[논문 리뷰] Nerves and anaesthesia: A physics perspective on medicine

Thomas Heimburg|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 08.

Lipid Membrane Structure and Behavior참고 문헌 30인용 수 3

한 줄 요약

논문은 신경 자극 전파와 마취 작용을 막의 상전이를 통해 물리기반 이론으로 설명한다. 여기서 신경 자극은 융해되는 지질막에서 발생하는 솔리톤으로 모델링된다. 이론은 마취제가 막의 융해 온도를 낮춰 자극을 억제함으로써, 지질 용해도와 상 행동을 통해 메이어-오버튼 상관관계를 설명한다.

ABSTRACT

We present a recent theory for nerve pulse propagation and anesthesia and argue that both nerve activity and the action of anesthetics can be understood on the basis of simple physical laws. It was found experimentally that biological membranes melt from a solid state to a liquid state just below physiological temperature. Such melting processes have a profound influence on the physical properties of cell membranes. They make it possible for mechanical pulses (solitons) to travel along nerve axons. In these pulses, a region of solid phase travels in the liquid nerve membrane. These pulses display many properties associated with the action potential in nerves. Both general and local anesthetics lower melting temperatures of membranes. Thus, they make it more difficult to excite the nerve membrane. Since hydrostatic pressure increases melting temperatures, it counteracts anesthesia. This theory has the virtue of providing a simple explanation of the famous Meyer-Overton correlation, which states that the effectiveness of an anesthetic is proportional to its solubility in the lipid membranes of cells. We offer evidence that this concept if also applicable to local anesthesia. Finally, we show that the presence of transitions has an influence on channel activity that can arise even in the absence of proteins. The miracle of the appropriateness of the language of mathematics for the formula- tion of the laws of physics is a wonderful gift which we neither understand nor de- serve. We should be grateful for it and hope that it will remain valid in future re- search (Eugene Wigner, 1960).

연구 동기 및 목표

• 고체역학 물리학 및 막의 상전이 원리를 활용하여 신경 자극 전파를 설명한다.
• 오랜 기간 동안 미해결되었던 메이어-오버튼 상관관계를 마취제의 강도가 지질막 용해도와 융해 행동과 연결함으로써 해결한다.
• 마취제와 고압이 막의 상 상태와 신경 자극성에 미치는 영향을 조사한다.
• 단백질의 구조 없이도 이온 채널 기능이 물리적 막 성질에서 유래할 수 있는지 탐구한다.

제안 방법

• 생리적 온도 근처에서 고체와 액체 상태로 전이되는 이중상 시스템으로 신경막을 모델링한다.
• 막의 국소적 상경계로 전파되는 기계적 펄스를 기술하기 위해 솔리톤 이론을 적용한다.
• 열역학 원리를 활용하여 마취제의 지질 내 용해도가 막의 융해 온도 변화와 어떻게 관련되는지 설명한다.
• 고압이 막의 상전이에 미치는 영향과 마취 효과를 상쇄하는 역할을 분석한다.
• 상전이 열역학을 기반으로 마취제의 강도와 지질 용해도 간의 관계를 유도한다.
• 막 단백질이 없더라도 지질막의 상전이가 이온 이동과 막 전위에 영향을 줄 수 있음을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지질막의 물리적 상전이를 통해 어떻게 신경 자극 전파를 설명할 수 있는가?
• RQ2 메이어-오버튼 법칙이 마취제의 강도가 지질 용해도와 관련된 이유는 무엇인가?
• RQ3 고압이 마취 효과를 역전시키는 역할은 무엇이며, 이는 막의 융해와 어떻게 관련되는가?
• RQ4 이온 채널 유사 기능이 임베디드 단백질 없이도 물리적 막 성질에서 유래할 수 있는가?
• RQ5 막에서의 솔리톤 유사 펄스는 어떻게 작동 전위의 핵심 특징을 재현하는가?

주요 결과

• 신경 자극 전파가 생리적 온도 근처에서 고체-액체 전이를 겪는 지질막의 상경계를 따라 전파되는 솔리톤 유사 기계적 펄스로 설명된다.
• 일반 및 국소 마취제는 신경막의 융해 온도를 낮춰 상전이의 가능성을 감소시키며, 결과적으로 신경 자극을 억제한다.
• 고압은 막의 융해 온도를 높여 마취제의 영향을 상쇄하며, 이는 실험 관찰과 일치한다.
• 이론은 메이어-오버튼 상관관계에 물리적 기반을 제공하며, 마취제의 강도가 지질 용해도에 따라 증가하는 이유를 막의 상 행동에 기인함을 보여준다.
• 막 단백질이 없더라도 지질막의 상전이가 이온 이동과 막 전위에 영향을 줄 수 있으며, 이는 일부 전기적 현상의 물리적 기원을 시사한다.
• 모델은 열역학적으로 구동되는 시스템에서 상경계의 역학을 통해 작동 전위의 핵심 생물물리적 특징을 설명할 수 있다.