[论文解读] 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 7

一句话总结

本文提出，电压门控离子通道中钠离子的量子纠缠可解释新皮层神经元动作电位快速起始动力学，而经典霍奇金-赫胥黎模型无法再现这一现象。通过将离子门控机制建模为纠缠的量子态，作者表明，由此产生的‘量子修正’霍奇金-赫胥黎方程可重现实验观测到的快速动作电位起始，表明纠缠增强了离子穿膜概率并改变了脉冲动力学，而无需依赖通道间的协同作用。

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.

研究动机与目标

• 解决经典霍奇金-赫胥黎模型与新皮层神经元动作电位快速起始实验观测之间的差异。
• 探究离子通道中的量子纠缠是否能解释经典模型未能捕捉的动作电位快速上升时间和动态特征。
• 提出一种离子传导的量子力学框架，以纠缠的量子态替代经典的概率门控模型。
• 探讨量子效应（特别是多离子纠缠和相干振动态）在塑造神经元电信号传导中的潜在作用。
• 提出可实验验证的预测，利用钠和钾离子的同位素变体进行检验。

提出的方法

• 将霍奇金-赫胥黎方程的三个门控机制建模为三个相同但独立的概率系统，这些系统发生量子纠缠。
• 引入一个单一的纠缠参数，表示离子跃迁态之间量子关联的平均程度。
• 通过在通道孔道中引入由纠缠离子态产生的量子修正，修改经典霍奇金-赫胥黎方程。
• 利用线性离子阱和量子点的理论类比，证明在狭窄离子通道孔道中实现多离子纠缠的合理性。
• 考虑钠离子之间、其与通道滤波原子的亲和态之间，以及孔道内壁羰基氧原子的振动态之间的纠缠。
• 将模型应用于重现Naundorf等人（2006年）观测到的体内快速起始动力学，并与经典HH模拟结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 电压门控通道中钠离子的量子纠缠能否重现新皮层神经元实验观测到的动作电位快速起始？
• RQ2 与经典随机模型相比，量子纠缠如何改变离子传导的跃迁概率？
• RQ3 在霍奇金-赫胥黎框架中引入纠缠量子态后，动作电位起始是比经典模型更快还是更慢？
• RQ4 哪些实验特征可将离子传导中的量子纠缠效应与经典或协同通道行为区分开来？
• RQ5 钠或钾离子的费米子与玻色子同位素之间的同位素差异，能否作为离子传导中量子纠缠的实验检验手段？

主要发现

• 量子修正的霍奇金-赫胥黎模型成功重现了Naundorf等人（2006年）在体内观测到的动作电位快速起始动力学，而经典模型无法捕捉这一现象。
• 量子纠缠提高了离子通过通道的有效穿膜概率，导致去极化速率快于经典模型的预测。
• 该模型预测，在某些条件下纠缠可降低离子电导，表明其作用具有双重性，取决于量子态构型。
• 引入纠缠后，出现了一种新的协调离子通过机制，无需显式通道间耦合或经典协同作用。
• 该模型表明，玻色子同位素（如22Na+）可能表现出比费米子同位素（如23Na+）更强的纠缠效应，为实验验证提供了潜在途径。
• 对39K+与40K+同位素的理论比较，可进一步探究量子统计在钾通道传导中的作用。