[論文レビュー] The Energetic Cost of the Action Potential: Bond Graph Modelling of Electrochemical Energy Transduction in Excitable Membranes

P.J. Gawthrop, Ivo Siekmann+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2015

Neuroscience and Neural Engineering参考文献 47被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、可動膜におけるアクションポテンシャルの電気化学的エネルギー消費を直接計算できる、ボンドグラフベースのモデルを導入し、健全および変性ニューロンにおけるエネルギー使用の正確な定量を可能にした。モデルは、シミュレートされたデータおよびin vitroデータを用いて、健全な網膜仲球細胞と変性した網膜仲球細胞の間で顕著なエネルギーコストの差を明らかにした。

ABSTRACT

The energy consumed during an action potential event must be replaced, ultimately by the metabolic system of the organism. As discussed by a number of authors, there is a trade-off between the speed of an action potential event and energy consumption and, moreover, this consumption can be optimised by adjusting ion channel density and gating time constants. The energy consumption is dependent on both species and type of neuron. The influx of Na is often taken as a proxy for energy consumption. For example, 3Na ions can be expelled using one ATP molecule within the sodium-potassium pump. Thus 1/3 of the Na can be taken as a proxy for energy consumption. In contrast, this paper presents an energy based model of action potentials and thus can be directly used to compute energy consumption in both healthy and diseased neurons. These results are illustrated by comparing the energy consumption of healthy and degenerative retinal ganglion cells using both simulated and in vitro data.

研究の動機と目的

• 可動膜における電気化学的エネルギー変換を考慮した、アクションポテンシャル伝導の直接的かつエネルギーベースのモデルの構築。
• Na+インフィルクスのような間接的指標に依存せず、ATP消費を直接指標として用いることで、アクションポテンシャルの代謝的コストを定量すること。
• シミュレートされたデータおよび実験的測定データを用いて、健全な網膜仲球細胞と変性した網膜仲球細胞におけるエネルギー消費を比較すること。
• イオンチャネル密度およびギャーティングキネティクスが神経伝達におけるエネルギー効率に与える影響を調査すること。

提案手法

• 研究では、可動膜におけるイオンチャネルおよびポンプを含むエネルギーの流れを表現するため、ボンドグラフモデリングを用いた。電気的および生化学的プロセスを統合した。
• モデルは、Na+/K+ ATPaseポンプによるATP消費を明示的に追跡し、化学计量（1 ATPあたり3個のNa+排出）を用いてエネルギー消費を計算した。
• 時間経過に伴う電気化学的勾配およびイオンフラックスをシミュレートし、1回のアクションポテンシャルイベントあたりの総エネルギー消費を計算した。
• モデルは網膜仲球細胞からのin vitroデータを用いて検証され、シミュレートされたアクションポテンシャル波形と比較された。
• エネルギー消費は、Na+インフィルクスのような間接的指標に依存せず、モデルのエネルギーフロー変数から直接計算された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 可動膜における1回のアクションポテンシャルの直接的なエネルギー的コスト（ATP消費量）はどの程度か？
• RQ2 健全な網膜仲球細胞と変性した網膜仲球細胞との間でエネルギー消費はどのように異なるか？
• RQ3 イオンチャネル密度およびギャーティング時間定数を最適化することで、エネルギー消費をどの程度低減できるか？
• RQ4 ボンドグラフモデルは、従来の間接的推定法（エネルギー使用の代理指標）と比較して、どのように異なるか？

主な発見

• ボンドグラフモデルにより、アクションポテンシャル1回あたりのATP消費が直接計算可能となり、Na+インフィルクスのような代理指標よりもより正確な測定が可能となった。
• エネルギー消費はニューロンのタイプによって顕著に異なり、変性した網膜仲球細胞では健全な細胞よりも高いエネルギー消費を示した。
• モデルは、イオンチャネル密度およびギャーティング時間定数が、アクションポテンシャル伝導におけるエネルギー効率の主要な決定要因であることを示した。
• シミュレートされたデータとin vitroデータの両方で、一貫したエネルギー消費プロファイルが得られ、モデルの予測精度が裏付けられた。
• 結果は、伝導速度とエネルギー消費のトレードオフが存在することを確認した。チャネル特性の調整により、最適化が可能であることが示された。