[論文レビュー] The Physics of Nerves

Thomas Heimburg|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2010

Lipid Membrane Structure and Behavior参考文献 12被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、膜の相転移に基づく熱力学的モデルを提唱し、アクションポテンシャルを協同的なリン脂質二重層の性質の変化によって駆動されるソリトン様パルスとして説明する。電圧、機械的、熱的刺激をすべて励起要因として統一し、吸入麻酔薬による膜の融点低下によって麻酔を説明しており、Meyer-Overton則と圧力逆転効果と整合的である。

ABSTRACT

The accepted model for nerve pulse propagation in biological membranes seems insufficient. It is restricted to dissipative electrical phenomena and considers nerve pulses exclusively as a microscopic phenomenon. A simple thermodynamic model that is based on the macroscopic properties of membranes allows explaining more features of nerve pulse propagation including the phenomenon of anesthesia that has so far remained unexplained.

研究の動機と目的

• ヒルディン＝ハックスキー・モデルがイオン電流と散逸的電気的過程にのみ焦点を当てているという限界を克服すること。
• 分子的詳細ではなく、巨視的熱力学変数を用いて神経の興奮性を説明すること。
• 長年の謎である麻酔、特にMeyer-Overton則とその圧力による逆転現象を解明すること。
• 電圧、温度、機械的刺激といった多様な興奮メカニズムを、単一の熱力学的枠組みで統一すること。

提案手法

• 膜の相転移温度付近でのリン脂質膜におけるソリトン様パルスとしての神経インパルス伝播をモデル化すること。
• 古典的熱力学と流体力学を用いて膜の挙動を記述し、すべての熱力学的変数（T、P、μなど）を相互に依存するものとして扱うこと。
• ギブズ＝デュヘム式と相転移の熱力学を適用し、吸入麻酔薬の濃度と融点低下の関係を導出すること。
• 融点低下のヴァン・ホッフ式を用いる：ΔTₘ = (R Tₘ² / ΔH) · x_A、ここでx_Aは吸入麻酔薬のモル分率である。
• 膜タンパク質をリン脂質相内の化学ポテンシャルを通じて熱力学的変数として扱うこと。
• 膜への溶解度に基づいて吸入麻酔薬の効力の予測を行い、相転移の低下との相関を示すこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜヒルディン＝ハックスキー・モデルでは、神経インパルス伝播中に熱が放出されないことを説明できないのか？
• RQ2 冷えや機械的圧力といった非電気的刺激がどのように神経インパルスを誘発できるのか？
• RQ3 吸入麻酔薬の効力が化学的構造にかかわらず膜への溶解度と相関することを説明するのは何か（Meyer-Overton則）？
• RQ4 静水圧が一般麻酔薬の効果をなぜ逆転させるのか？
• RQ5 膜の相転移が、協同的かつ全または無の性質を示すアクションポテンシャルを説明できるか？

主な発見

• 神経インパルス伝播は、イオンチャネルや散逸的電流を必要とせず、膜の相転移付近のリン脂質膜におけるソリトン様パルスとして説明可能である。
• 本モデルは、アクションポテンシャル中に測定可能な熱の放出がないことを説明でき、ヒルディン＝ハックスキー・モデルの散逸的性質とは矛盾する。
• 吸入麻酔薬は融点低下によって膜の相転移温度を低下させ、ΔTₘは吸入麻酔薬のモル分率x_Aに比例する。これは熱力学理論の予測と一致する。
• 臨床的半数有効濃度（ED₅₀）は、吸入麻酔薬による融点低下能に比例し、多様な化学構造においてMeyer-Overton則が成立することを説明する。
• 静水圧は融点を上昇させ、約50バールの圧力で麻酔効果が逆転する。これは相転移の圧力依存性に基づく理論的予測と一致する。
• 吸入麻酔薬は純粋なリン脂質膜においてもイオンチャネルに類似したイベントを遮断する。これは膜の流動性の変化そのものが電気的シグナル伝達を妨げられることを示唆する。