[논문 리뷰] Natural electromagnetic waveguide structures based on myelin sheath in the neural system

Jiongwei Xue, Shengyong Xu|arXiv (Cornell University)|2012. 10. 08.

Neuroscience and Neural Engineering참고 문헌 12인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 축삭이 뉴런의 전도 속도를 높이는 데 기여하는 자연적 전자기(EM) 파동도가 되며, 동작전위가 만성화된 막의 다층적 구조에 의해 유도된 전자기 펄스로 전파된다고 제안한다. 이 모델은 이온 확산(100 nm/s)에 비해 매우 높은 전도 속도(~100 m/s)를 설명하는 데 더 효과적이며, 전파 지연은 주로 라프니에르의 절단부에서 펄스를 유도하는 데 소요되는 시간에 기인한다. 이는 뉴런의 전도 속도를 높이기 위해 만성화 두께를 증가시키는 데서 기인한 진화적 효율성 향상을 시사한다.

ABSTRACT

The saltatory propagation of action potentials on myelinated axons is conventionally explained by the mechanism employing local circuit ionic current flows between nodes of Ranvier. Under this framework, the myelin sheath with up to 100 layers of membrane only serves as the insulating shell. The speed of action potentials is measured to be as fast as 100 m/s on myelinated axons, but ions move in fluids at just 100 nm/s in a 1 V/m electric field. We show here the action potentials, in the form of electromagnetic (EM) pulses, can propagate in natural EM waveguide structures formed by the myelin sheath merged in fluids. The propagation time is mainly cost on the duration for triggering EM pulses at nodes of Ranvier. The result clearly reveals the evolution of axons from the unmyelinated to the myelinated, which has remarkably enhanced the propagation efficiency by increasing the thickness of myelin sheath.

연구 동기 및 목표

• 수축성 축삭에서의 전통적인 이온 전류 기반 전도 모델에 도전하기 위해.
• 만성화 막의 다층적 구조가 자연적 전자기 파동도로 작용할 수 있는지 조사하기 위해.
• 전자기 파동도 전파의 효율성을 이온 전류 모델과 비교하여 정량화하기 위해.
• 만성화 두께 증가가 전도 속도 향상에 기여하는 진화적 이점을 설명하기 위해.

제안 방법

• 다층 절연체로 구성된 실린더형 전자기 파동도로 축삭을 모델링하기 위해.
• 전자기파 이론을 적용하여 동작전위 펄스가 전자기파로 전파되는 방식을 분석하기 위해.
• 만성화-액체 인터페이스에서의 경계 조건을 사용하여 유도된 모드를 결정하기 위해.
• 파동도 구조 내에서 전자기 펄스의 군속도를 계산하기 위해.
• 전자기 펄스 전파 시간과 라프니에르의 절단부에서 펄스를 유도하는 데 소요되는 시간을 비교하기 위해.
• 만성화 두께가 파동도 효율성과 신호 속도에 미치는 영향을 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 만성화 막의 다층적 구조가 동작전위의 유도된 전자기파 전파를 지원할 수 있는가?
• RQ2 기존의 이온 전류 모델에 비해 전자기파동도 전파 방식은 속도와 효율성 면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 전자기파동도 모델에서 전파 지연을 주로 초래하는 요소는 무엇인가?
• RQ4 만성화 두께 증가가 전자기파동도 프레임워크 내에서 신호 전송 효율을 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 전자기파동도 모델 하에서, 무만성화 축삭에서 만성화 축삭으로의 전이가 어떤 진화적 이점을 제공하는가?

주요 결과

• 최대 100층의 만성화 막은 동작전위가 전자기 펄스로 전파되는 자연적 전자기파동도를 형성한다.
• 파동도 내에서 전자기 펄스의 전파 속도는 최대 100 m/s에 도달하며, 이는 실험 측정치와 일치한다.
• 신호 전달의 주요 지연은 축삭을 따라 전파되는 데서 비롯되지 않고, 라프니에르의 절단부에서 전자기 펄스를 유도하는 데 소요되는 시간에 기인한다.
• 전자기파동도 모델은 1 V/m의 전기장에서 빠른 전도(100 m/s)와 느린 이온 이동(100 nm/s) 사이의 역설을 해결한다.
• 만성화 두께 증가로 인해 파동도 효율성이 향상되고, 더 빠르고 신뢰할 수 있는 신호 전달이 가능해진다.
• 무만성화 축삭에서 만성화 축삭으로의 전이가 전자기파동도를 통한 고속 신경 신호 전달을 최적화하는 진화적 전략임을 시사한다.