Солитонная модель в нейробиологии - Soliton model in neuroscience

Нелинейная электромеханическая волна, измеренная в искусственной липидной системе

Гипотеза солитонов в нейробиологии - это модель, которая претендует на объяснение того, как потенциалы действия инициируются и проводятся вдоль аксонов, на основе термодинамической теории распространения нервных импульсов. Он предполагает, что сигналы перемещаются вдоль клеточной мембраны в форме определенных видов одиночных звуковых импульсов (или импульсов плотности ), которые можно смоделировать как солитоны . Модель предлагается как альтернатива модели Ходжкина-Хаксли, в которой потенциалы действия : потенциал-зависимые ионные каналы в мембране открываются и позволяют ионам натрия проникать в клетку (входящий ток). Результирующее снижение мембранного потенциала открывает близлежащие потенциалзависимые натриевые каналы, распространяя, таким образом, потенциал действия. Трансмембранный потенциал восстанавливается за счет отсроченного открытия калиевых каналов. Сторонники солитонной гипотезы утверждают, что энергия в основном сохраняется во время распространения, за исключением потерь на диссипацию; Измеренные изменения температуры полностью несовместимы с моделью Ходжкина-Хаксли.

Модель солитона (и звуковые волны в целом) зависит от адиабатического распространения, при котором энергия, выделяемая в источнике возбуждения, адиабатически переносится через среду, то есть плазматическую мембрану. Измерение температурного импульса и заявленное отсутствие тепловыделения во время потенциала действия послужили основой для предположения, что нервные импульсы являются адиабатическим явлением, очень похожим на звуковые волны. Синаптически вызванные потенциалы действия в электрическом органе электрического угря связаны с существенным положительным (только) выделением тепла с последующим активным охлаждением до температуры окружающей среды. В обонятельном нерве саргана потенциал действия связан с двухфазным изменением температуры; однако есть чистое производство тепла. Эти опубликованные результаты несовместимы с моделью Ходжкина-Хаксли, и авторы интерпретируют свою работу в терминах этой модели: начальный натриевый ток выделяет тепло по мере разряда мембранной емкости; тепло поглощается во время перезарядки емкости мембраны, поскольку ионы калия движутся с градиентом их концентрации, но против потенциала мембраны. Этот механизм называется «Теорией конденсатора». Дополнительное тепло может генерироваться изменениями конфигурации мембраны, вызванными изменениями мембранного потенциала. Увеличение энтропии во время деполяризации приведет к выделению тепла; увеличение энтропии во время реполяризации поглотит тепло. Однако любые такие энтропийные вклады несовместимы с моделью Ходжкина и Хаксли.

История

Ичиджи Тасаки впервые применил термодинамический подход к феномену распространения нервных импульсов, который выявил несколько явлений, не включенных в модель Ходжкина-Хаксли . Наряду с измерением различных неэлектрических компонентов нервного импульса, Тасаки исследовал физическую химию фазовых переходов в нервных волокнах и их важность для распространения нервных импульсов. Основываясь на работе Тасаки, Конрад Кауфман предложил звуковые волны в качестве физической основы для распространения нервных импульсов в неопубликованной рукописи. Основная идея, лежащая в основе солитонной модели, заключается в уравновешивании внутренней дисперсии двумерных звуковых волн в мембране нелинейными упругими свойствами вблизи фазового перехода. Начальный импульс при таких обстоятельствах может приобрести устойчивую форму, известную как уединенная волна. Солитоны представляют собой простейшее решение системы нелинейных волновых уравнений, управляющих этим явлением, и были применены для моделирования нервного импульса в 2005 году Томасом Хаймбургом и Эндрю Д. Джексоном в Институте Нильса Бора при Университете Копенгагена . Хаймбург возглавляет группу мембранной биофизики института. Группа биологической физики Маттиаса Шнайдера изучила распространение двумерных звуковых волн в липидных границах раздела и их возможную роль в биологической передаче сигналов.

Обоснование

Модель начинается с наблюдения, что клеточные мембраны всегда имеют точку замерзания (температура, ниже которой консистенция меняется с жидкой на гелеобразную) лишь немного ниже температуры тела организма, и это позволяет распространяться солитонам. Потенциал действия, перемещающийся по смешанному нерву, приводит к небольшому повышению температуры, за которым следует ее понижение. Сторонники солитонной модели утверждают, что в течение всего импульса не выделяется чистое тепло, и что наблюдаемые изменения температуры несовместимы с моделью Ходжкина-Хаксли. Однако это неверно: модель Ходжкина-Хаксли предсказывает двухфазное выделение и поглощение тепла. Кроме того, потенциал действия вызывает небольшое локальное утолщение мембраны и силу, действующую наружу; этот эффект не предсказывается моделью Ходжкина – Хаксли, но и не противоречит ей.

Модель солитона пытается объяснить электрические токи, связанные с потенциалом действия, следующим образом: бегущий солитон локально изменяет плотность и толщину мембраны, и, поскольку мембрана содержит много заряженных и полярных веществ, это приведет к электрическому эффекту, схожему с пьезоэлектричество . Действительно, теперь было показано, что такие нелинейные звуковые волны существуют на липидных границах раздела, которые показывают внешнее сходство с потенциалами действия (электроопто-механическая связь, скорости, форма двухфазного импульса, порог возбуждения и т. Д.). Кроме того, волны остаются локализованными в мембране и не распространяются в окружающей среде из-за несоответствия импеданса.

Формализм

Солитон, представляющий потенциал действия нервов, является решением уравнения в частных производных

где t - время, а x - положение вдоль аксона нерва. Δ ρ - изменение плотности мембраны под действием потенциала действия, c 0 - скорость звука нервной мембраны, p и q описывают характер фазового перехода и, тем самым, нелинейность упругих констант нервной мембраны. Параметры c 0 , p и q продиктованы термодинамическими свойствами нервной мембраны и не могут свободно регулироваться. Их нужно определять экспериментально. Параметр h описывает частотную зависимость скорости звука мембраны ( дисперсионное соотношение ). Вышеприведенное уравнение не содержит никаких подгоночных параметров. Формально он связан с приближением Буссинеска для солитонов в водных каналах. Решения вышеуказанного уравнения обладают предельной максимальной амплитудой и минимальной скоростью распространения, которые аналогичны скорости импульса в миелинизированных нервах. При ограничительных предположениях существуют периодические решения, отображающие периоды гиперполяризации и рефрактерности.

Роль ионных каналов

Сторонники солитонной модели утверждают, что она объясняет несколько аспектов потенциала действия, которые не объясняются моделью Ходжкина – Хаксли. Поскольку он имеет термодинамическую природу, он не рассматривает свойства отдельных макромолекул, таких как белки ионных каналов, в молекулярном масштабе. Скорее предполагается, что их свойства неявно содержатся в макроскопических термодинамических свойствах нервных мембран. Солитонная модель предсказывает флуктуации мембранного тока во время действия потенциала действия. Эти токи имеют такой же вид, как и те, о которых сообщается для белков ионных каналов. Считается, что они вызваны порами липидной мембраны, спонтанно возникающими в результате тепловых колебаний. Такие тепловые флуктуации объясняют специфическую ионную селективность или конкретный временной ход реакции на изменения напряжения на основе их влияния на макроскопическую восприимчивость системы.

Применение к анестезии

Авторы утверждают, что их модель объясняет ранее неясный механизм действия многочисленных анестетиков . Наблюдение Мейер-Овертон считает , что сила широкого спектра химически различных анестетиков пропорциональна их липидной растворимости, предполагая , что они не действуют путем связывания со специфическими белками , таких как ионные каналы , но вместо того, чтобы путем растворения в и изменения свойств липидная мембрана. Растворение веществ в мембране снижает точку замерзания мембраны, и в результате большая разница между температурой тела и точкой замерзания препятствует распространению солитонов. Увеличивая давление, понижая pH или понижая температуру, эту разницу можно вернуть к норме, что должно отменить действие анестетиков: это действительно наблюдается. Величина давления, необходимая для отмены действия анестетика с данной растворимостью в липидах, может быть вычислена из солитонной модели и достаточно хорошо согласуется с экспериментальными наблюдениями.

Различия между модельными предсказаниями и экспериментальными наблюдениями

Столкновение солитонов

Ниже приводится список некоторых расхождений между экспериментальными наблюдениями и «солитонной моделью»:

Антидромное вторжение в сому из аксона
Потенциал действия, инициированный в любом месте аксона, будет перемещаться в антидромном (обратном) направлении к соме нейрона (телу клетки) без потери амплитуды и произведет в соме потенциал действия полной амплитуды. Поскольку площадь мембраны сомы на порядки больше площади аксона, сохранение энергии требует уменьшения амплитуды адиабатической механической волны. Поскольку отсутствие тепловыделения является одним из заявленных оправданий «солитонной модели», это особенно трудно объяснить в рамках этой модели.
Сохранение потенциала действия в широком диапазоне температур
Важным предположением солитонной модели является наличие фазового перехода вблизи температуры окружающей среды аксона («Формализм», выше). Тогда быстрое изменение температуры от температуры фазового перехода обязательно вызовет большие изменения в потенциале действия. Ниже температуры фазового перехода солитонная волна была бы невозможна. Тем не менее, потенциалы действия присутствуют при 0 ° C. Ход во времени замедляется способом, предсказываемым измеренной кинетикой открытия и закрытия ионных каналов Ходжкина-Хаксли.
Столкновения
Нервные импульсы, идущие в противоположных направлениях, при столкновении уничтожают друг друга. С другой стороны, механические волны не аннигилируют, а проходят друг через друга. Сторонники солитонной модели пытались показать, что потенциалы действия могут проходить через столкновение; тем не менее, коллизионная аннигиляция ортодромных и антидромных потенциалов действия является обычным явлением в лабораториях нейробиологии и является основой стандартной техники идентификации нейронов. Солитоны пересекают друг друга при столкновении (рисунок - «Столкновение солитонов»), уединенные волны в целом могут проходить, аннигилировать или отскакивать друг от друга, и солитоны являются лишь частным случаем таких уединенных волн.
Ионные токи под напряжением фиксатора
Зажим напряжения, используемый Ходжкином и Хаксли (1952) ( модель Ходжкина-Хаксли ) для экспериментального анализа потенциала действия в аксоне гигантского кальмара, использует электронную обратную связь для измерения тока, необходимого для поддержания постоянного напряжения мембраны на заданном значении. Серебряная проволока, вставленная внутрь аксона, создает постоянное мембранное напряжение по длине аксона. В этих условиях нет возможности бегущего «солитона». Любые термодинамические изменения сильно отличаются от тех, которые возникают в результате потенциала действия. Тем не менее, измеренные токи точно воспроизводят потенциал действия.
Одноканальные токи
Метод патч-зажима изолирует микроскопический участок мембраны на кончике стеклянной пипетки. Затем можно регистрировать токи от одиночных ионных каналов. Нет возможности распространения солитонов или термодинамических изменений. Тем не менее, свойства этих каналов (временная реакция на скачки напряжения, ионная селективность) точно предсказывают свойства макроскопических токов, измеренных с помощью обычных фиксаторов напряжения.
Селективная ионная проводимость
Ток, лежащий в основе деполяризации потенциала действия, селективен для натрия. Реполяризация зависит от селективного калиевого тока. Эти токи имеют очень специфические реакции на изменения напряжения, которые количественно объясняют потенциал действия. Замена натрия непроницаемыми ионами устраняет потенциал действия. «Солитонная модель» не может объяснить ни ионную селективность, ни реакцию на изменение напряжения.
Фармакология
Препарат тетродотоксин (ТТХ) блокирует потенциалы действия при крайне низких концентрациях. Место действия ТТХ на натриевые каналы не установлено. Дендротоксины блокируют калиевые каналы. Эти препараты вызывают количественно предсказуемые изменения потенциала действия. «Солитонная модель» не дает объяснения этим фармакологическим эффектам.

Волны действий

Недавняя теоретическая модель, предложенная Ахмедом Эль Хади и Бенджамином Махта, предполагает, что существует механическая поверхностная волна, которая распространяется вместе с электрическим потенциалом действия. Эти поверхностные волны называются «волнами действия». В модели Эль-Хади-Махты эти совместно распространяющиеся волны вызываются изменениями напряжения на мембране, вызванными потенциалом действия.

Смотрите также

Источники

использованная литература