[논문 리뷰] Penetration of action potentials during collision in the medial giant axon of the earthworm

Alfredo González‐Pérez, Rima Budvytytė외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 14.

Neurobiology and Insect Physiology ResearchNeuroscience인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 땅거미(Lumbricus terrestris)와 문어게(Homarus americanus)의 내측 거대축색체에서 전기자극 및 기록을 통해 신경자극 파동의 충돌을 조사한다. 허들린-후크리의 휴지기 모델과는 달리, 자극 파동은 충돌 시 상쇄되지 않으며, 이는 충격파 이론에 기반한 전기기계적 솔리톤 이론을 지지한다.

ABSTRACT

The collisions of two simultaneously generated impulses in the giant axons of both earthworms and lobster propagating in orthodromic and antidromic direction were investigated. The experiments have been performed on the extracted ventral cords of Lumbricus terrestris and the abdominal ventral cord of lobster, Homarus americanus, by using external stimulation and recording. The collision of two nerve impulses of orthodromic and antidromic propagation didn't result in the annihilation of the two signals contrary to the common notion that is based on the existence of a refractory period in the well-known Hodgkin-Huxley theory. However, the results are in agreement with the electromechanical soliton theory for nerve pulse propagation as suggested by Heimburg and Jackson (Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 9790 (2005)).

연구 동기 및 목표

• 땅거미와 문어게의 거대축색체에서 전압파의 충돌 행동을 조사하기 위해.
• 허들린-후크리 휴지기 모델이 충돌 시 자극 파동 상쇄를 예측하는 데 있어 타당성을 시험하기 위해.
• 실험 결과가 신경자극 전파의 전기기계적 솔리톤 이론와 얼마나 일치하는지 평가하기 위해.
• 무엇보다도, 무척추 동물의 거대축색체에서 동방성 및 반방향 자극 파동이 충돌 시 상쇄되는지 여부를 규명하기 위해.

제안 방법

• Lumbricus terrestris와 Homarus americanus의 체절부에서 외부 전극를 이용한 자극 및 기록을 통해 전압파를 생성하고 감지하였다.
• 동방성 및 반방향 전압파를 동시에 유도하여 충돌 시 상호작용을 연구하였다.
• 자극의 전파 방향과 시기를 모니터링하여 신호가 상쇄되었는지 여부를 평가하였다.
• 결과를 허들린-후크리 모델과 전기기계적 솔리톤 이론의 예측 결과와 비교하였다.
• 실험은 큰 직경과 빠른 전도 특성을 지닌 내측 거대축색체에 집중하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 땅거미와 문어게의 거대축색체에서 동방성 및 반방향 전압파가 충돌 시 상쇄되는가?
• RQ2 실험적 관찰 결과는 허들린-후크리 휴지기 모델의 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 결과가 전기기계적 솔리톤 이론의 신뢰성에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 휴지기는 이러한 축색체에서 충돌 후 신호 전파가 없는 현상을 설명하는 데 충분한가?

주요 결과

• 동방성 및 반방향으로 전파되는 전압파는 충돌 시 상쇄되지 않았으며, 이는 허들린-후크리 모델의 예측와 정반대였다.
• 충돌 후 양측의 자극 파동이 지속된 것으로 관찰되어, 전기기계적 솔리톤 이론이 이온 전류 기반의 허들린-후크리 모델보다 더 타당하다는 것을 지지한다.
• 신호 상쇄의 증거는 관찰되지 않았으며, 이는 휴지기만으로는 이 상황에서 전파를 방지하지 못한다는 것을 시사한다.
• 결과는 신경자극 전파가 순수한 전기화학적 전류가 아닌 기계적 솔리톤 파동을 통해 이루어진다는 데 일관성을 보였다.