Посещений:
ПЕРЕДАЧА НЕРВНЫХ СИГНАЛОВ

Теория Солитонов

Sound Theory

Scince Illustrated, May/June, P.56-59, 2008

Could two Nobel laureates and the entire biological-research community really have been wrong about the nature of nerve cells for more than 50 years? That's the controversial new claim from two physicists

Нервы являются системой коммуникаций тела, перадающими пакеты сообщений в и из головного мозга по сети из 100 биллионов нервных клеток, известных как нейроны. Всё время вы двигаете мышцами, воспринимаете ощущения или рефлективно вспышки яркого солнечного света, это становится возможным благодаря сигналам, которые перемещаются вдоль и между нейронами, длина которых от менее чем миллиметра и более тех футов.
Как же перемещаются сигналы вдоль этих нервных клеток? Почему, с помощью электричества. Откроем любой учебник и сможем прочесть, что нервы общаются посредством изменения электрического потенциала. Во-первых, ионы натрия проникают в клетку через открытые каналы, а ионы калия выходят. Это вызывает сдвиг электрического заряда в этой области клеточной мембраны с негативного к позитивному и обратно, это запускает ту же самую последовательность в соседней области клеточной мембраны. Процесс повторяется снова и снова до тех пор, пока в течение крошечной фракции секунды сигнал не пройдет по всей длине нейрона. Возникнет или электрический заряд или высвободится нейротрансмиттер, такой как serotonin или dopamine, что позволит сигналу перепрыгнуть через щель, называемую синапсом со следующим нейроном. Эта модель составляет суть мнения, как нервы работают уже 56 лет- с тех пор как два англичанина Alan Lloyd Hodgkin и Andrew F. Huxley, впервые объяснили это в 1952. Открытие было столь важным, что в 1963 исследователи были удостоены Нобелевской Премии по Физиологии и Медицине за свой труд.




Это было элементарным объяснением до тех пор, пока двое ученых из Niels Bohr Institute в Копенгагене, Дании, не объявили, что классическая теория неверна. Не электричество переносит сигналы вдоль длины нейрона. Это звуковые волны.

A Special Sort of Wave


Обычно звуковые волны распространяются во всех направлениях, постепенно ослабляясь по ходу движения. Это не такое уж оптимальное средство, чтобы посылать сигналы вдоль, скажем, седалищного нерва от вашей пятки к бедру. Но если акустическая волна проходит по материалу с определенными характеристиками, то она трансформируется в специальный тип волны, наз. soliton, который движется только в одном направлении и сохраняет свою энергию на довольно длительном расстоянии до тех пор, пока не исчезнет полностью. Согласно физикам из Niels Bohr Института Thomas Heimburg и Andrew Jackson, липидные мембраны нервных клеток обладают в точности необходимыми характеристиками, для создания и переноса солитонов, т.к. липиды находятся в точке перехода между жидким и твердым состоянием. И что это за магическая точка плавления, при которой липиды частично жидкие и частично твердые? Верно, она при нормальной температуре нашего тела.
В этой новой Heimburg-Jackson модели электрический заряд, который наблюдали ученые в нейроне является в основном побочным продуктом действительного сигнала. Когда нервный сигнал в форме солитона перемещается вдоль нейрона, то клеточная мембрана слегка растягивается во фронте волны и затем возвращается к своей нормальной форме, как только волна прошла. Клеточная мембрана содержит большое количество электрически заряженных ионов, а давление волны солитонов изменяет расстояние между ними, вызывая эл. напряжение (voltage).
Это физическое сжатие является одним из нескольких аспектов нервной функции, которая по новой теории объясняется лучше, чем предложенной Hodgkin-Huxley моделью. Ученые давно наблюдали, что нервы действительно изменяют свою толщину при прохождении импулься через него - это напоминает заглатывание змеей мыши, которая создает вздутие, которое путешествует вниз по телу змеи. Модель Hodgkin-Huxley не может объяснить этого физического изменения, но оно естественное следствие в новой теории.
Этот ранее мистический феномен нервного сигнала, может быть решен новой теорией. Ученым давно известно, что нервные импульсы сопровождаются легким увеличением температуры в клеточной мембране, затем снижением и, наконец, возвращением к стартовой температуре. Увеличение придает смысл использованию классической теории, т.к. электрический ток нагревает канал, по которому он проходит. Понижение температуры, однако объяснить нелегко. Но если нервный сигнал распространяется как звуковая волна, то повышение и падение температуры может быть приписано расширению и контракции клеточной мембраны, т.к. согласно правилам термодинамики изменения в объеме затрагивают температуру. Но наилучшим аргументом для этой спорной теории является то, что она наконец сможет ответить на вопрос, который мучил ученых доле ста лет: как работает анестезия?

An Explanation for Anesthesia


Неожиданно широкий круг химических соединений-от интерного газа xenon до простых неорганических соединений, таких как веселящий газ (N20), до малых органических молекул, таких как эфир (C4H10O) и до более сложных субстанций, подобных isoflurane (C3H2C1F5O)-все они предупреждают нервы от передачи импульсов. Как анестетики в действительности работают является загадкой с 1846, когда впервые был использован эфир для анестезии при хирургических вмешательствах. Наиболее распространенным объяснением является то, что соединения соединяются с белками в клеточных мембранах нейронов и деактивируют их так, что они не могут продуцировать электрические сигналы, но очень трудно представить себе такой пестрый ассортимент субстанций, соединяющихся столь аккуратно с белками. Более того, эта теория никогда не была проверена лабораторно.
Теория Heimburg and Jackson's звуковой волны дает довольно прямое объяснение этой проблемы. Оно базируется на том факте, который известен ученым уже более ста лет , что эффективность любого анестетика



может быть измерена тем. насколько хорошо он расстворяется в оливковом масле. Англ. биолог Charles Ernest Overton и нем. химик Hans Meyer сформулировали сою "lipid theory" в 1901. Она предполагает, что любой эффективный анестетик просто растворяется в мембранах нейрона, содержащих жир, каким-то образом выводя из строя способность клеток создавать и поддерживать сигнал. К сожалению оригинальная липидная теория не может объяснить, почему анестетик д. оказывать такой эффектt-но модель Heimburg-Jackson четко заполняет этот пробел знания. Когда анаестетик растворяется в клеточной мембране нейрона, то, как говорится, то точка плавления мембран падает на несколько градусов-точно также как растворение соли в воде вызывает снижение её точки замерзания. А когда снижается точка плавления липидов мембраны, то она больше не зависает в своем специальном состоянии между жидким и твердым при температуре тела, это означает, что она не может больше создавать и поддерживать солитоны. Нет солитонов. нет нервных сигналов, это означает отсутствие боли. Теория может также наконец объяснить некоторые аномалии в поведении анестезии. Напр., физикам известно, что анестезия не работает под высоким давлением. Пациенты с серьёзными ожогами, которых часто лечат в барокамерах, нуждаются в более высоких дозах анестетика, чем в норме. И эксперименты на животных показали, что анестезируемые животные просто просыпаются, если подвергаются повышенному давлению. Для Heimburg and Jackson, такие наблюдения не являются сюрпризом: давление увеличивает температуры плавления мембран нервных клеток, так как существуют обратное взаимоотношение между эффектами давления и точкой плавления и вызыванием анестетиками онемения.
Сходным образом теория солитонов дает объяснение, почему анестезия не работает столь хорошо, когда ткань воспалена. Воспаление делает ткань более кислой, а исследователи установили, что увеличение кислотности вызывает увеличение точки плавления липидов мембран. Если модель Heimburg-Jackson правильна, то этот эффект д. объяснить наблюдаемую связь между воспалением и снижением эффективности анестезии.

Nice Idea, but Can You Prove It?


Сколь угодно не казалась бы теория корректной в объяснении некоторых досадных феноменов, она вряд ди заставит легко отказаться от широко принятой электрической модели, несмотря на полученные Heimburg and Jackson некоторые экспериментальные доказательства в её пользу. И здесь они столкнутся с неприятностями. Клеточная мембрана является динамической - смесь различных липидов, которые она содержит меняется постоянно, а большое количество белков, солей и др. молекул в ней находятся в постоянном движении. Эти изменения влияют на мембранную точку плавления, следовательно, д. возникать потенциал для солитонов. Изменения также очень локальны, так что точка плавления никогда не является в точности той же самой во всех клеточных мембранах. Неизвестен даже способ измерения мембранной точки плавления без её разрушения, и поэтому сегодня невозможно с определенностью показать, распространяются ли солитоны по мембранам живых нейронов. Сегодня теория Heimburg and Jackson's базируется на наблюдениях из экспериментов на изолированных клеточных мембранах, но не на живых.


Rewrite the Textbooks? When English physicians Alan Lloyd Hodgkin and Andrew F. Huxley concluded in 1952 that nerves communicate with the help of electrical potential differences, it was a sensational discovery that finally explained one of the great mysteries of physiology. They received the Nobel Prize in Physiology or Medicine 11 years later for their groundbreaking discovery. If the new Heimburg-Jackson theory is proven and the Nobel laureates are shown to be wrong, every textbook that discusses the propagation of nerve impulses will need to be rewritten


"Replacing a well-accepted model, like the one by Hodgkin and Huxley, with a new theory without very serious experimental research would be dangerous and not very convincing," говорит Heimburg. "But everything predicted by our theory has been found in real nerves: thickness changes, pressure changes, heat changes. People just haven't called it a 'soliton' before we did, and we provided the mathematics first." Некоторые из его коллег намереваются протестировать изменения плотности и давления в нейронах в соответствии с новой теорией. Его собственная группа готовится к изучению улиток и раков, которые обладают крупными нервами, с которыми легко работать. Др. задачей теории является объяснить, почему нейроны так оснащены таким ненормальным количество ионных каналов в своих мембранах. Они контролируют перенос ионов натрия и калия - которые согласно классической теории ответственны за создание электрических нервных сигналов. В экспериментах с живыми нейронами, ученые продемонстрировали, как эти каналы открываются и закрываются в виде четко скоординированного паттерна, который полностью соответствует распространению нервного сигнала. Если звуковые волны переносят сигнал вдоль нейрона, то какова роль этой хорошо разработанной электрической системы?
Из-за этих и др. проблем теория солитонов ещё долго не войдет в медицинские учебники. Но история медицины учит нас, не стоит отвергать заумную идею, поскольку мы думаем, что уже знаем, как нечто работает.
Сайт создан в системе uCoz