[論文レビュー] Nerves and anaesthesia: A physics perspective on medicine

Thomas Heimburg|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2014

Lipid Membrane Structure and Behavior参考文献 30被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、神経伝達の伝播と麻酔の作用を膜の相転移を通じて物理的理論で説明するもので、神経パルスを融解するリン脂質膜内のソリトンとしてモデル化している。膜の融解温度が低下することで麻酔薬が膜の状態を変化させ、興奮を抑制することを示しており、脂質への溶解性と相挙動に基づいて、ミラー＝オーバートン相関を説明している。

ABSTRACT

We present a recent theory for nerve pulse propagation and anesthesia and argue that both nerve activity and the action of anesthetics can be understood on the basis of simple physical laws. It was found experimentally that biological membranes melt from a solid state to a liquid state just below physiological temperature. Such melting processes have a profound influence on the physical properties of cell membranes. They make it possible for mechanical pulses (solitons) to travel along nerve axons. In these pulses, a region of solid phase travels in the liquid nerve membrane. These pulses display many properties associated with the action potential in nerves. Both general and local anesthetics lower melting temperatures of membranes. Thus, they make it more difficult to excite the nerve membrane. Since hydrostatic pressure increases melting temperatures, it counteracts anesthesia. This theory has the virtue of providing a simple explanation of the famous Meyer-Overton correlation, which states that the effectiveness of an anesthetic is proportional to its solubility in the lipid membranes of cells. We offer evidence that this concept if also applicable to local anesthesia. Finally, we show that the presence of transitions has an influence on channel activity that can arise even in the absence of proteins. The miracle of the appropriateness of the language of mathematics for the formula- tion of the laws of physics is a wonderful gift which we neither understand nor de- serve. We should be grateful for it and hope that it will remain valid in future re- search (Eugene Wigner, 1960).

研究の動機と目的

• 凝縮系物理学の原則と膜の相転移を用いて、神経パルス伝播を説明すること。
• 長年の未解決であったミラー＝オーバートン相関を解消し、麻酔薬の効力が脂質膜への溶解性と融解行動とに関連することを明らかにすること。
• 麻酔薬と静水圧が膜の相状態と神経興奮性に与える影響を調査すること。
• 膜タンパク質の構造に依存しない物理的膜性質のみから、イオンチャネルの活動が生じうるかどうかを検討すること。

提案手法

• 生理的温度付近で固体状態と液体状態の間を転移する二相系として神経膜をモデル化すること。
• 膜内の局所的な相境界として伝播する機械的パルスを記述するためにソリトン理論を適用すること。
• 熱力学的原則を用いて、麻酔薬の脂質中への溶解性と膜の融解温度の変化との関係を定式化すること。
• 静水圧が膜の相転移に与える影響を分析し、麻酔作用を相殺する役割を解明すること。
• 相転移の熱力学に基づいて、麻酔薬の効力と脂質への溶解性との関係を導出すること。
• 膜タンパク質が存在しない状況でも、脂質膜の相転移がイオン輸送や膜電位に影響を与える可能性を示すこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 神経パルス伝播は、脂質膜における物理的相転移によってどのように説明できるか？
• RQ2 ミラー＝オーバートン則が示すように、なぜ麻酔薬の効力が脂質への溶解性と相関するのか？
• RQ3 静水圧が麻酔効果を逆転させる役割を果たすのはなぜか？これは膜の融解とどのように関係するか？
• RQ4 埋め込まれたタンパク質が存在しない状況でも、イオンチャネルに類似した活動が物理的膜性質から生じうるか？
• RQ5 膜内のソリトン的パルスは、アクションポテンシャルの主要な特徴をどのように再現するのか？

主な発見

• 神経パルス伝播は、生理的温度付近で固体から液体への転移を示す脂質膜の相境界に沿って伝播するソリトン的機械的パルスとして説明できる。
• 一般麻酔薬および局所麻酔薬は、神経膜の融解温度を低下させ、相転移の可能性を減少させ、結果として神経興奮を抑制する。
• 静水圧は膜の融解温度を上昇させ、麻酔薬の効果を相殺する。これは実験的観察と整合的である。
• 理論はミラー＝オーバートン相関の物理的根拠を提供し、麻酔薬の効力が脂質への溶解性に比例することを示しており、これは膜の相挙動に起因する。
• 膜タンパク質が存在しない状況でも、脂質膜の相転移がイオン輸送や膜電位に影響を与える可能性があり、一部の電気的現象が物理的起源を有することを示唆している。
• モデルは、熱力学的駆動系における相境界のダイナミクスを通じて、アクションポテンシャルの主要な生体物理学的特徴を説明できることを示している。