[논문 리뷰] Alternative model of propagation of spikes along neurons

M. Rvachev|ArXiv.org|2003. 01. 24.

Neuroscience and Neural Engineering참고 문헌 18인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 신경세포에서 축삭질 내 기계적 압력파가 압력활성화된 바이올트-가속된 이온 채널을 통해 탈분극을 유도함으로써, 국소 회로 이론에서처럼 이온 전류에 의존하지 않는 행동전위파(CAP) 전파를 위한 새로운 메커니즘을 제안한다. 이 모델은 실험 데이터와 일치하는 전도 속도를 예측하며, 더 작은 축삭에서의 행동전위 지속시간 증가 현상을 설명하고, 기계적 특성과 세 cytoskeletal 수축을 통해 온도 의존성 및 myelination 영향을 설명한다.

ABSTRACT

Here a viable and never before investigated mechanism of propagation of spikes along neurons is proposed. In the following, velocity 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 $\sim$ 1 mm distances, and it is further hypothesized that it is the role of influxing during the AP Ca$^{2+}$ ions to activate the membrane skeletal protein network 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...

연구 동기 및 목표

• 국소 회로 이론에서처럼 이온 전류 확산에 의존하지 않는 행동전위 전파의 대안적 메커니즘을 제안하기 위해.
• myelinated 및 unmyelinated 섬유 모두에서 축삭 직경에 따른 전도 속도 의존성을 설명하기 위해.
• 국소 회로 이론이 설명하지 못하는, 더 작은 직경의 축삭에서 관측된 행동전위 지속시간 증가 현상을 설명하기 위해.
• 전도 속도의 온도 의존성과 축삭의 기계적 특성 및 세 cytoskeletal 역학을 통합하기 위해.
• 행동전위 동안 칼슘 유입이 막 골격 네트워크의 반경 방향 수축을 유도하여 압력 펄스를 증폭하고 지속시킬 수 있다는 가설을 검증하기 위해.

제안 방법

• 유체역학 원리와 점성 유체역학을 사용하여 축삭질 내 미세한 압력파 전파 속도를 이론적으로 추정하기 위해.
• 축삭질의 점성과 축방향 저항을 가정하여, 거리 약 1 mm 범위에서의 압력 펄스 감쇠를 모델링하기 위해.
• 행동전위 기간 동안 Ca2+ 유입이 세포골격 단백질(예: 스펙트린, 뉴로필라멘트)을 활성화하여 일시적인 반경 방향 수축을 유도함으로써 압력 펄스를 증폭하고 국소화할 수 있다는 가설을 세우기 위해.
• 기계파 전파 기반의 전도 속도 척도 법칙 유도: 기계적 특성이 일정할 경우, unmyelinated 축삭에서는 v ∝ d^0.5, myelinated 축삭에서는 v ∝ d^1.
• 축삭의 알려진 기계적 및 전기적 파rameter를 사용하여 파동 속도를 추정하고 실험적 전도 속도와 비교하기 위해.
• 단백질 구조 변화와 유체 점성의 Arrhenius 유형 온도 의존성에 의해 온도 영향을 통합하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 축삭질 내 압력파가 myelinated 및 unmyelinated 축삭 모두에서 관측된 행동전위 전도 속도를 설명할 수 있는가?
• RQ2 왜 더 작은 직경의 축삭에서 행동전위 지속시간이 증가하는가? 이는 기계파 역학으로 설명될 수 있는가?
• RQ3 myelination은 전도 속도를 어떻게 증가시키며, 이는 축방향 압력파 감쇠에 대한 기계적 저항 증가와 관련이 있는가?
• RQ4 칼슘 유입은 어떻게 압력 펄스 유지에 기여하며, 이는 세 cytoskeletal 수축과 관련이 있는가?
• RQ5 기계적 자극 또는 세 cytoskeletal 단백질의 손상이 전도 속도를 변화시킬 수 있으며, 이를 검증할 수 있는 예측을 제공하는가?

주요 결과

• 축삭질 내 압력파 속도의 이론적 추정치가 myelinated 및 unmyelinated 축삭 모두에서 실험적으로 측정된 행동전위 전도 속도와 매우 유사하다.
• 기계적 특성이 일정할 경우, 이론 모델은 큰 unmyelinated 축삭에서 전도 속도가 축삭 직경의 제곱근에 비례함(v ∝ d^0.5)을 정확히 예측하고, myelinated 축삭에서는 직경에 선형적으로 비례함(v ∝ d^1)을 예측한다.
• 이론 모델은 국소 회로 이론이 설명하지 못하는, 더 작은 직경의 축삭에서 관측된 행동전위 지속시간 증가 현상을 설명한다.
• 기계적 및 동역학적 과정의 온도 의존성에 의해 전도 속도의 강한 온도 의존성(Q10 ~4.8, myelinated 섬유에서 18°C에서 측정)을 설명한다.
• 세 cytoskeletal 단백질(예: 뉴로필라멘트 결실)의 손상이 전도 속도를 감소시킬 수 있으며, 이는 마우스 실험 관찰과 일치한다.
• 압력파 전파가 약 1 mm 범위에서 감쇠될 것으로 예측되나, 막 골격의 Ca2+-유도 반경 수축으로 인해 산산이 흩어지지 않도록 유지된다.