[論文レビュー] Wireless Communication in Biosystems

Jingjing Xu, Fan Yang+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2017

Plant and Biological Electrophysiology Studies参考文献 39被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、パラメシウムやベニヤリュウセン、エレクトリックエールなどの生物系における電気的通信が、イオンチャネルを通る一時的なイオン電流によって生成されるソリトン様の電磁パルスによって行われると提案する。これらの信号は、リン脂質二重層とイオン性液体から構成されるソフトマター波ガイドに沿って伝播する。これは、ヒトの脳を含む生物系における自然に進化した無線通信メカニズムを示唆する。

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.

研究の動機と目的

• 生物系における迅速な電気的シグナリングの物理的メカニズムを解明すること。
• 生物系における電気的信号が無線電磁通信として機能するかどうかを特定すること。
• パラメシウムの運動、フラワートラップの反応、エレクトリックエールの放電といった具体的な生物学的現象について、ソリトン様の電磁パルス伝播の証拠を分析すること。
• 興奮性細胞におけるリン脂質二重層波ガイドを通した信号伝送の生物物理学的モデルを提示すること。
• ヒトの脳における神経伝達の理解にこのモデルが与える意味を検討すること。

提案手法

• パラメシウムの方向転換、ベニヤリュウセンの獲物反応、エレクトリックエールの同期放電の3つの生物学的現象を分析する。
• これらのシステムにおける一時的な膜透過イオン電流が電磁パルスの源であると特定する。
• 細胞膜を、イオン性液体層の間に挟まれた誘電体としてのリン脂質二重層を持つソフトマター波ガイドとしてモデル化する。
• ソリトン伝播の原則を適用し、生物媒体における安定的かつ長距離にわたる信号伝送を説明する。
• ミエリンーシャーシュが数十個のリン脂質二重層からなる厚い誘電体層を形成するため、ミエリンを有する軸索をモデル系として用いる。
• 電磁パルスがこの波ガイド構造に沿って有意な分散を伴わず伝播することを提案し、効率的な無線通信を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 膜チャネルを通る一時的なイオン電流が、生物系でどのように電磁信号を生成するのか？
• RQ2 どのような物理的構造が生物組織における長距離・低損失伝播を可能にするのか？
• RQ3 観察された生物学的行動（例：パラメシウムの運動、フラワートラップの閉じる動き）が、ソリトン様の電磁パルス伝播とどの程度整合するのか？
• RQ4 ミエリンを有する軸索は、電磁信号伝送のための自然なソフトマター波ガイドとして理解できるか？
• RQ5 このモデルが、ヒトの脳における神経伝達の理解にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 生物系における電気的信号は、主にタンパク質イオンチャネルを通る一時的なイオン電流によって生成されるソリトン様の電磁パルスである。
• 信号伝播は、誘電体としてのリン脂質二重層が二つのイオン性液体層の間に挟まれたソフトマター波ガイドに沿って行われる。
• ミエリンを有する軸索では、誘電体層が数ミクロンの厚さで、数十個のリン脂質二重層から構成されており、効率的な波ガイド伝播を可能にする。
• パラメシウム、ベニヤリュウセン、エレクトリックエールにおける観察された行動は、この無線電磁通信モデルと整合的である。
• このモデルは、ヒトの脳の神経ネットワークが同様の原理に基づいて自然に進化した無線通信メカニズムによって機能している可能性を示唆する。
• 顕著な信号分散の欠如は、この伝送メカニズムが生物系において安定的かつ信頼性が高いことを支持する。