신경과학에서의 솔리톤 모델

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신경과학에서의 솔리톤 가설은 신경 맥박 전파의 열역학 이론을 바탕으로 액손에 따라 작용 전위가 시작되고 어떻게 수행되는지를 설명하는 모델이다.^[1] 그것은 이 신호가 솔리톤으로 모델링될 수 있는 특정한 종류의 고독한 소리(또는 밀도) 펄스의 형태로 세포막을 따라 이동할 것을 제안한다. 이 모델은 호지킨-대안으로 제안되었다.작용 전위: 막의 전압 게이트 이온 채널이 열리고 나트륨 이온이 셀(상류)로 들어갈 수 있는 Huxley 모델^[2] 그 결과 멤브레인 전위 감소는 근처의 전압 게이트 나트륨 채널을 열어 작용 전위를 전파한다. 투과 전위는 칼륨 통로의 개방을 지연시킴으로써 회복된다. 솔리톤 가설 지지자들은 에너지가 분산 손실을 제외하고 전파 중에 주로 보존된다고 주장한다. 측정된 온도 변화는 호지킨-헉슬리 모델과 완전히 일치하지 않는다.^[3][4]

솔리톤 모델(및 일반적으로 음파)은 흥분원에서 제공되는 에너지가 중질, 즉 혈장막을 통해 단질적으로 전달되는 단질 전파에 의존한다. 온도 펄스의 측정과 작용 전위^[5][6] 중 열 방출의 부재는 신경 자극이 음파와 매우 유사한 단극적 현상이라는 제안의 기초였다. 전기 뱀장어의 전기 기관에서 시냅트적으로 유발된 작용 전위는 상당한 양의 열 생산에 이어 주변 온도에 대한 능동 냉각과 관련이 있다.^[7] 가오리 후각 신경에서 작용 전위는 바이파하스 온도 변화와 연관되어 있지만, 열의 순생산이 있다.^[8] 이러한 발표된 결과는 Hodgkin-Huxley 모델과 일관되지 않으며 저자들은 이 모델의 관점에서 그들의 작품을 해석한다. 초기 나트륨 전류는 멤브레인 캐패시턴스가 방출될 때 열을 방출한다. 칼륨 이온이 농도 경사로와 함께 이동하지만 멤브레인 전위에 대해 이동함에 따라 멤브레인 캐패시턴스의 재충전 중에 열이 흡수된다. 이 메커니즘은 "콘덴서 이론"이라고 불린다. 멤브레인 전위의 변화에 의해 구동되는 멤브레인 구성 변경에 의해 추가 열이 발생할 수 있다. 탈극화 시 엔트로피가 증가하면 열이 방출되고, 재극화 시 엔트로피가 증가하면 열이 흡수된다. 그러나 그러한 어떤 향정신성 기여도 Hodgkin 및 Huxley 모델과^[9] 양립할 수 없다.

역사

이치지 타사키씨는 호지킨-에 포함되지 않은 여러 현상을 식별한 신경 맥박 전파 현상에 대한 열역학적 접근법을 개척했다.헉슬리 모델.^[10] 타사키 교수는 신경 자극의 다양한 비전기적 구성 요소 측정과 함께 신경 섬유 위상 전환의 물리적 화학 작용과 신경 맥박 증식에 대한 중요성에 대해 조사했다. 콘라드 카우프만은 타사키의 작품을 바탕으로 미발표 원고에서 신경 맥박 증식을 위한 물리적인 근거로 음파를 제시했다.^[11] 솔리톤 모델의 핵심에 있는 기본 개념은 위상 전이 근처에 있는 비선형 탄성 성질에 의해 멤브레인 내 2차원 음파의 내재적 산포의 균형이다. 초기의 충동은 그러한 상황에서 안정된 형태를 얻을 수 있는데, 일반적으로는 고독한 파동이라고 알려져 있다.^[12] 솔리톤은 그러한 현상을 지배하는 비선형파 방정식의 집합 중 가장 간단한 해결책이며, 2005년 토마스 하임버그와 앤드류 D에 의해 모델 신경충동에 적용되었다. 잭슨,^[13][14][15] 둘 다 코펜하겐 대학의 닐스 보어 연구소에 다니고 있어. Heimburg는 이 연구소의 막 생물물리학 그룹을 이끌고 있다. 마티아스 슈나이더의 생물물리학 그룹은 지질 인터페이스에서 2차원 음파의 전파와 생물학적 신호 전달에서 가능한 역할을 연구해왔다.

정당성

모형은 세포막은 항상 유기체의 체온보다 약간 낮은 빙점(유체에서 젤리처럼 일관성이 변하는 아래의 온도)만을 가지고 있다는 관찰로부터 시작되며, 이는 용해체의 전파를 가능하게 한다. 혼합된 신경을 따라 이동하는 작용 전위는 약간의 온도 상승을 초래하고 그 후에 온도가 감소한다.^[20] 솔리톤 모델 지지자들은 전체 펄스 동안 순열이 방출되지 않으며 관측된 온도 변화가 호지킨-헉슬리 모델과 일치하지 않는다고 주장한다. 그러나 이것은 사실이 아니다: 호지킨 헉슬리 모델은 바이파하스 방출과 열의 흡수를 예측한다.^[9] 또한 작용 전위는 막이 약간 국소적으로 두꺼워지고 바깥으로 작용하는 힘을 유발한다.^[21] 이 효과는 호지킨-에 의해 예측되지 않는다.Huxley 모델도 있지만 반박하지는 않는다.

솔리톤 모델은 작용 전위와 관련된 전류를 다음과 같이 설명하려고 시도한다: 여행용 솔리톤은 막의 밀도와 두께를 국소적으로 변화시키고, 막은 많은 충전 및 극성 물질을 포함하고 있기 때문에, 이것은 압전성과 유사한 전기적 영향을 초래할 것이다. 실제로 그러한 비선형 음파는 이제 작용 전위(전기-옵션-기계적 결합, 속도, biphasic 펄스 모양, 흥분 임계값 등)^[17]와 피상적인 유사성을 보이는 지질 인터페이스에 존재하는 것으로 나타났다. 더욱이 파동은 막에 국부적으로 남아 있고 임피던스 불일치로 인해 주변으로 퍼지지 않는다.^[22]

형식주의

신경의 작용 잠재력을 나타내는 솔리톤은 부분 미분 방정식의 해법이다.

${\displaystyle {\frac {\partial ^{2}\Delta \rho }{\partial t^{2}}}={\frac {\partial }{\partial x}}\left[\left(c_{0}^{2}+p\Delta \rho +q\Delta \rho ^{2}\right){\frac {\partial \Delta \rho }{\partial x}}\right]-h{\frac {\partial ^{4}\Delta \rho }{\partial x^{4}}},}$

여기서 t는 시간이고 x는 신경 축을 따라 있는 위치다. Δρ는 작용 전위의 영향을 받아 막 밀도의 변화를 말하며, c는₀ 신경막의 음속이며, p와 q는 위상 전이 성질을 설명하여 신경막의 탄성 상수의 비선형성을 나타낸다. 변수₀ c, p, q는 신경막의 열역학적 성질에 의해 지시되며 자유롭게 조정할 수 없다. 그들은 실험적으로 결정되어야 한다. 매개변수 h는 멤브레인 음속의 주파수 의존성(분산 관계)을 설명한다. 위의 방정식은 적합 모수를 포함하지 않는다. 그것은 공식적으로 물 운하의 용해제에 대한 부신스큐 근사치와 관련이 있다. 위 방정식의 해법은 골수화 신경의 펄스 속도와 유사한 최대 진폭과 최소 전파 속도를 가진다. 제한적인 가정 하에서, 초극화 및 내화 기간을 표시하는 주기적인 해결책이 존재한다.^[23]

이온 채널의 역할

솔리톤 모델의 옹호자들은 그것이 호지킨-에 의해 설명되지 않는 행동 잠재력의 몇 가지 측면을 설명한다고 주장한다.헉슬리 모델. 그것은 열역학적인 성질을 가지고 있기 때문에 분자 규모로 이온 채널 단백질과 같은 단일 고분자의 성질을 다루지 않는다. 오히려 그들의 성질이 신경막의 거시적 열역학적 성질에 암묵적으로 포함되어 있다고 가정한다. 솔리톤 모델은 작용 전위 중 멤브레인 전류 변동을 예측한다. 이러한 전류는 이온 채널 단백질에 대해 보고된 것과 유사한 외관을 가지고 있다.^[24] 그것들은 열변동에 의해 자연적으로 생성되는 지질 막의 모공 때문에 생긴 것으로 생각된다. 그러한 열적 변동은 시스템의 거시적 민감도에 미치는 영향에 기초하여 전압 변화에 대한 응답의 특정 이온 선택성 또는 특정 시간 경로를 설명한다.

마취에의 적용

저자들은 자신들의 모델이 이전에 알려지지 않았던 수많은 마취제의 작용 방식을 설명한다고 주장한다. 마이어-오버톤 관찰에 따르면 화학적으로 다양한 마취제의 강도는 지질 용해도에 비례한다고 하는데, 이는 이온 채널과 같은 특정 단백질에 결합하여 작용하는 것이 아니라 지질 막의 성질을 용해하고 변화시켜 작용한다는 것을 시사한다. 막에 있는 물질을 용해하면 막의 동결점이 낮아지고, 그 결과 체온과 동결점의 차이가 커 솔리톤의 전파를 억제한다.^[25] 압력을 증가시키거나 pH를 낮추거나 온도를 낮추면 이 차이는 정상으로 회복될 수 있으며, 마취제의 작용을 취소해야 한다: 이것이 실제로 관찰된다. 주어진 지질 용해도의 마취제 작용을 취소하는 데 필요한 압력의 양은 용해제 모델에서 계산할 수 있으며 실험 관찰과 합리적으로 잘 일치한다.

모형 예측과 실험 관측치의 차이

다음은 실험 관찰과 "솔리톤 모델" 사이의 일부 불일치 목록이다.

액손에서 소마의 반물질 침공

액손의 어느 곳에서든 시작된 작용 전위는 진폭 손실 없이 항이드롬(후방) 방향으로 뉴런 소마(세포체)로 이동하며 소마에서 완전한 진폭 작용 전위를 생성한다. 소마의 멤브레인 면적이 액손 면적보다 큰 크기 순서인 만큼, 에너지를 보존하려면 단열성 기계적 파동이 진폭에서 감소해야 한다. 열 생산의 부재는 '솔리톤 모델'의 주장된 정당화 중 하나이기 때문에, 이 모델 내에서 설명하기가 특히 어렵다.^{[26][citation needed]}

광범위한 온도 범위에서 작용 전위의 지속성

솔리톤 모델의 중요한 가정은 액손의 주변 온도("위 형식주의")에 가까운 위상 전환의 존재다. 따라서 위상 전환 온도에서 벗어난 온도 변화는 반드시 작용 전위에 큰 변화를 일으킬 것이다. 위상 전이 온도 이하에서는 용해파가 가능하지 않을 것이다. 단, 작용 전위는 0°C에서 존재한다. 시간 코스는 Hodgkin-Huxley 이온 채널의 측정된 개폐 운동학에 의해 예측되는 방식으로 느려진다.^[27]

충돌

반대 방향으로 이동하는 신경 자극은 충돌 시 서로를 전멸시킨다.^[28] 반면 기계파는 전멸하지 않고 서로 통과한다. 솔리톤 모델 지지자들은 작용 전위가 충돌을 통과할 수 있다는 것을 보여주려고 노력했다.^[29] 그러나, 치아교정과 항균 작용 전위의 충돌 전멸은 신경과학 실험실에서 일상적으로 관찰되는 현상이며 뉴런의 식별을 위한 표준 기법의 기초가 된다.^[30] 솔리톤은 충돌로 서로를 통과한다(그림-"솔리톤스의 충돌"), 일반적으로 혼자 있는 파도는 서로^[31] 통과, 전멸 또는 튕겨낼 수 있으며 솔리톤은 그러한 외로운 파도의 특별한 경우에 불과하다.^[32]

전압 클램프 아래의 이온 전류

호지킨과 헉슬리(1952)가 오징어 거대 액손의 작용 전위를 실험적으로 해부하기 위해 사용하는 전압 클램프는 전자 피드백을 사용하여 명령된 값으로 멤브레인 전압을 일정하게 유지하는 데 필요한 전류를 측정한다. 액손 내부에 삽입된 은색 와이어는 액손의 길이를 따라 일정한 막 전압을 가한다. 이런 상황에서 여행용 '솔리톤'의 가능성은 없다. 어떤 열역학적 변화도 행동 잠재력에서 비롯되는 변화와는 매우 다르다. 그러나 측정된 전류는 정확하게 작용 전위를 재현한다.^{[citation needed]}

단일 채널 전류

패치 클램프 기법은 유리 피펫 끝에 있는 미세한 막 조각을 분리한다. 그러면 단일 이온 채널에서 전류를 기록할 수 있다. 용해제나 열역학적 변화를 전파할 가능성은 없다. 그러나 이러한 채널의 속성(전압 점프에 대한 임시 응답, 이온 선택성)은 기존 전압 클램프에서 측정한 거시적 전류의 속성을 정확하게 예측한다.^[33]

선택적 이온전도도

작용 잠재성 탈분극화의 기초가 되는 전류는 나트륨에 선택적이다. 재분극화는 선택적 칼륨 전류에 의존한다. 이러한 전류는 전압 변화에 대한 매우 구체적인 반응을 가지고 있어 작용 전위를 정량적으로 설명한다. 나트륨에 대한 비과용 이온의 대체는 작용 전위를 없앤다. '솔리톤 모델'은 이온 선택성이나 전압 변화에 대한 반응을 설명할 수 없다.

약리학

이 약물 테트로도톡신(TTX)은 극히 낮은 농도로 작용 전위를 차단한다. 나트륨 채널에서 TTX의 작용 현장이 확인되었다.^[34] 덴드로톡신은 칼륨 채널을 막는다. 이 약들은 양적으로 예측 가능한 행동 잠재력 변화를 만들어 낸다.^[33] '솔리톤 모델'은 이러한 약리학적 효과에 대해 아무런 설명도 제공하지 않는다.

작용파

아흐메드 엘 하디와 벤자민 마하타가 제안한 최근의 이론 모델은 전기 작용 전위와 함께 제안하는 기계적 표면파가 있음을 제안한다. 이 표면 파장은 "행동파"라고 불린다.^[35] El Hady-Machta 모델에서, 이러한 공동 제안 파형은 작용 전위에 의해 야기된 막 전체의 전압 변화에 의해 구동된다.

참고 항목

• 생물학적 뉴런 모델
• 호지킨-헉슬리 모델.
• 벡터솔리톤

원천

• 페데리코 파라시(2013년) "호지킨-헉슬리 모델 60주년: 역사·모델러 관점에서 비판적 평가"
• Revathi Appali, Ursula van Rienen, Thomas Heimburg(2012) "호지킨-헉슬리 모델과 Soliton 이론의 비교 "신경 내 행동 잠재력"
• 2015년 5월 1일, 가디언 뇌 속의 액션 웨이브
• 이치지 타사키(1982) "신경섬유의 생리학과 전기화학"
• 콘라트 카우프만(1989) "거시 치랄 인광피드 막의 작용 전위와 전기화학 결합"
• 앤더슨, 잭슨, 하임버그신경 맥박 전파의 열역학 이론을 향해"
• Pradip Das; W.H. Schwarz (4 November 1994). "Solitons in cell membrane". Physical Review E. 51 (4): 3588–3612. Bibcode:1995PhRvE..51.3588D. doi:10.1103/PhysRevE.51.3588. PMID 9963042.
• 2015년 4월 1일 프린스턴 대학교 저널 시계, 액션 잠재력의 메카니즘을 다시 살펴본다.
• 2007년 3월 6일, 보도자료 코펜하겐 대학교에 따르면, 마취제의 (소리) 트랙에 유레칼러트 (Aurekalert)가 있다.
• Kaare Græsbøll (2006). "Function of Nerves — Action of Anesthetics" (PDF). Gamma. 143. 초급 소개.
• 2014년 6월 20일 지질 막 인터페이스에서 전파되는 단독 음파

참조