[论文解读] Pressure wave model for action potential propagation in excitable cells

M. Rvachev|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2003

Neuroscience and Neural Engineering参考文献 14被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种压力波模型，其中动作电位的传导由轴浆中传播的压力脉冲通过机械激活电压门控离子通道驱动，而非如局部电路理论所假设的由离子电流驱动。该模型解释了传导速度随轴突直径的变化、温度依赖性以及动作电位持续时间的变化，其预测与有髓鞘轴突的实验数据相符，并且对于无髓鞘轴突需要更高的轴向电阻才能实现匹配。

ABSTRACT

Speed 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 ~1 mm distances, and it is further hypothesized that it is the role of influxing during the AP calcium ions to activate membrane skeletal protein network attached to the membrane cytoplasmic side 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 absolute AP conduction velocities are limited by the knowledge of relevant to propagation of pressure waves mechanical properties of axons, still, the velocities are predicted well for myelinated axons, while an agreement for unmyelinated axons requires 3 orders of magnitude higher resistance of...

研究动机与目标

• 解释轴突中动作电位传导速度的机制，特别是其对轴突直径和髓鞘化的依赖性。
• 通过提出涉及轴浆中压力波的机械机制，挑战传统的局部电路理论。
• 解释在小直径轴突中观察到的动作电位持续时间增加的现象，这一现象在局部电路理论中难以解释。
• 研究粘性轴浆中的液压压力脉冲是否能够以与已知动作电位传导速度相当的速度传播。
• 探讨钙离子内流和细胞骨架收缩在放大和维持压力脉冲以防止其衰减中的作用。

提出的方法

• 使用流体动力学原理，对不同直径的无髓鞘和有髓鞘轴突的细胞质中压力波速度进行理论估算。
• 对粘性轴浆中液压脉冲的衰减进行建模，预测其在约1 mm距离内衰减。
• 引入钙离子诱导的膜相关细胞骨架网络径向收缩，以放大和维持压力脉冲。
• 利用轴突的机械特性（如粘度、弹性）预测传导速度随直径的变化规律。
• 推导传导速度对轴突直径的依赖关系：无髓鞘轴突为∝√直径，有髓鞘轴突为∝直径。
• 将模型预测与实验测得的传导速度进行比较，评估在不同机械特性假设下的吻合程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 轴浆中压力波的传播能否解释不同直径轴突中观察到的动作电位传导速度？
• RQ2 根据该机械模型，髓鞘化如何影响压力波的传播和传导速度？
• RQ3 钙离子内流和细胞骨架收缩在防止轴浆中压力脉冲衰减的过程中起什么作用？
• RQ4 为什么动作电位持续时间在小直径轴突中增加？这一现象能否由压力波模型解释？
• RQ5 预测的传导速度在多大程度上与实验数据一致？实现一致需要哪些机械假设？

主要发现

• 轴浆中微小振幅压力波的理论传播速度与实验测得的动作电位传导速度非常接近。
• 该模型预测，对于大直径无髓鞘轴突，传导速度与轴突直径的平方根成正比，与实验观察一致。
• 对于有髓鞘轴突，该模型预测传导速度与直径呈线性关系，当机械特性不随直径变化时，与经验数据相符。
• 该模型定性地解释了小直径轴突中动作电位持续时间增加的现象，而这一特征在局部电路理论中未能得到充分解释。
• 模型预测传导速度随温度升高而增加，与实验发现一致。
• 该模型与有髓鞘轴突的实验传导速度吻合良好；但对于无髓鞘轴突，要实现定量一致，模型需要将轴向电阻设为典型值的1000倍。