Lydbølger i lipidfilm kan udslette hinanden ved kollision

Shamit Shrivastava, en postdoktorforsker ved Institut for Ingeniørvidenskab, skriver om et nyligt fund, der har vidtrækkende konsekvenser for den grundlæggende forståelse af hjernens fysik. Undersøgelsen blev udført i partnerskab med professor Matthias F Schneider ved det tekniske universitet i Dortmund, Tyskland.

Fundene, offentliggjort i Journal of Royal Society Interface , give det eksperimentelle bevis for, at lydbølger, der formerer sig i kunstige lipidsystemer, der efterligner neuronmembranen, kan tilintetgøre hinanden ved kollision - en bemærkelsesværdig egenskab ved signaler, der formerer sig i neuroner, der blev anset for at være utilgængelige for et akustisk fænomen.

Det antages, at nerveimpulser formerer sig på en måde, der ligner strømledning i et elektrisk kabel. Imidlertid, så længe den elektriske teori har eksisteret, forskere har også målt forskellige andre fysiske signaler, der er lige så karakteristiske for en nerveimpuls, såsom ændringer i de mekaniske og optiske egenskaber, der forplanter sig synkront med det elektriske signal. Desuden, flere undersøgelser har rapporteret reversible temperaturændringer, der ledsager en nerveimpuls, hvilket er inkonsistent med den elektriske forståelse set fra et termodynamisk synspunkt.

For at afhjælpe disse uoverensstemmelser, forskere havde tidligere foreslået, at nervepulsudbredelse skyldes de samme grundlæggende principper, der forårsager spredning af lyd i et materiale og ikke strømmen af ​​ioner eller strøm. I denne ramme den elektromekaniske natur af nerveimpulsen, også kendt som et aktionspotentiale, opstår naturligt fra plasmamembranens kollektive egenskaber, hvor lyden eller kompressionsbølgen formerer sig. Således er bølgens karakteristika afledt af principperne for kondenseret stofs fysik og termodynamik, i modsætning til vægten på molekylærbiologi i den elektriske teori.

Forslaget har været meget kontroversielt på grund af den vel accepterede og meget vellykkede karakter af det elektriske grundlag for nervepulsudbredelse på trods af dets få uoverensstemmelser. Som et bølgefænomen, nervepulsudbredelse har bemærkelsesværdige egenskaber, såsom en tærskel for excitation, ikke-spredende (ensom) og alt-eller-ingen formering, og tilintetgørelse af to impulser, der gennemgår frontalkollision. I øvrigt, lydbølger er generelt ikke forbundet med sådanne egenskaber, snarere er lydbølger kendt for at sprede sig, sprede, forsvinde, overlejre og forstyrre, hvilket er kontra-intuitivt givet egenskaberne ved nerveimpulser.

Derfor, eksperimentelle beviser for et sådant fænomen var afgørende, som blev leveret af os i 2014. Vi viste, at lyd- eller kompressionsbølger faktisk kan forplante sig i en molekylær tynd film af lipidmolekyler, efterligner handlingspotentialer i plasmamembranen. Bemærkelsesværdigt, selv i et så minimalistisk system, der er blottet for andre proteiner og makromolekyler end lipider, disse bølger opfører sig slående på linje med nerveimpulser i en neuron, herunder den ensomme elektromekaniske pulsudbredelse, formeringshastigheden og alt-eller-ingen excitation. Disse egenskaber viste sig at være en konsekvens af konformationsændringen eller en faseovergang i lipidmolekylerne, der ledsager lydbølgen. Således kun når der tilføres tilstrækkelig energi til at forårsage en faseændring i lipiderne (væske til gelignende), hele pulsen formerer sig ellers spredes intet, den såkaldte alt-eller-ingen-formering.

Nu, i forskning offentliggjort i Journal of Royal Society Interface , vi har vist, at disse bølger endda kan tilintetgøre hinanden ved kollision, ligesom nerveimpulser. Selv fra et rent akustisk fysikperspektiv, dette er et bemærkelsesværdigt fund. Amplituderne for to lydpulser, der kolliderer frontalt, overlejrer typisk lineært, før de passerer hinanden upåvirket. Selv ikke -lineære lydpulser, såsom solitons, forbliver typisk upåvirket ved kollision, hvilket var en stor kritik af den foreslåede akustiske teori om nervepulsudbredelse.

Med observation af tilintetgørelse af kolliderende lydpulser i modellens lipidsystem, vi har vist, at kvalitative egenskaber ved hele fænomenerne i nervepulsudbredelse udelukkende kan udledes af principperne for kondenseret fysik og termodynamik uden behov for molekylære modeller eller passende parametre for den elektriske teori. Vi har demonstreret et unikt akustisk fænomen, der kombinerer alle de observerbare egenskaber, der definerer udbredelsen af ​​nerveimpulser. Dette tyder stærkt på, at den underliggende fysik for spredning af lyd og nerveimpulser faktisk er det samme.