[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出，生物系统中的电通信，如草履虫、捕蝇草和电鳗中的电通信，是通过离子通道中瞬态离子流产生的类似孤子的电磁脉冲实现的。这些信号沿着由脂质双分子层和离子液体组成的软物质波导传播，表明生物系统（包括人类大脑）中存在一种自然演化的无线通信机制。

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.

研究动机与目标

• 研究生物系统中快速电传导的物理机制。
• 确定生物系统中的电信号是否作为无线电磁通信发挥作用。
• 分析特定生物现象——草履虫运动、捕蝇草捕食反应、电鳗放电——以寻找类似孤子的电磁脉冲传播的证据。
• 提出可兴奋细胞中脂质双分子层波导中信号传导的生物物理模型。
• 探讨该模型对理解人类大脑神经通信的启示。

提出的方法

• 分析三种生物现象：草履虫方向反转、捕蝇草捕食反应、电鳗的同步放电。
• 识别瞬态跨膜离子流是这些系统中电磁脉冲的来源。
• 将细胞膜建模为软物质波导，其由夹在两层离子液体之间的介电脂质双分子层构成。
• 应用孤子传播原理，解释生物介质中稳定、远距离的信号传输。
• 以有髓鞘轴突为模型系统，其中髓鞘作为由数十层脂质双分子层构成的厚介电层。
• 提出电磁脉冲沿此波导结构传播，几乎无色散，从而实现高效的无线通信。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过膜通道的瞬态离子流如何在生物系统中产生电磁信号？
• RQ2 何种物理结构使电生理信号在生物组织中实现远距离、低损耗传播？
• RQ3 观察到的生物行为（如草履虫运动、捕蝇草闭合）在多大程度上与类似孤子的电磁脉冲传输一致？
• RQ4 有髓鞘轴突能否被理解为一种天然的软物质波导，用于电磁信号传导？
• RQ5 该模型对理解人类大脑神经通信具有何种启示？

主要发现

• 生物系统中的电信号主要为通过蛋白质离子通道的瞬态离子流产生的类似孤子的电磁脉冲。
• 信号沿由夹在两层离子液体之间的介电脂质双分子层构成的软物质波导传播。
• 在有髓鞘轴突中，介电层厚度达数微米，由数十层脂质双分子层构成，可实现高效的波导传输。
• 草履虫、捕蝇草和电鳗中观察到的行为与该无线电磁通信模型一致。
• 该模型表明，人类大脑的神经网络可能基于类似原理，通过自然演化形成的无线通信机制运行。
• 信号色散极小，支持该传输机制在生物系统中的稳定性和可靠性。