[論文レビュー] Quantum entanglement in the voltage dependent sodium channel can reproduce the salient features of neuronal action potential initiation

Johann Summhammer, Gustav Bernroider|ArXiv.org|Dec 10, 2007

Ion channel regulation and function参考文献 16被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、電圧依存性イオンチャネル内のナトリウムイオンにおける量子もつれが、新皮質ニューロンにおけるアクションポテンシャルの急速な発火ダイナミクスを説明できると提唱している。古典的ハクスリー＝フックスモデルでは再現できないが、イオンチャネルのガッティング機構をもつれた量子状態としてモデル化することで、得られる「量子補正付き」ハクスリー＝フックス方程式は、実験的に観察された高速なアクションポテンシャル発火を再現する。これはもつれがイオン透過確率を高め、チャネル間の協同的相互作用を必要とせずにパルスダイナミクスを変化させることを示唆している。

ABSTRACT

We investigate the effects of a quantum entanglement regime within an ion conducting molecule (ion channel) of the neuronal plasma membrane on the onset dynamics of propagating nerve pulses (action potentials). In particular, we model the onset parameters of the sodium current in the Hodgkin Huxley equation as three similar but independent probabilistic mechanisms which become quantum entangled. The underlying physics is general and can involve entanglement between various degrees of freedom underlaying ion transition states or 'gating states' during conduction, e.g. Na$^+$ ions in different channel locations, or different 'affinity' states of ions with atoms lining the sub-regions of the channel protein ('filter-states'). We find that the 'quantum corrected' Hodgkin Huxley equation incorporating entangled systems states can reproduce action potential pulses with the critical onset dynamics observed recently in neocortical neurons in vivo by Naundorf et al. [Nature {\bf 440}, 1060 (20 April 2006)]. Interestingly, the suggested entanglement term can also slow down action potential initiation.

研究の動機と目的

• 古典的ハクスリー＝フックスモデルと新皮質ニューロンにおけるアクションポテンシャル発火の迅速な開始の実験的観察との間の乖離を解消すること。
• イオンチャネルにおける量子もつれが、古典モデルが捉えきれない迅速なリズム上昇時間やダイナミクス的特徴を説明できるかどうかを調査すること。
• 古典的な確率的ガッティングを、イオンまたはチャネル原子のもつれた量子状態に置き換える量子力学的フレームワークを提唱すること。
• 特に多イオンもつれとコherentな振動状態が神経細胞の電気的シグナル伝達をどのように形作るかを検討すること。
• ナトリウムおよびカリウムイオンの同素体を用いた実験的検証のための検証可能な予測を提示すること。

提案手法

• ハクスリー＝フックス方程式の3つのガッティング機構を、互いに同一かつ独立した確率的系としてモデル化し、それらを量子もつれ状態にすること。
• イオン遷移状態間の平均的な量子相関度を表す1つのもつれパラメータを導入すること。
• チャネルの孔内でのもつれたイオン状態に起因する量子補正を組み込んだことで、古典的ハクスリー＝フックス方程式を修正すること。
• 線形イオントラップや量子ドットとの理論的類似性を用いて、細いイオンチャネル孔内での多イオンもつれの妥当性を裏付けること。
• Na+イオン同士のもつれ、チャネルフィルター原子との親和性状態、および孔を覆うカルボニル酸素原子の振動状態の間のもつれを検討すること。
• ナウドルフら（2006年）が観察した生体内での高速な発火ダイナミクスを再現するためにモデルを適用し、古典的HHシミュレーションと予測を比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電圧依存性チャネル内のナトリウムイオンにおける量子もつれは、新皮質ニューロンにおける実験的に観察されたアクションポテンシャルの迅速な発火を再現できるか？
• RQ2 古典的確率的モデルと比較して、量子もつれはイオン透過の遷移確率にどのように影響を及ぼすか？
• RQ3 ハクスリー＝フックスフレームワークにもつれた量子状態を組み込むと、古典モデルと比較してアクションポテンシャルの発火が速くなるか、遅くなるか？
• RQ4 イオン伝導における量子もつれ効果を、古典的または協同的チャネル行動と区別するための実験的シグネチャーは何か？
• RQ5 フェルミオン的およびボソン的ナトリウムまたはカリウムイオンの同素体の違いが、イオン伝導における量子もつれの検証に役立つだろうか？

主な発見

• 量子補正付きハクスリー＝フックスモデルは、ナウドルフら（2006年）が生体内で観察した、古典モデルでは再現できない急速なアクションポテンシャル発火ダイナミクスを成功裏に再現した。
• 量子もつれは、イオンがチャネル内を通過する有効確率を高め、古典モデルが予測するよりも速い去分極速度を生じさせた。
• モデルは、特定の量子状態配置ではもつれがイオン伝導度を低下させることを予測しており、状態に依存する二重の役割を示している。
• もつれの導入により、明示的なチャネル間結合や古典的協同性を必要としない、協調的なイオン通過の新たなメカニズムが生じた。
• ボソン的同素体（例：22Na+）はフェルミオン的同素体（例：23Na+）よりも強いもつれ効果を示す可能性があり、これは実験的検証の可能性を示唆している。
• 39K+と40K+の同素体間の理論的比較により、カリウムチャネル伝導における量子統計の役割をさらに探る可能性がある。