Model solitonowy w neuronauce

Nieliniowa fala elektromechaniczna mierzona w sztucznym układzie lipidowym

Hipoteza solitonowa w neuronauce to model , który twierdzi, że wyjaśnia, w jaki sposób potencjały czynnościowe są inicjowane i przewodzone wzdłuż aksonów , w oparciu o termodynamiczną teorię propagacji impulsów nerwowych. Proponuje, aby sygnały przemieszczały się wzdłuż błony komórkowej w postaci pewnych rodzajów pojedynczych impulsów dźwiękowych (lub gęstości ), które można modelować jako solitony . Model jest proponowany jako alternatywa dla modelu Hodgkina-Huxleya w którym potencjały czynnościowe : bramkowane napięciem kanały jonowe w błonie otwierają się i umożliwiają jonom sodu wejście do komórki (prąd wewnętrzny). Wynikający z tego spadek potencjału błonowego otwiera pobliskie kanały sodowe bramkowane napięciem, propagując w ten sposób potencjał czynnościowy. Potencjał transbłonowy jest przywracany przez opóźnione otwieranie kanałów potasowych. Zwolennicy hipotezy solitona twierdzą, że energia jest zachowana głównie podczas propagacji, z wyjątkiem strat spowodowanych rozpraszaniem; Zmierzone zmiany temperatury są całkowicie niezgodne z modelem Hodgkina-Huxleya.

Model solitonowy (i ogólnie fal dźwiękowych ) opiera się na propagacji adiabatycznej, w której energia dostarczona do źródła wzbudzenia jest przenoszona adiabatycznie przez ośrodek, czyli błonę plazmatyczną. Pomiar impulsu temperatury i rzekomy brak wydzielania ciepła podczas potencjału czynnościowego były podstawą propozycji, że impulsy nerwowe są zjawiskiem adiabatycznym, podobnie jak fale dźwiękowe. Wywołane synaptycznie potencjały czynnościowe w narządzie elektrycznym węgorza elektrycznego są związane ze znacznym dodatnim (tylko) wytwarzaniem ciepła, po którym następuje aktywne schładzanie do temperatury otoczenia. W nerwie węchowym belony potencjał czynnościowy jest związany z dwufazową zmianą temperatury; istnieje jednak produkcja ciepła netto. Te opublikowane wyniki są niezgodne z modelem Hodgkina-Huxleya, a autorzy interpretują swoją pracę w kategoriach tego modelu: Początkowy prąd sodowy uwalnia ciepło, gdy pojemność membrany jest rozładowywana; ciepło jest pochłaniane podczas ładowania pojemności membrany, ponieważ jony potasu poruszają się zgodnie z gradientem ich stężenia, ale wbrew potencjałowi membrany. Mechanizm ten nazywany jest „teorią kondensatora”. Dodatkowe ciepło może być generowane przez zmiany konfiguracji membrany spowodowane zmianami potencjału membrany. Wzrost entropii podczas depolaryzacji uwolniłby ciepło; wzrost entropii podczas repolaryzacji pochłaniałby ciepło. Jednak każdy taki wkład entropiczny jest niezgodny z modelem Hodgkina i Huxleya

Historia

Ichiji Tasaki był pionierem termodynamicznego podejścia do zjawiska propagacji impulsów nerwowych, które zidentyfikowało kilka zjawisk, które nie zostały uwzględnione w modelu Hodgkina-Huxleya . Oprócz pomiaru różnych nieelektrycznych składników impulsu nerwowego, Tasaki badał chemię fizyczną przejść fazowych we włóknach nerwowych i jego znaczenie dla propagacji impulsów nerwowych. Opierając się na pracy Tasakiego, Konrad Kaufman zaproponował fale dźwiękowe jako fizyczną podstawę propagacji impulsów nerwowych w niepublikowanym rękopisie. Podstawową ideą leżącą u podstaw modelu solitonowego jest zrównoważenie wewnętrznej dyspersji dwuwymiarowych fal dźwiękowych w membranie za pomocą nieliniowych właściwości sprężystych w pobliżu przejścia fazowego. Początkowy impuls może przybrać w takich warunkach stabilny kształt, ogólnie znany jako samotna fala. Solitony są najprostszym rozwiązaniem zestawu nieliniowych równań falowych rządzących takim zjawiskiem i zostały zastosowane do modelowania impulsu nerwowego w 2005 roku przez Thomasa Heimburga i Andrew D. Jacksona, obaj z Instytut Nielsa Bohra na Uniwersytecie Kopenhaskim . Heimburg kieruje Grupą Biofizyki Membranej Instytutu. Grupa fizyki biologicznej Matthiasa Schneidera badała propagację dwuwymiarowych fal dźwiękowych w interfejsach lipidowych i ich możliwą rolę w sygnalizacji biologicznej

Uzasadnienie

Model zaczyna się od obserwacji, że błony komórkowe mają zawsze punkt zamarzania (temperatura, poniżej której konsystencja zmienia się z płynnej na żelową) tylko nieznacznie poniżej temperatury ciała organizmu, co pozwala na propagację solitonów. Potencjał czynnościowy przemieszczający się wzdłuż nerwu mieszanego powoduje nieznaczny wzrost temperatury, a następnie spadek temperatury. Zwolennicy modelu solitona twierdzą, że podczas całego impulsu nie jest uwalniane żadne ciepło netto, a obserwowane zmiany temperatury są niezgodne z modelem Hodgkina-Huxleya. Jest to jednak nieprawda: model Hodgkina Huxleya przewiduje dwufazowe uwalnianie i pochłanianie ciepła. Dodatkowo potencjał czynnościowy powoduje niewielkie miejscowe pogrubienie błony i siłę działającą na zewnątrz; efekt ten nie jest przewidywany przez model Hodgkina-Huxleya, ale też mu ​​nie zaprzecza.

Model solitonowy próbuje wyjaśnić prądy elektryczne związane z potencjałem czynnościowym w następujący sposób: podróżujący soliton lokalnie zmienia gęstość i grubość błony, a ponieważ błona zawiera wiele naładowanych i polarnych substancji, spowoduje to efekt elektryczny podobny do piezoelektryczność . Rzeczywiście, obecnie wykazano, że takie nieliniowe fale dźwiękowe istnieją na interfejsach lipidów, które wykazują powierzchowne podobieństwo do potencjałów czynnościowych (sprzężenie elektro-opto-mechaniczne, prędkości, kształt impulsu dwufazowego, próg wzbudzenia itp.). Ponadto fale pozostają zlokalizowane w membranie i nie rozprzestrzeniają się w otoczeniu z powodu niedopasowania impedancji.

Formalizm

Rozwiązaniem równania różniczkowego cząstkowego jest soliton reprezentujący potencjał czynnościowy nerwów

gdzie t to czas, a x to położenie wzdłuż aksonu nerwu. Δ ρ to zmiana gęstości błony pod wpływem potencjału czynnościowego, c 0 to prędkość dźwięku błony nerwowej, p i q opisują naturę przejścia fazowego, a tym samym nieliniowość stałych sprężystości błony nerwowej. Parametry c 0 , p i q są podyktowane właściwościami termodynamicznymi błony nerwowej i nie można ich dowolnie regulować. Trzeba je określić doświadczalnie. Parametr h opisuje zależność częstotliwościową prędkości dźwięku membrany ( zależność dyspersji ). Powyższe równanie nie zawiera żadnych parametrów dopasowania. Formalnie jest to związane z przybliżeniem Boussinesqa dla solitonów w kanałach wodnych. Rozwiązania powyższego równania mają graniczną maksymalną amplitudę i minimalną prędkość propagacji, która jest podobna do prędkości impulsu w nerwach mielinizowanych. Przy restrykcyjnych założeniach istnieją roztwory okresowe, które wykazują okresy hiperpolaryzacji i refrakcji.

Rola kanałów jonowych

Zwolennicy modelu solitonowego twierdzą, że wyjaśnia on kilka aspektów potencjału czynnościowego, których nie wyjaśnia model Hodgkina – Huxleya. Ponieważ ma charakter termodynamiczny, nie dotyczy właściwości pojedynczych makrocząsteczek, takich jak kanałów jonowych w skali molekularnej. Przyjmuje się raczej, że ich właściwości są pośrednio zawarte w makroskopowych właściwościach termodynamicznych błon nerwowych. Model solitonowy przewiduje fluktuacje prądu błonowego podczas potencjału czynnościowego. Prądy te mają podobny wygląd jak te zgłaszane dla białek kanałów jonowych. Uważa się, że są one spowodowane przez pory błony lipidowej spontanicznie generowane przez fluktuacje termiczne. Takie fluktuacje termiczne wyjaśniają specyficzną selektywność jonową lub określony przebieg w czasie odpowiedzi na zmiany napięcia na podstawie ich wpływu na makroskopowe podatności układu.

Zastosowanie do znieczulenia

Autorzy twierdzą, że ich model wyjaśnia nieznany dotąd sposób działania wielu anestetyków . Obserwacja Meyera – Overtona utrzymuje, że siła szerokiej gamy chemicznie różnych środków znieczulających jest proporcjonalna do ich rozpuszczalności w tłuszczach , co sugeruje, że nie działają one poprzez wiązanie się z określonymi białkami takie jak kanały jonowe, ale zamiast tego rozpuszczają się i zmieniają właściwości błony lipidowej. Substancje rozpuszczające się w błonie obniżają temperaturę zamarzania błony, a wynikająca z tego większa różnica między temperaturą ciała a temperaturą zamarzania hamuje propagację solitonów. Zwiększając ciśnienie, obniżając pH lub obniżenie temperatury, różnica ta może zostać przywrócona do normy, co powinno zniwelować działanie środków znieczulających: jest to rzeczywiście obserwowane. Wielkość ciśnienia potrzebnego do anulowania działania środka znieczulającego o danej rozpuszczalności w tłuszczach można obliczyć z modelu solitonowego i dość dobrze zgadza się z obserwacjami eksperymentalnymi.

Różnice między przewidywaniami modelowymi a obserwacjami eksperymentalnymi

Zderzenie solitonów

Poniżej znajduje się lista niektórych rozbieżności między obserwacjami eksperymentalnymi a „modelem solitonowym”:

Antydromowa inwazja somy z aksonu
Potencjał czynnościowy zainicjowany w dowolnym miejscu na aksonie będzie przemieszczał się w kierunku antydromowym (wstecznym) do somy neuronu (ciała komórki) bez utraty amplitudy i wytworzy w somie potencjał czynnościowy o pełnej amplitudzie. Ponieważ powierzchnia błony somy jest o rzędy wielkości większa niż powierzchnia aksonu, zachowanie energii wymaga zmniejszenia amplitudy adiabatycznej fali mechanicznej. Ponieważ brak produkcji ciepła jest jednym z rzekomych uzasadnień „modelu solitonowego”, jest to szczególnie trudne do wyjaśnienia w ramach tego modelu. [ potrzebne źródło ]
Trwałość potencjału czynnościowego w szerokim zakresie temperatur
Ważnym założeniem modelu solitonowego jest obecność przejścia fazowego w pobliżu temperatury otoczenia aksonu („Formalizm”, powyżej). Wtedy szybka zmiana temperatury od temperatury przemiany fazowej musiałaby spowodować duże zmiany potencjału czynnościowego. Poniżej temperatury przejścia fazowego fala solitonowa nie byłaby możliwa. Jednak potencjały czynnościowe są obecne w temperaturze 0 ° C. Przebieg czasu jest spowolniony w sposób przewidziany przez zmierzoną kinetykę otwierania i zamykania kanałów jonowych Hodgkina-Huxleya.
Kolizje
Impulsy nerwowe biegnące w przeciwnych kierunkach unicestwiają się nawzajem podczas zderzenia. Z drugiej strony fale mechaniczne nie anihilują, lecz przechodzą przez siebie. Zwolennicy modelu solitona próbowali wykazać, że potencjały czynnościowe mogą przechodzić przez zderzenie; jednak anihilacja kolizyjna ortodromów i antydromów potencjały czynnościowe są zjawiskiem rutynowo obserwowanym w laboratoriach neurobiologicznych i stanowią podstawę standardowej techniki identyfikacji neuronów. Solitony mijają się podczas kolizji (rysunek - „Zderzenie solitonów”), samotne fale na ogół mogą przechodzić, anihilować lub odbijać się od siebie, a solitony są tylko szczególnym przypadkiem takich samotnych fal.
Prądy jonowe pod napięciem
Zacisk napięcia, używany przez Hodgkina i Huxleya (1952) ( Model Hodgkina-Huxleya ), aby eksperymentalnie przeanalizować potencjał czynnościowy aksonu olbrzymiego kałamarnicy, wykorzystuje elektroniczne sprzężenie zwrotne do pomiaru prądu niezbędnego do utrzymania stałego napięcia membrany na zadanej wartości. Srebrny drut wprowadzony do wnętrza aksonu wymusza stałe napięcie membranowe wzdłuż długości aksonu. W tych okolicznościach nie ma możliwości podróżowania „solitonem”. Wszelkie zmiany termodynamiczne bardzo różnią się od tych wynikających z potencjału czynnościowego. Jednak zmierzone prądy dokładnie odtwarzają potencjał czynnościowy. [ potrzebne źródło ]
Prądy jednokanałowe
Technika patch clamp polega na izolowaniu mikroskopijnego fragmentu membrany na czubku szklanej pipety. Możliwa jest wtedy rejestracja prądów z pojedynczych kanałów jonowych. Nie ma możliwości propagowania solitonów ani zmian termodynamicznych. Jednak właściwości tych kanałów (czasowa reakcja na skoki napięcia, selektywność jonowa) dokładnie przewidują właściwości makroskopowych prądów mierzonych przy konwencjonalnym zacisku napięcia.
Selektywne przewodnictwo jonowe
Prąd leżący u podstaw depolaryzacji potencjału czynnościowego jest selektywny dla sodu. Repolaryzacja zależy od selektywnego prądu potasowego. Prądy te mają bardzo specyficzne reakcje na zmiany napięcia, które ilościowo wyjaśniają potencjał czynnościowy. Zastąpienie sodu jonami nieprzepuszczalnymi znosi potencjał czynnościowy. „Model solitonowy” nie może wyjaśnić ani selektywności jonowej, ani odpowiedzi na zmiany napięcia.
Farmakologia
Lek tetrodotoksyna (TTX) blokuje potencjały czynnościowe w bardzo niskich stężeniach. Zidentyfikowano miejsce działania TTX na kanał sodowy. Dendrotoksyny blokują kanały potasowe. Leki te powodują ilościowo przewidywalne zmiany potencjału czynnościowego. „Model solitonowy” nie wyjaśnia tych efektów farmakologicznych.

Fale akcji

Niedawny model teoretyczny, zaproponowany przez Ahmeda El Hady'ego i Benjamina Machtę, sugeruje, że istnieje mechaniczna fala powierzchniowa, która rozchodzi się razem z elektrycznym potencjałem czynnościowym. Te fale powierzchniowe nazywane są „falami akcji”. W modelu El Hady-Machty te fale współrozchodzące się są napędzane przez zmiany napięcia na błonie spowodowane potencjałem czynnościowym.

Zobacz też

Źródła

Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Soliton_model_in_neuroscience&oldid=1099699280 ”