[논문 리뷰] Pressure wave model for action potential propagation in excitable cells

M. Rvachev|arXiv (Cornell University)|2003. 01. 24.

Neuroscience and Neural Engineering참고 문헌 14인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 국소 회로 이론에서처럼 이온 전류가 아니라 축수질 내 전파되는 압력 펄스를 통해 압력에 의해 활성화되는 voltage-gated 이온 채널에 의해 행동전위 전파가 일어나는 압력파 모델을 제안한다. 이 모델은 축수선의 지름에 따른 전도 속도 스케일링, 온도 의존성, 행동전위 지속시간 변화를 설명하며, myelinated 축수선에 대해서는 실험 데이터와 일치하는 예측을 내놓고, unmyelinated 축수선의 경우 더 높은 축성 저항이 필요하다.

ABSTRACT

Speed of propagation of small-amplitude pressure waves through the cytoplasmic interior of myelinated and unmyelinated axons of different diameters is theoretically estimated and is found to generally agree with the action potential (AP) conduction velocities. This remarkable coincidence allows to surmise a model in which AP spread along axon is propelled not by straggling ionic currents as in the widely accepted local circuit theory, but by mechanoactivation of the membrane ion channels by a traveling pressure pulse. Hydraulic pulses propagating in the viscous axoplasm are calculated to decay over ~1 mm distances, and it is further hypothesized that it is the role of influxing during the AP calcium ions to activate membrane skeletal protein network attached to the membrane cytoplasmic side for a brief radial contraction amplifying the pressure pulse and preventing its decay. The model correctly predicts that the AP conduction velocity should vary as the one-half power of axon diameter for large unmyelinated axons, and as the first power of the diameter for myelinated axons, provided that specific mechanical properties of axons are independent from diameter; that myelinization increases the conduction velocity; that the conduction velocity increases with the temperature. Unlike the local circuit theory, the model is able to qualitatively explain observed increase in the AP duration in axons of smaller diameters. Predictions of absolute AP conduction velocities are limited by the knowledge of relevant to propagation of pressure waves mechanical properties of axons, still, the velocities are predicted well for myelinated axons, while an agreement for unmyelinated axons requires 3 orders of magnitude higher resistance of...

연구 동기 및 목표

• 행동전위 전도 속도의 기전을 설명하는 것, 특히 축수선 지름과 myelination에 대한 의존성에 초점한다.
• 국소 회로 이론의 전통적 개념을 도전하기 위해 축수질 내 압력파를 포함하는 기계적 대안을 제안하는 것.
• 국소 회로 이론이 잘 설명하지 못하는 작은 지름 축수선에서 관측된 행동전위 지속시간 증가를 설명하는 것.
• 점성 축수질 내 수압 펄스가 알려진 행동전위 전도 속도와 일치하는 속도로 전파될 수 있는지 조사하는 것.
• 칼슘 유입과 세 cytoskeleton 수축이 압력 펄스의 감쇠를 방지하고 지속시키는 데 어떻게 기여하는지 탐구하는 것.

제안 방법

• 수압 원리에 기반하여 다양한 지름을 가진 myelinated 및 unmyelinated 축수선의 세포질 내 압력파 속도를 이론적으로 추정하는 것.
• 점성 축수질 내 수압 펄스 감쇠를 모델링하여 약 1 mm 거리에서 감쇠가 발생할 것으로 예측하는 것.
• 막에 부착된 세 cytoskeleton 네트워크의 칼슘 유도 반경 수축을 통합하여 압력 펄스를 증폭하고 지속시키는 것.
• 축수선의 기계적 성질(예: 점성, 탄성)을 사용하여 지름에 따른 전도 속도 스케일링을 예측하는 것.
• 축수선 지름에 따른 전도 속도 의존성 유도: unmyelinated 축수선의 경우 ∝ √diameter, myelinated 축수선의 경우 ∝ diameter.
• 모델 예측값과 실험적 전도 속도를 비교하여 기계적 성질에 대한 다양한 가정 하에서 일치 정도를 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 축수질 내 압력파 전파가 다양한 지름을 가진 축수선에서 관측된 행동전위 전도 속도를 설명할 수 있는가?
• RQ2 기계적 모델에 따르면 myelination은 압력파 전파와 전도 속도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 칼슘 유입과 세 cytoskeleton 수축은 축수질 내 압력 펄스의 감쇠를 방지하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 왜 작은 지름 축수선에서 행동전위 지속시간이 증가하는가? 이는 압력파 모델로 설명될 수 있는가?
• RQ5 예측된 전도 속도가 실험 데이터와 어느 정도 일치하는가? 일치를 위해 어떤 기계적 가정이 필요하는가?

주요 결과

• 작은 진폭의 압력파 이론적 속도가 실험적으로 측정된 행동전위 전도 속도와 매우 유사하다.
• 모델은 큰 unmyelinated 축수선에서 전도 속도가 축수선 지름의 제곱근에 비례함을 예측하며, 이는 실험 관측과 일치한다.
• Myelinated 축수선의 경우, 모델은 전도 속도가 지름에 선형적으로 의존한다고 예측하며, 기계적 성질이 지름에 따라 변하지 않는다고 가정할 경우 실증 데이터와 일치한다.
• 모델은 작은 지름 축수선에서 행동전위 지속시간 증가를 정성적으로 설명할 수 있으며, 이는 국소 회로 이론이 잘 설명하지 못하는 특성이다.
• 모델은 온도 상승에 따라 전도 속도가 증가함을 예측하며, 실험 결과와 일치한다.
• Myelinated 축수선의 경우 실험 전도 속도와 양호한 일치를 보였지만, unmyelinated 축수선의 경우 정량적 일치를 달성하기 위해 일반적인 값보다 1000배 높은 축성 저항이 필요하다.