[論文レビュー] Penetration of action potentials during collision in the medial giant axon of the earthworm

Alfredo González‐Pérez, Rima Budvytytė+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2014

Neurobiology and Insect Physiology ResearchNeuroscience被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、ミミズ *Lumbricus terrestris* とアリスボウブドウガニ *Homarus americanus* の内側巨大軸索における神経インパルスの衝突を、細胞外刺激および記録を用いて調査した。ホッジキン＝ハクスリーの不活性期モデルとは対照的に、インパルスは衝突しても消滅せず、アクション・ポテンシャル伝導の電気力学的ソリトン理論を支持する。

ABSTRACT

The collisions of two simultaneously generated impulses in the giant axons of both earthworms and lobster propagating in orthodromic and antidromic direction were investigated. The experiments have been performed on the extracted ventral cords of Lumbricus terrestris and the abdominal ventral cord of lobster, Homarus americanus, by using external stimulation and recording. The collision of two nerve impulses of orthodromic and antidromic propagation didn't result in the annihilation of the two signals contrary to the common notion that is based on the existence of a refractory period in the well-known Hodgkin-Huxley theory. However, the results are in agreement with the electromechanical soliton theory for nerve pulse propagation as suggested by Heimburg and Jackson (Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 9790 (2005)).

研究の動機と目的

• ミミズおよびアリスボウブドウガニの巨大軸索におけるアクション・ポテンシャルの衝突挙動を調べること。
• ホッジキン＝ハクスリーの不活性期モデルが、衝突時のインパルス消滅を予測するうえで妥当であるかどうかを検証すること。
• 実験結果が、神経インパルス伝導の電気力学的ソリトン理論とどの程度整合するかを評価すること。
• 無脊椎動物の巨大軸索において、オルトドラム的およびアンチドロム的インパルスが衝突した際に、消滅するか、あるいは共存するかを特定すること。

提案手法

• ミミズ *Lumbricus terrestris* およびアリスボウブドウガニ *Homarus americanus* の腹側索において、細胞外刺激および記録を用いてアクション・ポテンシャルを生成および検出した。
• 同時にオルトドラム的およびアンチドロム的アクション・ポテンシャルを誘発し、それらの衝突時の相互作用を検討した。
• インパルスの伝導方向およびタイミングをモニタリングし、信号が衝突後に消滅したか、あるいは存続したかを評価した。
• 結果をホッジキン＝ハクスリー・モデルおよび電気力学的ソリトン理論の予測と比較した。
• 実験は、大径および高速伝導が特徴の内側巨大軸索に焦点を当てた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミミズおよびアリスボウブドウガニの巨大軸索において、オルトドラム的およびアンチドロム的アクション・ポテンシャルは衝突時に消滅するか？
• RQ2 インパルス衝突の実験的観察結果は、ホッジキン＝ハクスリーの不活性期モデルによる予測とどのように異なるか？
• RQ3 結果が、神経インパルス伝導の電気力学的ソリトン理論をどの程度支持するか？
• RQ4 不活性期が、これらの軸索における衝突後の信号伝導欠如を説明するのに十分か？

主な発見

• オルトドラム的およびアンチドロム的方向に伝導するアクション・ポテンシャルは、衝突しても消滅せず、ホッジキン＝ハクスリーのモデル予測とは対照的であった。
• 衝突後に両方のインパルスが存続したという観察結果は、イオン電流に基づくホッジキン＝ハクスリー・モデルよりも、電気力学的ソリトン理論を支持する。
• 信号のキャンセルの兆候は観察されず、これは不活性期がこの文脈では伝導を防ぐのに十分でないことを示唆している。
• 結果は、神経インパルス伝導が、純粋に電気化学的電流ではなく、機械的ソリトン波によって媒介されていることに整合的である。