Bernstein nació en Berlín y fue atraído a la fisiología durante sus estudios en Breslau, bajo la dirección de Rudolph Heidenhain (1834-1899). Cuando Bernstein completó su educación en Berlín su amigo Ludimar Hermann (1838-1914) lo presentó con Du Bois-Reymond, con quien trabajó de 1860 a 1864, cambiándose ese año a Heidelberg y después a la Universidad de Halle, donde permaneció hasta su muerte 46 años después.
Bernstein hizo una versión mejorada del aparato llamado "reotomo diferencial." Como su predecesor, estaba diseñado para medir el curso temporal de la variación negativa, pero su principal problema era que el único instrumento accesible de medición era un galvanómetro, un aparato demasiado lento para seguir el curso temporal de un evento tan rápido como el potencial de acción, además de que era bastante insensible.
La solución de Bernstein fue muy ingeniosa. Primero resolvió el problema de la lentitud del galvanómetro por medio de un marcador mecánico y un circuito de muestreo; específicamente, el aparato conectaba el galvanómetro a los electrodos de registro solamente durante una fracción de milisegundo y después de cierto retardo con respecto al estímulo. Como el retardo era variable, Bernstein lo podía determinar con una precisión mayor de un milisegundo, y ya que el intervalo de muestreo era corto comparado con el potencial de acción, podía examinar cualquier porción de él simplemente ajustando ese retardo.
La otra dificultad era la insensibilidad del galvanómetro para responder a una sola muestra breve de la corriente de lesión. Para resolver ese problema Bernstein estimulaba rápidamente el nervio, conectando el galvanómetro por intervalos de igual duración después de cada estímulo (con un retardo constante), de manera que el aparato recibía una descarga de muestras idénticas. De esa manera las muestras se sumaban y como la lectura del galvanómetro era proporcional a su número, multiplicando por la amplitud de la muestra individual Bernstein pudo comparar las lecturas de diferentes retardos. Esto es, comparó las intensidades relativas de las diferentes porciones del potencial de acción y así reconstruyó su curso temoral. Aún así, la resolución quedó limitada por el intervalo de muestreo, que era de 0.5 mseg en un caso típico.
Figura 1. Izquierda. Retrato de Julius Bernstein (1745-1827). Derecha arriba. Potencial de acción del nervio, en el que el sobretiro es 50% de la amplitud. Derecha abajo. Potencial de acción del músculo, sin sobretiro (tomado de Brazier, 1984).
Un esquema simplificado del reotomo de Bernstein se encuentra en la Figura 2. Los electrodos de estimulación y de registro estaban en los extremos opuestos del nervio y el estimulador quedaba conectado a un interruptor que era cerrado una vez cada revolución de la rueda. El galvanómetro y los electrodos de registro estaban conectados a otro interruptor que también era cerrado brevemente a cada revolución de la rueda y cuando la máquina estaba en operación, la frecuencia de estimulación era dada ajustando la velocidad de la rueda. El tiempo de retardo entre el estímulo y el intervalo de muestreo eran dados ajustando el ángulo entre los dos interruptores y aunque no está ilustrado en el diagrama, la duración del intervalo de muestreo también era ajustable.
Un problema con el diseño del reotomo era que debido a su baja resistencia de entrada, el galvanómetro drenaba tanta corriente del nervio que al cerrar el interruptor también se estimulaba el nervio, pero Bernstein arregló este problema de una manera simple. Conectó el galvanómetro en serie con una fuente variable de voltaje de la polaridad opuesta, que era simplemente una batería conectada a un alambre de cobre de 1.5 metros de longitud y moviendo un deslizador a lo largo del alambre podía recoger una fracción del voltaje de la batería. En la práctica el deslizador se colocaba de tal manera que la batería balanceara exactamente la corriente de lesión y como resultado, el galvanómetro no drenaba corriente del nervio cuando la preparación estaba en reposo.
Tanto el galvanómetro como el estimulador eran convencionales para la época. El galvanómetro consistía en una barra magnética suspendida del techo con una cuerda y rodeada con una espiral de alambre colocada en el piso, mientras el estimulador era simplemente una bobina de inducción conectada a la batería. La máquina se usaba de la siguiente manera: primero se conectaban dos pares de electrodos al nervio, uno para estimulación y otro para registro; además, también se conectaban al reotomo, que se ponía a girar a una velocidad constante y medida cuidadosamente. Después se ajustaba la corriente de compensación para cancelar exactamente la corriente de reposo del nervio. Entonces el reotomo se ajustaba a un retardo de cero entre la estimulación y el registro y se activaba el estimulador, aumentando gradualmente el tiempo de retardo hasta que el galvanómetro respondía
El primer hallazgo de Bernstein fue que "pasaba un tiempo entre la estimulación en un punto del nervio y el inicio de la variación negativa en un punto distante;" en otras palabras, cuando el retardo entre la estimulación y el muestreo era cero, el galvanómetro no respondía porque el medidor muestreaba solamente la corriente de reposo, para la cual estaba compensado, antes de la llegada de la variación negativa. Sin embargo, cuando se daba un retardo apropiado, el potencial de acción alcanzaba los electrodos al mismo tiempo que el galvanómetro muestreaba la corriente del nervio y como en este caso la corriente nerviosa era más débil que la corriente de compensación, el galvanómetro registraba.
Figura 2. Reotomo diferencial usado por Bernstein para medir el potencial de acción (tomado de Brazier, 1984).
Cambiando el retardo Bernstein podía muestrear diferentes partes de la variación negativa y determinar su curso temporal, y para tener un registro lo más preciso posible tenía que hacer que el intervalo de muestreo fuera muy corto. Sin embargo, si los intervalos eran demasiados cortos no había suficiente carga para mover el galvanómetro y un tiempo de muestreo de 0.3 mseg resultó el límite práctico para el paradigma de registrar de dos nervios colocados uno junto al otro para aumentar la amplitud de la señal.
El resultado de esos experimentos se muestra en la Figura 1, donde el trazo derecho superior es una gráfica de amplitud contra tiempo. Aparentemente éste es el primer potencial de acción publicado y sin embargo es una representación perfectamente fidedigna. Los trazos inferiores son gráficas de la magnitud de la variación negativa contra la distancia a lo largo del músculo en un momento del tiempo. Este dibujo fue hecho por Bernstein para mostrar que el potential de acción es una onda que viaja a lo largo el nervio en ambas direcciones y alejándose del estímulo.
Para medir la velocidad de propagación de la variación negativa, Bernstein estimuló en cualquiera de dos puntos a distancias diferentes de los electrodos de registro. En cada caso midió el retardo mínimo requerido para producir una deflexión apenas detectable en el galvanómetro. Conociendo esos números y las diferencias en las distancias fue simple calcular la velocidad de conducción, que dió 28.718 m/seg, un valor que estaba de acuerdo con el obtenido por von Helmholtz para la velocidad de la influencia excitatoria.
Para determinar si la corriente cambiaba de dirección durante el pico de la variación negativa Bernstein tenía que tomar en cuenta el efecto de la intensidad del estímulo. Pero ya que estaba registrando de un haz de axones y no de una sola fibra, el tamaño de la respuesta era aproximadamente proporcional al número de fibras excitadas, que a su vez variaba con la intensidad del estímulo. Bernstein notó que cambiando la intensidad del estímulo cambiaba el tamaño de la variación negativa, pero no su duración.
Para el experimento crítico, Bernstein ajustó el reotomo de manera que muestreara el pico de la variación negativa, hizo el estímulo tan largo como fue posible y no usó la corriente de compensación. De esa manera solamente tenía que ver en que dirección se movía el galvanómetro, en favor o en contra de la corriente de reposo. La respuesta fue casi la misma en cada caso, mostrando que la inversión no era debida a un artefacto creado por una corriente de fuga desde el estimulador; sin embargo, en unos pocos casos la corriente se acercaba a cero, pero no cambió de dirección durante el pico de la señal. La mejor explicación para estos casos era que no todas las fibras habían sido estimuladas y por lo tanto había una gran cantidad de corriente de reposo que oscurecía la inversion.
Así, cuando Bernstein determinó la velocidad de propagación del potencial de acción y mostró que tenía un sobretiro, completó el trabajo que Du Bois-Reymond le había asignado.
