[論文レビュー] Natural electromagnetic waveguide structures based on myelin sheath in the neural system

Jiongwei Xue, Shengyong Xu|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2012

Neuroscience and Neural Engineering参考文献 12被引用数 15

ひとこと要約

この論文は、私の細胞の軸索が自然な電磁（EM）波ガイドとして機能し、アクションポテンシャルがミエリンーシャーシュの積層構造によってガイドされるEMパルスとして伝播すると提案する。モデルは、イオン拡散（100 nm/s）よりもはるかに優れた速度（約100 m/s）で伝播することを示しており、伝播遅延の主な要因はラントルのノードにおけるパルス発火のタイミングである。これは、ミエリンの厚さを増すことで進化的に効率が向上することを示している。

ABSTRACT

The saltatory propagation of action potentials on myelinated axons is conventionally explained by the mechanism employing local circuit ionic current flows between nodes of Ranvier. Under this framework, the myelin sheath with up to 100 layers of membrane only serves as the insulating shell. The speed of action potentials is measured to be as fast as 100 m/s on myelinated axons, but ions move in fluids at just 100 nm/s in a 1 V/m electric field. We show here the action potentials, in the form of electromagnetic (EM) pulses, can propagate in natural EM waveguide structures formed by the myelin sheath merged in fluids. The propagation time is mainly cost on the duration for triggering EM pulses at nodes of Ranvier. The result clearly reveals the evolution of axons from the unmyelinated to the myelinated, which has remarkably enhanced the propagation efficiency by increasing the thickness of myelin sheath.

研究の動機と目的

• ミエリン被鞘軸索におけるショートカット伝達の従来のイオン電流に基づくモデルに挑戦すること。
• ミエリンーシャーシュの積層構造が自然な電磁波ガイドとして機能できるかどうかを調査すること。
• EM波ガイド伝播の効率をイオン電流モデルと比較して定量すること。
• EM波ガイド伝播が伝導速度を向上させる進化的利点を説明すること。

提案手法

• ミエリン被鞘軸索を多重屈折率の誘電体構造を持つ円筒形EM波ガイドとしてモデル化すること。
• 電磁波理論を用いて、アクションポテンシャルパルスがEM波として伝播する様子を分析すること。
• ミエリン-液体界面における境界条件を用いてガイドモードを特定すること。
• 波ガイド構造内でのEMパルスの群速度を計算すること。
• EMパルス伝播時間とラントルのノードにおけるパルス発火に要する時間を比較すること。
• ミエリンの厚さが波ガイド効率および信号速度に与える影響を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミエリンーシャーシュの多重屈折率構造が、アクションポテンシャルのガイドされた電磁波伝播を可能にするか？
• RQ2 従来のイオン電流モデルと比較して、EM波ガイド伝播は速度および効率においてどのように異なるか？
• RQ3 EM波ガイドモデルにおける伝播遅延の主な要因は何か？
• RQ4 ミエリンの厚さを増すことで、EM波ガイドフレームワーク内での信号伝送効率はどのように向上するか？
• RQ5 EM波ガイドモデル下で、無myelinated軸索からmyelinated軸索への移行がもたらす進化的利点は何か？

主な発見

• 最大100層に達するミエリンーシャーシュは、アクションポテンシャルがEMパルスとして伝播できる自然な電磁波ガイドを形成する。
• 波ガイド内でのEMパルスの伝播速度は最大100 m/sに達し、実験測定値と整合的である。
• 信号伝達における主な遅延は、軸索に沿った伝播ではなく、ラントルのノードにおけるEMパルス発火に要する時間に起因する。
• EM波ガイドモデルは、100 m/sの高速伝導と100 nm/sのイオン拡散速度の矛盾（1 V/mの電場下）を解消する。
• ミエリンの厚さを増すことで波ガイド効率が向上し、より高速で信頼性の高い信号伝達が可能になる。
• 無myelinated軸索からmyelinated軸索への移行は、EM波ガイドを介した高速神経伝達のための進化的最適化を示している。