[논문 리뷰] Wireless Communication in Biosystems

Jingjing Xu, Fan Yang외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 08.

Plant and Biological Electrophysiology Studies참고 문헌 39인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 파라미시아, 베니üs 플라워트랩, 전기 물고기 등 생물계에서 전기적 통신이 이온 채널을 통해 일시적인 이온 전류에 의해 생성된 솔리톤 유사 전자기 펄스를 통해 이루어지며, 이 신호들이 지질 이중층과 이온 액체로 구성된 부드러운 물질 웨이브가이드를 따라 전파된다고 제안한다. 이는 인간 뇌를 포함한 생물계에서 자연적으로 진화한 무선 통신 메커니즘을 시사한다.

ABSTRACT

Electrical signals play the primary role in rapid communication among organs, tissues and cells in biosystems. We have analyzed and discussed three phenomena of electrical communication in biosystems, including direction-changing movement of paramecia, prey behavior of flytraps, and simultaneous discharge of electric ells. These discussions lead to a conclusion that in biosystems the electrical signals are mainly soliton-like electromagnetic pulses, which are generated by transient transmembrane ion currents through protein ion-channels. These electromagnetic signals mainly propagate along the softmaterial waveguide which is basically composed of dielectric membrane, sandwiched in two ionic liquid layers at both sides. In myelinated axons, the dielectric layer is as thick as several microns as it consists of tens of lipid bilayers. This transmission model implies that a wireless communication mechanism has been naturally developed in biosystem. This hypothesis may shed some light on the working mechanism of ten billion neurons in a human brain.

연구 동기 및 목표

• 생물계에서 빠른 전기적 신호 전달의 물리적 메커니즘을 규명하는 것.
• 생물계의 전기적 신호가 무선 전자기 통신으로 기능하는지 확인하는 것.
• 파라미시아의 이동, 플라워트랩 반응, 전기 물고기의 동기화 방전과 같은 특정 생물 현상에서 솔리톤 유사 전자기 펄스 전파의 증거를 분석하는 것.
• 흥분 가능한 세포에서 지질 이중층 웨이브가이드를 통한 신호 전달의 생물물리 모델을 제안하는 것.
• 이 모델이 인간 뇌의 신경 통신을 이해하는 데 가지는 함의를 탐색하는 것.

제안 방법

• 파라미시아의 방향 전환, 베니üs 플라워트랩의 사냥 반응, 전기 물고기의 동기화 방전과 같은 세 가지 생물 현상을 분석한다.
• 이온 채널을 통한 일시적인 세밀포타르 전류가 이러한 시스템에서 전자기 펄스의 원천임을 규명한다.
• 세포막을 두 개의 이온 액체 층 사이에 끼운 유전율 지질 이중층으로 구성된 부드러운 물질 웨이브가이드로 모델링한다.
• 안정적이고 장거리 전파가 가능한 전기 신호 전달을 설명하기 위해 솔리톤 전파 원리를 적용한다.
• 마이엘린 축삭을 모델 시스템으로 사용하며, 마이엘린 셸은 수십 개의 지질 이중층으로 이루어진 두꺼운 유전율 층으로 기능한다.
• 전자기 펄스가 이 웨이브가이드 구조를 따라 큰 산란 없이 전파되어 효율적인 무선 통신이 가능하다고 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 세포막 채널을 통과하는 일시적인 이온 전류가 생물계에서 어떻게 전자기 신호를 생성하는가?
• RQ2 어떤 물리적 구조가 생물 조직에서 장거리, 저손실 전파를 가능하게 하는가?
• RQ3 관찰된 생물학적 행동(예: 파라미시아의 이동, 플라워트랩의 닫힘)이 솔리톤 유사 전자기 펄스 전파와 어느 정도 일치하는가?
• RQ4 마이엘린 축삭은 전자기 신호 전달을 위한 천연의 부드러운 물질 웨이브가이드로 이해될 수 있는가?
• RQ5 이 모델이 인간 뇌의 신경 통신을 이해하는 데 가지는 함의는 무엇인가?

주요 결과

• 생물계의 전기적 신호는 주로 단백질 이온 채널을 통해 일시적인 이온 전류에 의해 생성된 솔리톤 유사 전자기 펄스이다.
• 신호 전파가 두 개의 이온 액체 층 사이에 끼운 유전율 지질 이중층으로 구성된 부드러운 물질 웨이브가이드를 따라 일어난다.
• 마이엘린 축삭에서는 유전율 층이 수 마이크론 두께로, 수십 개의 지질 이중층으로 이루어져 있어 효율적인 웨이브가이드 작용을 한다.
• 파라미시아, 베니üs 플라워트랩, 전기 물고기에서 관찰된 행동들은 이 무선 전자기 통신 모델과 일치한다.
• 이 모델은 인간 뇌의 신경망이 유사 원리에 기반한 자연적으로 진화한 무선 통신 메커니즘을 통해 작동할 수 있음을 시사한다.
• 신호의 산란이 거의 없는 것은 이러한 전달 메커니즘이 생물계에서 안정적이고 신뢰성 있는 방식으로 작동함을 뒷받침한다.