the  internal  capsule.  In  the  caudal sections through the thalamus you may identify parts of the midbrain such as the substantia nigra and red nucleus. 

 6.  Focus  your  attention on  the  temporal  lobe.    In  the more  anterior  sections,  identify  the amygdaloid 

nucleus, large limbic nucleus which merges with the overlying cerebral cortex (the uncus).  Immediately behind  the  amygdaloid  nucleus  the  inferior  horn  of  the  lateral  ventricle  starts.  The  inferior  horn contains the hippocampus in its floor and the tail of the caudate nucleus in its roof.  The medial wall is 

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 65 

Page 66: AEB Practical Guide

 

closed off from the subarachnoid space by the choroid plexus, a pial‐vascular structure, which may or may not still be present in your sections. 

 7.   In  the posterior set of sections  identify  the collateral  trigone of  the  lateral ventricle:  this  is  the part 

connecting  the body of  the  ventricle with  the posterior  and  inferior horns.    Lateral  to  the  collateral trigone and posterior horn a distinct white band, the optic radiation can be observed. 

 8.  Now examine MRI sections in the coronal plane and try to identify as many as possible of the structures 

listed above.  These are available in the lab (film) or in BrainStorm (Coronal MRI submenu).  In your own time also examine the radiographic appearance of the abnormal brain by viewing the pathology images in BrainStorm (Histology/Pathology submenu).   

  9.  On whole brains examine the major arteries that supply the forebrain.  First identify the internal carotid 

artery and  its  terminal branches,  the middle and anterior cerebral arteries.   On each side  the  internal carotid artery is  joined to the posterior cerebral artery (a branch of the basilar artery) by the posterior communicating artery.   The anterior cerebral arteries are joined by the anterior communicating artery, completing an anastomotic ring called the Circle of Willis, or the cerebral arterial circle. (Theory relating to blood supply will be covered in a lecture.) 

  

 

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 66 

Page 67: AEB Practical Guide

 

Practical 16: Visual Physiology 

Principal teacher: Dr. Richard Vickery 

Introduction: 

Visual function relies on the optics of the eye to form a clear image on the retina. Here the neural circuitry of the  retina  turns  this  image  into  a pattern of neural  activity, beginning with photoreceptors,  and ultimately exiting in the optic nerve as axons of retinal ganglion cells. In this practical class we will examine both the optics of the eye, and the neural organisation that gives rise to vision.    

Aims: 

1. Gain an understanding of how to measure myopia and hyperopia and how to correct for them. 2. Be able to describe and distinguish between optical and neural limitations on human vision. 3. Be able to describe colours and colour vision on the basis of the three classes of cone photoreceptors. 4. Describe the physiological limitations on depth perception, and describe how to assess stereoscopic vision.  

1.  Pupillary light reflexes Test the pupillary light reflex.  Shine a light into one eye, and watch carefully: you should be able to see the pupil constrict.    Allow a minute for the subject to recover.   Test the consensual pupillary reflex. Shine the light into one eye and watch the pupil of the other eye.    Why do you think the nervous system has this reflex?      Which reflex is more likely to be affected by brain damage?       

2.  Use the ophthalmoscope to examine the retina.     The pupil of the eye only looks black because not much light is reflecting back from it.  The ophthalmoscope allows you to shine a beam of light into the eye and look into the pupil "behind" the light beam.    For good visualisation of the retina a mydriatic eye drop is usually given to dilate the pupil. In this class we will examine the retina without using a mydriatic.  With luck or practice you will be able to see some blood vessels on the retina, the optic disc (the site at which the optic nerve and vessels leave the eye), and maybe the fovea (the area which is specialized for detailed vision).   • The on‐off switch for the ophthalmoscope is the ring on the collar.  • Test where the spot of light shines.  • You shine the light into your subject's pupil while looking through the ophthalmoscope from the opposite 

side.  • You will need to be close (15‐20 cm) to your subject's eye.  • Initially set the dial to “0”; if you can see the retina but it is blurry, then turn the ring to correct for the 

optics of you and your subject.  

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 67 

Page 68: AEB Practical Guide

 

• The light might make the subject's eye water, but they should try to keep their eye still.  You will need to move your head behind the ophthalmoscope to see more of the retina through the constricted pupil. 

• Find a blood vessel. Make the image as sharp as possible by turning the ring. • Now try and follow the vessel to the optic disc (a white spot with all the blood vessels radiating out)  Draw what you can see here.               

 

3.  The blind spot All of us are blind ‐ at least in part of the visual field!  This blind spot represents the area where the optic nerve passes through the retina (the optic disc) and so there are no photoreceptors there.  The brain "fills in" the hole in our visual field with the information from the surrounding rods and cones and from the other eye if it is open.  Map your blind spot on this sheet of paper.   • Close your left eye and fixate on (stare at) the cross.   • Starting about 10 cm from the page, move your head slowly backwards away from the page. • When the dot disappears, make it bigger by colouring around it with a pen and then try again. • By repeating this procedure, you will be able to map the position, shape, and size of your blind spot. The 

area you have coloured in reflects the optic disc, relative to the point of fixation (the cross) which falls on your fovea. 

+ •  

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 68 

Page 69: AEB Practical Guide

 

4.  Visual acuity: the Snellen Chart Test whether you have 20/20 vision (now called 6/6 vision due to the change from feet to metres).   • Stand 6m from the chart on the tape mark on the floor. • Cover one eye ‐ the chart is designed to test monocular acuity. • Have a lab partner point to a row of letters for you to read out. • If you get them all correct, advance to the next smaller row of letters. • With normal vision you should be able to read the line of letters labelled 6m ‐ this corresponds to reading 

the 20 foot set at the 20 foot mark ‐ hence 20/20.  If you can read the lowest line (5m), then your vision is better than average (6/5).  The number next to each line indicates the distance at which a person with normal eyesight can read the letters. 

• To experience the blurry world of a myopic person, now try and measure your acuity looking through a convex lens (magnifying glass).  

Write down your normal visual acuity.  Write down your acuity through the convex lens.   Try and draw the letter A in the 2 x 2 box just by colouring squares ‐ can you do it?            

Now try and draw the letter A in the 5 x 5 box just by colouring squares ‐ can you do it?                                               

  Now translate your acuity, to the size of the letter image formed on your retina. The focal length of the eye is 17mm. You are standing 6 m from the chart. This means the size of the image on your retina will be  the height of  the  letters  in  the smallest  line you could resolve multiplied by  (17 / 6 000). Measure the height of the letter and do the calculation.  Approximate size of image of the letter on the retina is:          (don't forget your units).  

5. Visual acuity: accommodative power of the lens The power of a lens is measured in dioptres.  The lens in the human eye is capable of changing its power, which permits us to focus up close or far away.  You will measure your accommodative power and confirm the power of the lens in any spectacles you wear. 

• Determine your near point.   Gradually bring  this page of  text up  to one eye along  the metre  ruler and determine the distance at which it first becomes blurry. Have someone measure this distance and write it down in metres. 

• If you are myopic (short‐sighted) determine your far point, which is the furthest distance that you can see objects sharply.   Do this by having someone move this page of text away from one eye along the metre ruler, and determine the distance at which  it  first becomes blurry. Have someone measure this distance and write it down in metres. If you do not have myopia, this distance should be infinity. 

• Calculate your accommodative power = 1/(near point) – 1/(far point) 

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 69 

Page 70: AEB Practical Guide

 

• If you wear glasses, determine their power by measuring your near point with and without glasses.   The power  of  your  lenses  =  1/(near  point  with  glasses)  –  1/(near  point  without  glasses) Lenses to correct myopia will have a negative power (diverging or concave lens). 

• If you don't wear glasses, you can use the same technique to test the power of the convex  lens that you used to simulate myopic blur in exercise 4. 

 

What is your accommodative power?  is this normal for someone of your age? 

 

 

 

What  is the calculated power of the  lens?  If the  lens  is your glasses, does this power match the optometrist's prescription? 

 

  

6. Colour vision studied using colour after‐images  Switch on  the computer.   Press  the "Start" button at bottom  left of  the Windows screen, and  then choose "Class Programs".   On this screen choose the button "Other Physiology" and the option from there "Sensory Physiology: Colour After‐effect".  Follow the instructions on the screen.  Do the after‐images let you determine that there are separate colour channels?   

 

 

 

Would there be any difference  to  the colour wheel and  the primary colours  for people with only 2  functional cone types? 

 

 

 

Would  there be any difference  to  the colour wheel and  the primary colours  for a species with 4 cone  types? Would they see more colours than us? 

     

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 70 

Page 71: AEB Practical Guide

 

7. The Ishihara test for colour blindness. This test consists of a series of colour plates with numbers or simple winding paths formed from coloured dots.  Subjects with colour blindness will perceive a different number or path. 

 • Put the Ishihara book in a well‐lit position where everyone in the group can see it clearly.   • DO  NOT  TOUCH  THE  IMAGES  ON  THE  PAGES  AS  YOU  WILL  CAUSE  DISCOLOURATION  WHICH  WILL 

INVALIDATE THE TEST FOR FUTURE GROUPS.   • Start at the beginning and all agree on what you see. Some pages will show a number, some will have a 

path to be traced from one "X" to another "X", and some pages will be blank.   • If any member of your group sees a different number or path from the rest of the group, you can obtain a 

copy of the test answer booklet and carefully work through the plates with him, to determine the form of colour blindness  that he has  (colour‐blindness  is  sex‐linked  and  affects  about 7% of males  and  <1% of women). 

    

8. Clinical assessment of stereopsis This simple clinical test of stereopsis called the Stereotest relies on polarising glasses and a gel film with two layers  that  transmit differently polarise  light. This  test provides an easily administered check of stereoscopic depth perception. Its purpose is to measure how well the two eyes can discern differences in the distances of objects  from  the observer. Determinants of depth  such as different object  size, overlapping of objects, and perspective have been excluded from the images.  • To administer the tests, hold the picture straight  in front of the observer, to maintain the proper axis of 

polarization.  • Avoid reflections from the shiny surface.  • The graded tests are standardized for 40 cm viewing distance, but minor variations have little effect on the 

score.  • The polarized viewers must be worn when viewing the pictures (over the subject's glasses if they normally 

wear them). • The three tests are each used under different circumstances: 

1) The House  Fly  establishes  the  presence  of  gross  stereopsis,  and  is  especially  useful  in  testing children. Have  the  observer  try  to  "pinch"  the wing  of  the  fly  between  thumb  and  forefinger (provides a guide to the extent of stereopsis). 

2) The Circle patterns provide a  finely graded  series which  tests  fine depth discrimination. Within each  square  are  four  circles.  Only  one  of  the  circles  should  appear  forward  of  the  plane  of reference for those having normal fusion. (The angles of stereopsis (seconds of arc) at 16 inches subtended by each test circle are: 1 (800 sec), 2 (400 sec), 3 (200 sec), 4 (140 sec), 5 (100 sec), 6 (80 sec), 7 (60 sec), 8 (50 sec) and 9 (40 sec). 

3) The series of animals facilitates the testing of young children. In each line one of the five animals appears forward of the others. 

 What is your stereoacuity?    

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 71 

Page 72: AEB Practical Guide

 

9. Magic Eye Pictures Magic Eye pictures or Single  Image Stereograms as  they are more generically known, present a stereoscopic perception  of  depth without  the  need  for  any  specialised  viewing  apparatus.  Inability  to  see  Single  Image Stereograms may relate to problems with stereopsis or with ocular muscle control of gaze. Provided that you have some stereoscopic depth perception (at least 100 seconds of arc on the previous test), then you should be able to see these Single Image Stereograms.  Stable gaze control is required because to view the Single Image Stereograms  the  subject  must  uncouple  their  vergence  and  accommodation.  For  this  reason,  Magic  Eye pictures are often used to train children in the control of their extra‐ocular muscles in treating conditions such as mild strabismus.   View some examples of Single Image Stereograms here: http://pionet.net/~k0brd/stereo/sirds/index2.html http://www.cg.tuwien.ac.at/~mroz/sirds/history.html   How  is  the brain able  to  reconstruct depth  from a  flat Magic  Eye picture?   Why must accommodation and vergence be uncoupled? 

    

   

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 72 

Page 73: AEB Practical Guide

 

Practical 17: CNS Pharmacology 

Principal teacher: Dr. Nicole Jones 

Aim 

To  observe  and  evaluate behavioural  responses  of  animals  to  various  pharmacological  agents  affecting  the central nervous system. 

Introduction 

A behavioural  screening  test  is usually applied  to new  compounds  to determine preliminary  information on their activities and toxicities, and provide clues for their classification. Most screening tests are performed on animals, usually mice and rats, since it would be unethical to test drugs with potentially adverse side‐effects on human beings. After drug administration, the animals are carefully monitored for various parameters, such as awareness, mood, motor activity, central nervous system excitation, muscle tone, reflexes etc., and scored on a numerical  scale.  From  the  scores  given  to  the  observations,  tentative  conclusions  can  be made  about  the pharmacology of the compound. Behavioural  screening  studies  are  important  in  ensuring  that  pharmacologists  are  aware  of  the  distinctive effects, efficacies and toxicities of the drugs. However, such studies require large quantities of animals, which cause  financial and animal ethical concerns. Hence,  the development of alternative approaches  for  teaching and researching behavioural pharmacology has become a worldwide issue.  In  this  practical  you will  be  introduced  to  an  alternative  approach  to  teaching  behavioural  pharmacology, involving the use of pre‐recorded video to demonstrate drug screening procedures in live animals. With the use of video sequences within the program, together with tutorial style questions, you will have a store of visual information  available  regarding  the  appropriate behavioural effects of  some drugs,  such  as CNS  stimulants, sedatives and narcotic analgesics.    

Methods 

PART 1. Observation of behaviour responses to pharmacological agents 

Students will  observe  computer‐based  demonstrations  and  recordings  of  the  actions  of  various  CNS  active agents and the responses of animals to these agents, and will be asked to comment upon and evaluate these during the class.   

Make sure you read the definitions of various behaviours that may be observed in the tests before the class starts. Also make sure that you attempt the questions listed below at the end of each section. 

Use the multimedia CD‐ROM to observe the behavioural effects of the following agents: 

a)    Hypnotics/Sedatives:  Barbiturates//Benzodiazepines  b)    Opioids:  Morphine  c)    Stimulants:  Amphetamine/Cocaine/Picrotoxin   

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 73 

Page 74: AEB Practical Guide

 

  

Definitions of behaviours  

 Ataxia ‐ loss of the ability to coordinate muscular movement.  

Clonic convulsion ‐ uncontrollable contractions of muscles marked by alternating contraction and relaxation of the muscles. 

Corneal reflex ‐ reaction of the eye to changes in light (change in the size of the pupil) 

Dyspnoea ‐ difficult or laboured breathing.  

Hypertonia ‐ excessive tone of the skeletal muscle.  

Hypotonia ‐diminished tone of skeletal muscle.  

Miosis ‐ contraction of the pupil.  

Mydriasis ‐ dilation of the pupil.  

Opisthotonus ‐ a form of spasm consisting of extreme hypertension of the body.  

Piloerection ‐ erection of hair. 

Ptosis ‐ drooping or closure of the eyelids.   

Salivation ‐ secretion of clear alkaline from mouth.  

Sedation ‐ defined as the act or process of calm.  

Spasms ‐ sudden violent involuntary contraction of muscle.  

Stereotypies – persistent repetition of stereotyped behavior, eg, preening and sniffing the floor.    

Straub tail ‐ raising the tail in the air. 

Wet‐dog shakes ‐ twisting & shaking of the head and neck.  

 

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 74 

Page 75: AEB Practical Guide

 

Use the following table to indicate the type(s) of behaviours you observe for each of the agents tested.   

 

Behaviour  Hexobarbital Morphine Amphetamine  Picrotoxin

Ataxia     

Corneal reflex     

Clonic convulsion     

Dyspnoea     

Hypertonia     

Hypotonia     

Miosis     

Opisthotonus     

Piloerection     

Ptosis     

Respiratory depression     

Salivation     

Sedation     

Spasms     

Stereotypies     

Straub tail     

Wet dog shaking     

 

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 75 

Page 76: AEB Practical Guide

 

PART 2. ELEVATED PLUS MAZE 

The elevated plus maze  is a common behavioural test used to assess fear and anxiety  in rats and mice.   The equipment used for this test is an elevated 4 armed maze, 2 of the arms are completely open, while the other 2 arms have enclosed / raised sides.   This test  is used to determine whether drugs / treatments have potential anxiolytic (reduce anxiety) or anxiogenic (increase anxiety) actions.  Students will observe the behaviour of two rats on the elevated plus maze. Each rat has been injected with a drug and has been placed  in the centre of the elevated plus maze.   Each video file will contain 10 min video recordings  from 2  individual  rats.   You will  receive a short demonstration of how  to measure  the behaviour using the elevated plus maze.  For each rat your group will need to note down and measure:  a) Rat ID b) Total time spent in the open arms (using timer) c) The number of entries into the open or the closed arm of the maze.   Note: each entry is counted as when the whole of the rat’s body has entered an arm of the maze.  You should express your results according to the table below.  Once you have filled in the table provided – add your results to the class data  

Rat ID  # entries open 

# entries closed # entriestotal 

% open entries / Total 

Time spent in open arms (sec) 

    

   

    

   

 When all of the class data has been collected and the codes for the treatment groups have been revealed:  • Calculate the mean and standard deviation (% open entries) for both control and diazepam treated 

groups:  1. Open GraphPad Prism via the following path: Class programs \ Physiology and Pharmacology \ 

Utilities and Office applications \ Graph Pad Prism 2. Select “start with an empty data table”, Choose Graph “Column bar graph, vertical”, choose to plot 

“mean with SD” 3. Enter control values (% open entries) in column “A” and diazepam values (% open entries)  in column 

“B” 4. Click on the “analyse” button, Under “column analyses, select t‐test (and non‐parametric tests) 5. Select “paired test”, two‐tailed, and use 95% confidence intervals 6. Click “OK” and your Prism will perform the t‐test 7. Click on “Graph” to view your bar graph   8. Label each axis. “X” = Treatment, “Y” = % open entries 

 • Calculate the mean and standard deviation (Time spent in open arms) for both control and diazepam 

treated groups. 

Repeat steps 1‐8 (above), but use class data for Time Spent  in open arms and  label your “Y” axis on the graph accordingly. 

  

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 76 

Page 77: AEB Practical Guide

 

Quiz for Part 1 a)  Hypnotics/Sedatives  

Q1. The barbiturates are known to produce exciting ataxia and hypotonia prior to anaesthesia. What is the other predominant behavioural characteristic observed? a. Opisthotonus b. Clonic convulsions c. Salivation d. Mydriasis e. Respiratory depression 

Q2.  A  subject  is  given  an  unknown  drug which  produces  anaesthesia. Upon  awakening,  the  patient suffers amnesia for 3 hours. The drug is likely to be a type of  a. Barbiturate b. Opioid c. Benzodiazepine d. Cholinergic  e. Ether 

Q3. Which of the following are the effects of benzodiazepines? a. Reduction of anxiety and aggression b. Anticonvulsant effect c. Acts allosterically to increase of GABA for the GABAA receptor binding d. Rapid eye movement (REM) sleep suppression e. All o 

b) Opioids Q4.  The  distinguished  behavioural  characteristics  of morphine  as  demonstrated  in  the  video  sequence 

above include  a. Sporadic activity b. Straub tail c. Hunched posture  d. Walking on tiptoe e. All of the above 

Q5. In addition  to the decreased pain perception and sedative effects, morphine also has effects on  the eye and typically produces: a. Miosis b. Ptosis c. Mydriasis d. Ptosis and Mydriasis e. Ptosis and Miosis 

Q6.   Morphine produces its effects through activation of specific opioid receptors in the brain. The receptor responsible for producing most of the analgesic effects is  a. δ receptor  b. μ receptor c. κ receptor  d. σ receptor  e. α receptor  

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 77 

Page 78: AEB Practical Guide

 

Q7.  The most prominent  clinically useful  effect of opioids  is  reducing pain. Which of  the  following  are unwanted effects of morphine? a.  Euphoria and respiratory depression  b. Sedation and dependence c. Constipation  d. Both a and b  e. a, b and c 

c)    Stimulants Q8. The major behavioral characteristic of amphetamine as demonstrated in the video sequence above is  

a. Sporadic activity b. Piloerection c. Normal movement pattern d. Stereotypies e. None of the above 

Q9.   Amphetamine  and  cocaine  are  both  drugs  of  dependence  which  are  subject  to  abuse  in  the community. They have very limited clinical use. The main use of amphetamines is in the treatment of a. Obesity b. Attention deficit/hyperactivity disorder (ADHD) in children c. Narcolepsy d. Both a and c  e. Both b and c 

Q10. The mechanism underlying the psychostimulant effects of cocaine is  a. Stimulation of catecholamine uptake b. Inhibition of catecholamine uptake c. Release of catecholamine  d. Non‐competitive antagonist of 5‐HT receptor e. None of the above 

Q11. The convulsants form a diverse group of drugs which have varied mechanisms of action, but share a number of important behavioural characteristics, including a. Clonic convulsion, salivation b. Spasm, salivation c. Clonic convulsion, hyperreflexia d. Spasm, wet‐dog shakes e. Clonic convulsion, spasm 

Q12. Picrotoxin acts as a a. GABAA receptor agonist b. GABAA receptor antagonist c. Glycine receptor antagonist d. Adenosine receptor antagonist e. None of the above 

Ageing & Endings B  Practical Manual 2010 Page 78 

Page 79: AEB Practical Guide

 

Ageing & Endings B    Practical Manual 2010   Page 79 

Questions for Part 2   

1. Are the means of control and diazepam treated groups significantly different? 

 

 

 

 

2. How does diazepam work? 

 

 

 

 

 

 

3. Why are we calculating open entries as a percent of the total number of entries? 

 

 

 

 

 

 

4. Why is important to be blind to the treatment groups when studying animal behaviour?