Shamit Shrivastava, postdoktor vid Institutionen för teknikvetenskap, skriver om en nyligen upptäckt som har långtgående konsekvenser för den grundläggande förståelsen av hjärnans fysik. Forskningen genomfördes i samarbete med professor Matthias F Schneider vid tekniska universitetet i Dortmund, Tyskland.

Resultaten, publicerad i Journal of Royal Society Interface , ge experimentella bevis på att ljudvågor som sprider sig i artificiella lipidsystem som efterliknar neuronmembranet kan förinta varandra vid kollision - en anmärkningsvärd egenskap hos signaler som sprids i neuroner som ansågs vara otillgängliga för ett akustiskt fenomen.

Nervimpulser antas sprida sig på ett sätt som liknar strömledning i en elektrisk kabel. Dock, så länge den elektriska teorin har funnits, forskare har också mätt olika andra fysiska signaler som är lika karakteristiska för en nervimpuls, såsom förändringar i de mekaniska och optiska egenskaperna som sprids i synk med den elektriska signalen. Vidare, flera studier har rapporterat reversibla temperaturförändringar som åtföljer en nervimpuls, vilket är oförenligt med den elektriska förståelsen ur termodynamisk synvinkel.

För att åtgärda dessa inkonsekvenser, forskare hade tidigare föreslagit att nervpulsutbredning härrör från samma grundläggande principer som orsakar utbredning av ljud i ett material och inte flödet av joner eller ström. I denna ram, nervimpulsens elektromekaniska natur, även känd som en actionpotential, framkommer naturligt från plasmamembranets kollektiva egenskaper, där ljudet eller kompressionsvågen förökar sig. Således härleds vågens egenskaper från principerna för kondenserad fysik och termodynamik, till skillnad från betoningen på molekylärbiologi i den elektriska teorin.

Förslaget har varit mycket kontroversiellt på grund av den väl accepterade och allmänt framgångsrika karaktären hos den elektriska grunden för nervpulsutbredning trots dess få inkonsekvenser. Som ett vågfenomen, nervpulsutbredning har anmärkningsvärda egenskaper, som en tröskel för excitation, icke-dispersiv (ensam) och allt eller ingen förökning, och förintelse av två pulser som genomgår frontalkollision. Dessutom, ljudvågor är i allmänhet inte associerade med sådana egenskaper, Det är känt att ljudvågor sprider sig, skingra, skingra, överlagra och störa, vilket är kontraintuitivt med tanke på nervimpulsernas egenskaper.

Därför, experimentella bevis för ett sådant fenomen var avgörande, som levererades av oss 2014. Vi visade att ljud- eller kompressionsvågor verkligen kan föröka sig inom en molekylär tunn film av lipidmolekyler, efterliknar åtgärdspotentialer i plasmamembranet. Anmärkningsvärt, även i ett så minimalistiskt system som saknar proteiner och makromolekyler förutom lipider, dessa vågor beter sig påfallande lik nervimpulser i en neuron, inklusive den ensamma elektromekaniska pulsutbredningen, utbredningshastigheten och allt-eller-ingen excitation. Dessa egenskaper visade sig vara en följd av konformationsförändringen eller en fasövergång i lipidmolekylerna som följer med ljudvågen. Således endast när tillräcklig energi tillhandahålls för att orsaka en fasförändring i lipiderna (vätska till gelliknande), hela pulsen förökar sig annars sprider sig ingenting, den så kallade allt-eller-ingen-förökningen.

Nu, i forskning publicerad i Journal of Royal Society Interface , vi har visat att dessa vågor till och med kan förinta varandra vid kollisioner, precis som nervimpulser. Även ur ett rent akustiskt fysikperspektiv, detta är ett anmärkningsvärt fynd. Amplituden för två ljudpulser som kolliderar direkt mot varandra överlagrar vanligtvis linjärt innan de passerar varandra opåverkade. Även olinjära ljudpulser, som solitons, förblir vanligtvis opåverkade vid kollision, vilket var en stor kritik av den föreslagna akustiska teorin om nervpulsutbredning.

Med observation av förintelse av kolliderande ljudpulser i modellens lipidsystem, vi har visat att kvalitativa egenskaper hos hela fenomenet nervpulsutbredning kan härledas enbart från principerna för kondenserad fysik och termodynamik utan behov av molekylära modeller eller anpassningsparametrar för den elektriska teorin. Vi har visat ett unikt akustiskt fenomen som kombinerar alla observerbara egenskaper som definierar utbredningen av nervimpulser. Detta tyder starkt på att den underliggande fysiken för spridning av ljud och nervimpulser verkligen är en och samma.