[論文レビュー] Initiation and blocking of the action potential in the axon in a weak ultrasonic field

Mikhail N. Shneider, Mikhail Pekker|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2013

Photoreceptor and optogenetics research参考文献 23被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、弱い超音波場がアクソン初期部におけるボルト・ゲート性ナトリウムチャネルを再配分させることで、アクション・ポテンシャルのしきい値を低下させ、自発的放電を可能にすると同時に、過剰な再配分により信号伝播が遮断されることを示している。ホッジキン＝フラシーオモデルを用いて、気泡発生や加熱を引き起こすのとははるかに低い強度で、超音波による非熱的電気音響力がこれらの変化を誘発できることを示しており、超音波を用いた神経調節および非侵襲的麻酔の可能性を示唆している。

ABSTRACT

Abstract In this paper we analyzed the effect of ultrasound on the redistribution of the transmembrane ion channels in the initial segment of the myelinated axon of a neuron. It is shown on the basis of Hodgkin-Huxley model of axon, that redistribution of the density of transmembrane sodium channels may reduce the threshold of the action potential, up to its spontaneous initiation. At significant redistribution of sodium channels in membrane, the zones of rarefaction of thetransmembrane channels density are formed blocking the propagation of the action potential. It is shown that the intensity of ultrasound at which the effect of transmembrane channels redistribution becomes noticeable is significantly greater than the intensity at which cavitation and overheating due to the ultrasound absorption occurs. However, as shown on an example of squid axon, the forced resonant electroacoustic oscillations excited in the membrane by the longitudinal electric component of the microwave may result in the transmembrane channels redistribution without essential heating. The intensity of the microwave, which may cause a spontaneous excitation of the action potential or its blocking on many orders of magnitude lower than the intensity at which come into play the thermal effects. The blocking effect of the action potential can be used in anesthesia.

研究の動機と目的

• 弱い超音波場がアクソン初期部におけるイオンチャネル分布に与える影響を調査すること。
• 超音波が熱的効果なしにアクション・ポテンシャルを発火または遮断できるかどうかを特定すること。
• 超音波を用いた非侵襲的神経調節および麻酔の可能性を検討すること。
• 超音波の縦方向電場成分が神経膜における電気音響振動を誘発する役割を分析すること。

提案手法

• アクソンのホッジキン＝フラシーオモデルを用いて、超音波被曝下における膜透過性イオンチャネルダイナミクスの変化をシミュレートした。
• 超音波からの機械的力によって引き起こされるアクソン初期部におけるナトリウムチャネル密度の再配分をモデル分析した。
• 変動するナトリウムチャネル密度下でのアクション・ポテンシャル発火のしきい値を評価した。
• チャネル再配分を誘発する超音波強度と、気泡発生や加熱といった熱的効果を引き起こす強度のしきい値を比較評価した。
• 膜における強制的共振電気音響振動をモデル化し、非熱的チャネル再配分のメカニズムを説明した。
• 実際の効果が観察可能な強度レベルを推定するために、squid giant axon（キーン・ギアント・アクソン）をモデル系として用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弱い超音波場は、アクソン初期部におけるボルト・ゲート性ナトリウムチャネルの再配分を誘発できるか？
• RQ2 チャネル再配分が顕著になる超音波強度は、熱的効果と比較してどの程度か？
• RQ3 超音波誘発のチャネル再配分は、自発的アクション・ポテンシャル発火を引き起こせるか？
• RQ4 過剰なチャネル再配分は、アクション・ポテンシャル伝播を遮断できるか？
• RQ5 超音波からの非熱的電気音響力は、神経調節または麻酔に活用可能か？

主な発見

• アクソン初期部におけるナトリウムチャネルの再配分は、アクション・ポテンシャル発火のしきい値を低下させ、自発的放電を引き起こす。
• 過剰な再配分により、チャネル密度が低い領域が形成され、アクション・ポテンシャル伝播が遮断される。
• チャネル再配分を誘発する超音波強度は、気泡発生や熱傷を引き起こす強度よりも顕著に低い。
• 膜における強制的電気音響振動は、顕著な加熱を伴わずチャネルを再配分でき、非熱的神経調節を可能にする。
• アクション・ポテンシャル発火または遮断を誘発するしきい値強度は、熱的しきい値よりも数個のオーダー低い。
• チャネル再配分によるアクション・ポテンシャル遮断効果は、超音波を用いた非侵襲的麻酔の可能性を示唆している。