[論文レビュー] Pressure wave model for action potential propagation in excitable cells

M. Rvachev|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2003

Neuroscience and Neural Engineering参考文献 14被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、局所回路理論が提唱するイオン電流ではなく、アクソプラズム内の伝播する圧力パルスによって電位動態の伝播が駆動される、圧力波モデルを提唱している。このモデルは、軸索径のスケーリング、温度依存性、AP持続時間の変化を説明でき、ミエリン化軸索では実験データと一致する予測を示し、非ミエリン化軸索ではより高い軸索抵抗を要する。

ABSTRACT

Speed 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 ~1 mm distances, and it is further hypothesized that it is the role of influxing during the AP calcium ions to activate membrane skeletal protein network attached to the membrane cytoplasmic side 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 absolute AP conduction velocities are limited by the knowledge of relevant to propagation of pressure waves mechanical properties of axons, still, the velocities are predicted well for myelinated axons, while an agreement for unmyelinated axons requires 3 orders of magnitude higher resistance of...

研究の動機と目的

• 軸索における電位動態伝導速度のメカニズムを説明すること、特に軸索径およびミエリン化に依存する点を目的とする。
• 局所回路理論に代わる機械的メカニズムとして、アクソプラズム内の圧力波に着目した代替理論を提唱すること。
• 局所回路理論がうまく説明できない、小径軸索における電位動態持続時間の増加を説明すること。
• 粘性アクソプラズム内での水圧パルスが、既知の電位動態伝導速度と一致する速度で伝播可能かどうかを調査すること。
• カルシウム流入および細骨格収縮が、圧力パルスの減衰を防ぎ、持続可能にする役割を調査すること。

提案手法

• 水圧力学的原則を用いて、径が異なる非ミエリン化およびミエリン化軸索の細胞質内における圧力波速度の理論的推定を行う。
• 粘性アクソプラズム内での水圧パルスの減衰をモデル化し、約1 mmの距離で減衰することを予測する。
• 膜関連細骨格ネットワークのカルシウム誘発性径方向収縮を組み込み、圧力パルスの増幅および持続を可能にする。
• 軸索の機械的特性（例：粘性、弾性）を用いて、径に伴う伝導速度のスケーリングを予測する。
• 伝導速度が軸索径に依存する関係を導出する：非ミエリン化軸索では径の平方根に比例し、ミエリン化軸索では径に比例する。
• モデル予測と実験的伝導速度を比較し、機械的特性に関する異なる仮定の下での一致度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アクソプラズム内での圧力波伝播が、異なる径の軸索における観察された電位動態伝導速度を説明できるか？
• RQ2 機械的モデルにおいて、ミエリン化は圧力波伝播および伝導速度にどのように影響するか？
• RQ3 カルシウム流入および細骨格収縮は、アクソプラズム内での圧力パルスの減衰を防ぐために果たす役割は何か？
• RQ4 なぜ小径軸索では電位動態持続時間が延長されるのか？これは圧力波モデルで説明可能か？
• RQ5 予測された伝導速度が実験データとどの程度一致するか？また、一致を得るにはどのような機械的仮定が必要か？

主な発見

• アクソプラズム内での小振幅圧力波の理論的伝播速度は、実験的に測定された電位動態伝導速度とよく一致する。
• モデルは、大径非ミエリン化軸索において伝導速度が軸索径の平方根に比例することを予測しており、実験的観察と一致する。
• ミエリン化軸索においては、モデルは伝導速度が径に線形に依存すると予測し、機械的特性が径に依存しない場合に実測データと一致する。
• モデルは、小径軸索における電位動態持続時間の増加を定性的に説明でき、これは局所回路理論ではうまく説明できない特徴である。
• モデルでは、温度上昇に伴い伝導速度が増加するが、これは実験的発見と一致する。
• ミエリン化軸索では実験的伝導速度と良好に一致するが、非ミエリン化軸索では定量的一致を得るためには、通常の値の1000倍の高い軸索抵抗を仮定する必要がある。