[논문 리뷰] Initiation and blocking of the action potential in the axon in a weak ultrasonic field

Mikhail N. Shneider, Mikhail Pekker|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 23.

Photoreceptor and optogenetics research참고 문헌 23인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 약한 초음파 장치가 축삭 초기부분의 전압에 의해 조절되는 나트륨 채널을 재분포시켜 축삭 전위의 임계값을 낮추고 자발적인 충동을 유도할 수 있으며, 과도한 재분포는 신호 전파를 차단할 수 있음을 보여준다. 허드킨-허크리 모델을 사용하여, 기계적 힘에 의해 초음파에서 유도되는 비열 전자음향력이 체온 상승이나 기포 형성보다 훨씬 낮은 강도에서 이러한 변화를 일으킬 수 있음을 입증한다. 이는 초음파 기반 신경 조절 및 비침습적 마취의 잠재적 응용을 시사한다.

ABSTRACT

Abstract In this paper we analyzed the effect of ultrasound on the redistribution of the transmembrane ion channels in the initial segment of the myelinated axon of a neuron. It is shown on the basis of Hodgkin-Huxley model of axon, that redistribution of the density of transmembrane sodium channels may reduce the threshold of the action potential, up to its spontaneous initiation. At significant redistribution of sodium channels in membrane, the zones of rarefaction of thetransmembrane channels density are formed blocking the propagation of the action potential. It is shown that the intensity of ultrasound at which the effect of transmembrane channels redistribution becomes noticeable is significantly greater than the intensity at which cavitation and overheating due to the ultrasound absorption occurs. However, as shown on an example of squid axon, the forced resonant electroacoustic oscillations excited in the membrane by the longitudinal electric component of the microwave may result in the transmembrane channels redistribution without essential heating. The intensity of the microwave, which may cause a spontaneous excitation of the action potential or its blocking on many orders of magnitude lower than the intensity at which come into play the thermal effects. The blocking effect of the action potential can be used in anesthesia.

연구 동기 및 목표

• 약한 초음파 장치가 축삭 초기부분의 이온 채널 분포에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 초음파가 열 효과 없이 축삭 전위를 유도하거나 차단할 수 있는지 확인하는 것.
• 초음파를 이용한 비침습적 신경 조절 및 마취의 가능성 탐색.
• 초음파의 縦방향 전기 성분이 신경 세포막에서 전자음향 진동을 유도하는 역할을 분석하는 것.

제안 방법

• 축삭의 허드킨-허크리 모델을 사용하여 초음파 노출 하에서 세포막 이온 채널 동역학의 변화를 시뮬레이션하였다.
• 초음파에서 기인한 기계적 힘으로 인해 축삭 초기부분에서 나트륨 채널 밀도가 재분포되는 것을 분석하였다.
• 다양한 나트륨 채널 밀도에서 축삭 전위 유도의 임계값을 평가하였다.
• 채널 재분포를 유도하는 초음파 강도와 기포 형성 및 가열과 같은 열 효과를 유도하는 강도를 비교 평가하였다.
• 비열적 채널 재분포를 설명하기 위해 막에서 강제 공진 전자음향 진동을 모델링하였다.
• 관찰 가능한 효과에 대한 현실적인 강도 수준을 추정하기 위해 고등개축삭을 모델 시스템으로 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 약한 초음파 장치가 축삭 초기부분에서 전압에 의해 조절되는 나트륨 채널의 재분포를 유도할 수 있는가?
• RQ2 채널 재분포가 열 효과와 비교하여 유의미해지는 초음파 강도는 어느 정도인가?
• RQ3 초음파에 의해 유도된 채널 재분포가 자발적인 축삭 전위 유도로 이어질 수 있는가?
• RQ4 과도한 채널 재분포는 축삭 전위 전파를 차단할 수 있는가?
• RQ5 초음파에서 기인한 비열 전자음향력은 신경 조절 또는 마취에 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 축삭 초기부분에서 나트륨 채널의 재분포는 축삭 전위 유도의 임계값을 낮추며, 자발적인 충동을 유도할 수 있다.
• 과도한 재분포로 인해 채널 밀도가 낮은 영역이 형성되어 축삭 전위 전파가 차단된다.
• 채널 재분포를 유도하는 데 필요한 초음파 강도는 기포 형성이나 열 손상 유도보다 훨씬 낮다.
• 막에서 강제 전자음향 진동은 상당한 가열 없이 채널을 재분포시킬 수 있으며, 이는 비열적 신경 조절을 가능하게 한다.
• 축삭 전위 유도 또는 차단을 유도하는 데 필요한 임계 강도는 열 임계 강도보다 수 개의 주기만큼 낮다.
• 채널 재분포에 의한 축삭 전위 차단 효과는 초음파 기반의 비침습적 마취에 잠재적 응용 가능성을 시사한다.