[論文レビュー] Alternative model of propagation of spikes along neurons

M. Rvachev|ArXiv.org|Jan 24, 2003

Neuroscience and Neural Engineering参考文献 18被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、局所回路理論が想定するイオン電流に依存せず、アクソプラズム内の機械的圧力波が機械的に活性化される電位依存性イオンチャネルを駆動することで、アクションポテンシャル（AP）伝播が実現されるという、新しいメカニズムを提唱する。このモデルは、実験データと一致する伝播速度を予測し、細径の軸索におけるAP持続時間の延長を説明でき、微小管骨格の収縮を介した機械的性質とミエリン化の影響を解釈できる。

ABSTRACT

Here a viable and never before investigated mechanism of propagation of spikes along neurons is proposed. In the following, velocity of propagation of small-amplitude pressure waves through the cytoplasmic interior of myelinated and unmyelinated axons of different diameters is theoretically estimated, and is found to generally agree with the action potential (AP) conduction velocities. This remarkable coincidence allows to surmise a model in which AP spread along axon is propelled not by straggling ionic currents as in the widely accepted local circuit theory, but by mechanoactivation of the membrane ion channels by a traveling pressure pulse. Hydraulic pulses propagating in the viscous axoplasm are calculated to decay over $\sim$ 1 mm distances, and it is further hypothesized that it is the role of influxing during the AP Ca$^{2+}$ ions to activate the membrane skeletal protein network for a brief radial contraction amplifying the pressure pulse and preventing its decay. The model correctly predicts that the AP conduction velocity should vary as the one-half power of axon diameter for large unmyelinated axons, and as the first power of the diameter for myelinated axons, provided that specific mechanical properties of axons are independent from diameter; that myelinization increases the conduction velocity; that the conduction velocity increases with the temperature. Unlike the local circuit theory, the model is able to qualitatively explain observed increase in the AP duration in axons of smaller diameters. Predictions of...

研究の動機と目的

• 局所回路理論が想定するイオン電流に依存しない、アクションポテンシャル伝播の代替メカニズムを提唱すること。
• ミエリン化および非ミエリン化線維の両方において、軸索径に応じた伝播速度の依存関係を説明すること。
• 局所回路理論が説明できない、細径軸索におけるAP持続時間の増加を説明すること。
• 軸索の機械的性質と細胞骨格ダイナミクスを介して、伝播速度の温度依存性を統合すること。
• AP中にカルシウムイオンの流入が起こり、膜骨格ネットワークの径方向収縮を誘発することで、圧力パルスが増幅・持続されることを仮説すること。

提案手法

• 流体力学的原則と粘性流体力学を用いて、アクソプラズム内における微小振幅の圧力波伝播速度を理論的に推定する。
• アクソプラズム内の圧力パルスの距離（約1 mm）にわたる減衰を、アクソプラズムの粘性および軸方向抵抗を仮定してモデル化する。
• AP中にCa2+が流入すると、細胞骨格タンパク質（例：スペクトリン、ニューロフィラメント）が活性化され、一時的な径方向収縮を引き起こすという仮説を提示する。
• 機械的波伝播に基づく伝播速度スケーリング則を導出する：非ミエリン化軸索ではv ∝ d^0.5、ミエリン化軸索ではv ∝ d^1（機械的性質が一定と仮定）。
• 既知の軸索の機械的および電気的パラメータを用いて波速を推定し、実験的伝播速度と比較する。
• タンパク質の構造変化および流体の粘性のアレニウス型温度依存性を用いて、温度効果を組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アクソプラズム内における圧力波は、ミエリン化および非ミエリン化軸索の両方で観察された伝播速度を説明できるか？
• RQ2 なぜ細径の軸索ではAP持続時間が延長されるのか？これは機械的波動のダイナミクスによって説明可能か？
• RQ3 ミエリン化はどのように伝播速度を向上させるのか？これは軸方向圧力波の減衰に対する機械的抵抗の増強を伴うのか？
• RQ4 カルシウムイオンの流入は、圧力パルスの持続にどのような役割を果たすのか？細胞骨格収縮と関連しているか？
• RQ5 機械的刺激または細胞骨格タンパク質の破壊が伝播速度を変化させうるのか？これは検証可能な予測を提供するか？

主な発見

• アクソプラズム内における圧力波速度の理論的推定値は、ミエリン化および非ミエリン化軸索の両方で実験的に測定されたアクションポテンシャル伝播速度とよく一致する。
• モデルは、機械的性質が一定であると仮定した場合、大径の非ミエリン化軸索では伝播速度が軸索径の平方根に比例（v ∝ d^0.5）し、ミエリン化軸索では直径に比例（v ∝ d^1）することを正しく予測する。
• 局所回路理論が説明できない、細径軸索におけるAP持続時間の延長を、本モデルは説明できる。
• 温度依存性の強い伝播速度（18°CにおけるQ10 ≈ 4.8）は、温度依存的な機械的および動的プロセスを介してモデルで説明可能である。
• 細胞骨格タンパク質（例：ニューロフィラメントノックアウト）の破壊が伝播速度を低下させるとの予測は、マウスにおける実験的観察と整合する。
• 圧力波伝播は約1 mmで減衰すると予測されるが、膜骨格のCa2+-誘発性径方向収縮により、分散を防ぐ形で持続される。