[论文解读] Alternative model of propagation of spikes along neurons

M. Rvachev|ArXiv.org|Jan 24, 2003

Neuroscience and Neural Engineering参考文献 18被引用 4

一句话总结

本文提出了一种神经元动作电位（AP）传导的新型机制，其中轴浆内的机械压力波通过机械激活电压门控离子通道引发去极化，而非依赖于局部电路理论中的离子电流。该模型预测的传导速度与实验数据相符，解释了小直径轴突中动作电位持续时间的增加，并通过轴突和细胞骨架收缩的机械特性说明了温度依赖性和髓鞘化的影响。

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...

研究动机与目标

• 提出一种不依赖于局部电路离子电流的动作电位传导替代机制。
• 解释髓鞘化和无髓鞘纤维中传导速度对轴突直径的依赖性。
• 解释局部电路理论无法解释的实验观察：小直径轴突中动作电位持续时间的增加。
• 通过轴突的机械特性和细胞骨架动力学，调和传导速度的温度依赖性。
• 检验假设：动作电位期间的钙离子内流激活膜骨架网络的径向收缩，以放大并维持压力脉冲。

提出的方法

• 利用流体动力学原理和粘性流体动力学，理论估算小振幅压力波在轴浆中的传播速度。
• 在假设轴浆粘度和轴向电阻的前提下，模拟压力脉冲在轴浆中传播约1毫米距离后的衰减。
• 假设动作电位期间的Ca2+内流激活细胞骨架蛋白（如血影蛋白、神经丝蛋白），引起瞬时径向收缩，从而放大并限制压力脉冲。
• 基于机械波传播推导传导速度的标度律：在机械性质恒定的条件下，无髓鞘轴突中v ∝ d^0.5，髓鞘轴突中v ∝ d^1。
• 利用已知的轴突机械和电学参数估算波速，并与实验测得的传导速度进行比较。
• 通过蛋白质构象变化和流体粘度的阿伦尼乌斯型温度依赖性，引入温度效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 轴浆中的压力波能否解释髓鞘化和无髓鞘轴突中动作电位的观测传导速度？
• RQ2 为何动作电位持续时间在小直径轴突中增加？这一现象能否通过机械波动力学解释？
• RQ3 髓鞘化如何提高传导速度？这是否涉及对轴向压力波衰减的机械阻力增强？
• RQ4 钙离子内流在维持压力脉冲中起什么作用？是否与细胞骨架收缩相关？
• RQ5 机械刺激或细胞骨架蛋白的破坏是否能改变传导速度，从而提供可检验的预测？

主要发现

• 理论估算的轴浆内压力波速度与髓鞘化和无髓鞘轴突中实验测得的动作电位传导速度高度吻合。
• 该模型正确预测了在机械性质恒定的条件下，大直径无髓鞘轴突中传导速度与轴突直径的平方根成正比（v ∝ d^0.5），而髓鞘轴突中则与直径成线性关系（v ∝ d^1）。
• 该模型解释了实验观察到的小直径轴突中动作电位持续时间增加的现象，而这一现象在局部电路理论中无法解释。
• 该模型通过温度依赖的机械和动力学过程，解释了传导速度的强温度依赖性（在18°C时，Q10 ≈ 4.8，适用于髓鞘纤维）。
• 该模型预测，细胞骨架蛋白（如神经丝蛋白敲除）的破坏可能降低传导速度，与小鼠中的实验观察结果一致。
• 预测压力波在约1毫米内衰减，但可通过Ca2+诱导的膜骨架径向收缩被维持，防止脉冲扩散。