Shamit Shrivastava, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Ingenieurswetenschappen, schrijft over een recente bevinding die verstrekkende gevolgen heeft voor het fundamentele begrip van de fysica van de hersenen. Het onderzoek werd uitgevoerd in samenwerking met professor Matthias F Schneider aan de Technische Universiteit in Dortmund, Duitsland.

De bevindingen, gepubliceerd in de Journal of Royal Society Interface , leveren het experimentele bewijs dat geluidsgolven die zich voortplanten in kunstmatige lipidensystemen die het neuronmembraan nabootsen, elkaar bij een botsing kunnen vernietigen - een opmerkelijke eigenschap van signalen die zich voortplanten in neuronen die als ontoegankelijk werden beschouwd voor een akoestisch fenomeen.

Aangenomen wordt dat zenuwimpulsen zich voortplanten op een manier die vergelijkbaar is met de geleiding van stroom in een elektrische kabel. Echter, zolang de elektrische theorie bestaat, wetenschappers hebben ook verschillende andere fysieke signalen gemeten die even kenmerkend zijn voor een zenuwimpuls, zoals veranderingen in de mechanische en optische eigenschappen die zich synchroon met het elektrische signaal voortplanten. Verder, verschillende onderzoeken hebben omkeerbare temperatuurveranderingen gemeld die gepaard gaan met een zenuwimpuls, wat in strijd is met het elektrische begrip vanuit een thermodynamisch standpunt.

Om deze inconsistenties aan te pakken, onderzoekers hadden eerder voorgesteld dat de voortplanting van zenuwpulsen voortkomt uit dezelfde fundamentele principes die de voortplanting van geluid in een materiaal veroorzaken en niet de stroom van ionen of stroom. In dit kader is de elektromechanische aard van de zenuwimpuls, ook wel actiepotentiaal genoemd, komt van nature voort uit de collectieve eigenschappen van het plasmamembraan, waarin het geluid of de compressiegolf zich voortplant. Dus de kenmerken van de golf zijn afgeleid van de principes van de fysica van de gecondenseerde materie en de thermodynamica, in tegenstelling tot de nadruk op moleculaire biologie in de elektrische theorie.

De suggestie is zeer controversieel vanwege de algemeen aanvaarde en algemeen succesvolle aard van de elektrische basis van de voortplanting van zenuwpulsen, ondanks de weinige inconsistenties. Als een golfverschijnsel, zenuwpulsvoortplanting heeft opmerkelijke eigenschappen, zoals een drempel voor opwinding, niet-dispersieve (solitaire) en alles-of-niets vermeerdering, en vernietiging van twee pulsen die een frontale botsing ondergaan. Bovendien, geluidsgolven worden over het algemeen niet geassocieerd met dergelijke kenmerken, het is bekend dat geluidsgolven zich verspreiden, verspreiden, verdrijven, overlappen en interfereren, wat contra-intuïtief is gezien de eigenschappen van zenuwimpulsen.

Daarom, experimenteel bewijs voor een dergelijk fenomeen was cruciaal, die in 2014 door ons is geleverd. We hebben aangetoond dat geluids- of compressiegolven zich inderdaad kunnen voortplanten binnen een moleculair dunne film van lipidemoleculen, het nabootsen van actiepotentialen in het plasmamembraan. Opmerkelijk, zelfs in zo'n minimalistisch systeem dat geen andere eiwitten en macromoleculen bevat dan lipiden, deze golven gedragen zich opvallend gelijkaardig aan zenuwimpulsen in een neuron, inclusief de eenzame elektromechanische pulsvoortplanting, de voortplantingssnelheid en alles-of-niets-excitatie. Deze kenmerken bleken een gevolg te zijn van de conformationele verandering of een faseovergang in de lipidemoleculen die de geluidsgolf vergezellen. Dus alleen wanneer er voldoende energie wordt geleverd om een ​​faseverandering in de lipiden te veroorzaken (vloeibaar naar gelachtig), de hele puls plant zich voort, anders plant er niets zich voort, de zogenaamde alles-of-niets-vermeerdering.

Nutsvoorzieningen, in onderzoek gepubliceerd in de Journal of Royal Society Interface , we hebben aangetoond dat deze golven elkaar zelfs kunnen vernietigen bij een botsing, net als zenuwimpulsen. Zelfs vanuit een puur akoestisch natuurkundig perspectief, dit is een opmerkelijke bevinding. De amplitudes van twee geluidspulsen die frontaal botsen, overlappen elkaar meestal lineair voordat ze elkaar onaangetast passeren. Zelfs niet-lineaire geluidspulsen, zoals solitonen, blijven doorgaans onaangetast bij een botsing, wat een belangrijke kritiek was op de voorgestelde akoestische theorie van de voortplanting van zenuwpulsen.

Met de observatie van annihilatie van botsende geluidspulsen in het model lipidensysteem, we hebben aangetoond dat kwalitatieve kenmerken van het hele fenomeen van de voortplanting van zenuwpulsen uitsluitend kunnen worden afgeleid uit de principes van de fysica van de gecondenseerde materie en de thermodynamica zonder dat er moleculaire modellen of geschikte parameters van de elektrische theorie nodig zijn. We hebben een uniek akoestisch fenomeen aangetoond dat alle waarneembare kenmerken combineert die de voortplanting van zenuwimpulsen bepalen. Dit suggereert sterk dat de onderliggende fysica van de voortplanting van geluid en zenuwimpulsen inderdaad een en dezelfde is.