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Modelo solitón en neurociencia

Onda electromecánica no lineal medida en un sistema lipídico artificial

La hipótesis del solitón en neurociencia es un modelo que pretende explicar cómo se inician y conducen los potenciales de acción a lo largo de los axones basándose en una teoría termodinámica de la propagación del pulso nervioso. [1] Propone que las señales viajan a lo largo de la membrana de la célula en forma de ciertos tipos de pulsos de sonido solitarios (o de densidad ) que pueden modelarse como solitones . El modelo se propone como una alternativa al modelo de Hodgkin-Huxley [2] en el que los potenciales de acción : los canales iónicos dependientes del voltaje en la membrana se abren y permiten que los iones de sodio entren en la célula (corriente de entrada). La disminución resultante en el potencial de membrana abre los canales de sodio dependientes del voltaje cercanos, propagando así el potencial de acción. El potencial transmembrana se restaura mediante la apertura retardada de los canales de potasio. Los defensores de la hipótesis del solitón afirman que la energía se conserva principalmente durante la propagación, excepto las pérdidas por disipación; los cambios de temperatura medidos son completamente inconsistentes con el modelo de Hodgkin-Huxley. [3] [4]

El modelo de solitón (y las ondas sonoras en general) depende de la propagación adiabática en la que la energía proporcionada en la fuente de excitación se transporta adiabáticamente a través del medio, es decir, la membrana plasmática. La medición de un pulso de temperatura y la supuesta ausencia de liberación de calor durante un potencial de acción [5] [6] fueron la base de la propuesta de que los impulsos nerviosos son un fenómeno adiabático muy parecido a las ondas sonoras. Los potenciales de acción evocados sinápticamente en el órgano eléctrico de la anguila eléctrica están asociados con una producción sustancial de calor positivo (solamente) seguida de un enfriamiento activo a temperatura ambiente. [7] En el nervio olfativo del pez aguja, el potencial de acción está asociado con un cambio de temperatura bifásico; sin embargo, hay una producción neta de calor. [8] Estos resultados publicados son inconsistentes con el modelo de Hodgkin-Huxley y los autores interpretan su trabajo en términos de ese modelo: la corriente de sodio inicial libera calor a medida que se descarga la capacitancia de la membrana; el calor se absorbe durante la recarga de la capacitancia de la membrana a medida que los iones de potasio se mueven con su gradiente de concentración pero en contra del potencial de membrana. Este mecanismo se denomina "teoría del condensador". Los cambios en la configuración de la membrana provocados por los cambios en el potencial de membrana pueden generar calor adicional. Un aumento de la entropía durante la despolarización liberaría calor; un aumento de la entropía durante la repolarización absorbería calor. Sin embargo, estas contribuciones entrópicas son incompatibles con el modelo de Hodgkin y Huxley [9].

Historia

Ichiji Tasaki fue pionero en un enfoque termodinámico para el fenómeno de la propagación del pulso nervioso que identificó varios fenómenos que no estaban incluidos en el modelo de Hodgkin-Huxley . [10] Además de medir varios componentes no eléctricos de un impulso nervioso, Tasaki investigó la química física de las transiciones de fase en las fibras nerviosas y su importancia para la propagación del pulso nervioso. Basándose en el trabajo de Tasaki, Konrad Kaufman propuso las ondas sonoras como base física para la propagación del pulso nervioso en un manuscrito inédito. [11] La idea básica en el núcleo del modelo solitón es el equilibrio de la dispersión intrínseca de las ondas sonoras bidimensionales en la membrana mediante propiedades elásticas no lineales cerca de una transición de fase. El impulso inicial puede adquirir una forma estable en tales circunstancias, en general conocida como onda solitaria. [12] Los solitones son la solución más simple del conjunto de ecuaciones de onda no lineales que gobiernan este fenómeno y fueron aplicados para modelar el impulso nervioso en 2005 por Thomas Heimburg y Andrew D. Jackson, [13] [14] [15] ambos en el Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague . Heimburg dirige el Grupo de Biofísica de Membranas del instituto. El grupo de física biológica de Matthias Schneider ha estudiado la propagación de ondas sonoras bidimensionales en interfaces lipídicas y su posible papel en la señalización biológica [16] [17] [18] [19]

Justificación

El modelo parte de la observación de que las membranas celulares siempre tienen un punto de congelación (la temperatura por debajo de la cual la consistencia cambia de fluida a gelatinosa) apenas por debajo de la temperatura corporal del organismo, y esto permite la propagación de solitones. Un potencial de acción que viaja a lo largo de un nervio mixto da como resultado un ligero aumento de la temperatura seguido de una disminución de la temperatura. [20] Los defensores del modelo de solitones afirman que no se libera calor neto durante el pulso general y que los cambios de temperatura observados son incompatibles con el modelo de Hodgkin-Huxley. Sin embargo, esto no es cierto: el modelo de Hodgkin-Huxley predice una liberación y absorción bifásica de calor. [9] Además, el potencial de acción provoca un ligero engrosamiento local de la membrana y una fuerza que actúa hacia afuera; [21] este efecto no lo predice el modelo de Hodgkin-Huxley, pero tampoco lo contradice.

El modelo del solitón intenta explicar las corrientes eléctricas asociadas con el potencial de acción de la siguiente manera: el solitón que viaja cambia localmente la densidad y el espesor de la membrana, y dado que la membrana contiene muchas sustancias cargadas y polares , esto dará como resultado un efecto eléctrico, similar a la piezoelectricidad . De hecho, se ha demostrado que tales ondas sonoras no lineales existen en interfaces lipídicas que muestran una similitud superficial con los potenciales de acción (acoplamiento electro-optomecánico, velocidades, forma de pulso bifásica, umbral de excitación, etc.). [17] Además, las ondas permanecen localizadas en la membrana y no se propagan en el entorno debido a un desajuste de impedancia. [22]

Formalismo

El solitón que representa el potencial de acción de los nervios es la solución de la ecuación diferencial parcial

donde t es el tiempo y x es la posición a lo largo del axón nervioso. Δ ρ es el cambio en la densidad de la membrana bajo la influencia del potencial de acción, c 0 es la velocidad del sonido de la membrana nerviosa, p y q describen la naturaleza de la transición de fase y, por lo tanto, la no linealidad de las constantes elásticas de la membrana nerviosa. Los parámetros c 0 , p y q están dictados por las propiedades termodinámicas de la membrana nerviosa y no se pueden ajustar libremente. Deben determinarse experimentalmente. El parámetro h describe la dependencia de la frecuencia de la velocidad del sonido de la membrana ( relación de dispersión ). La ecuación anterior no contiene ningún parámetro de ajuste. Está formalmente relacionada con la aproximación de Boussinesq para solitones en canales de agua. Las soluciones de la ecuación anterior poseen una amplitud máxima limitante y una velocidad de propagación mínima que es similar a la velocidad del pulso en nervios mielinizados. Bajo suposiciones restrictivas, existen soluciones periódicas que muestran hiperpolarización y períodos refractarios. [23]

Papel de los canales iónicos

Los defensores del modelo solitón sostienen que explica varios aspectos del potencial de acción que no se explican con el modelo de Hodgkin-Huxley. Dado que es de naturaleza termodinámica, no aborda las propiedades de macromoléculas individuales como las proteínas de los canales iónicos a escala molecular. Más bien, se supone que sus propiedades están implícitamente contenidas en las propiedades termodinámicas macroscópicas de las membranas nerviosas. El modelo solitón predice fluctuaciones de la corriente de membrana durante el potencial de acción. Estas corrientes tienen una apariencia similar a las descritas para las proteínas de los canales iónicos. [24] Se cree que son causadas por poros de membrana lipídica generados espontáneamente por las fluctuaciones térmicas. Dichas fluctuaciones térmicas explican la selectividad iónica específica o la evolución temporal específica de la respuesta a los cambios de voltaje sobre la base de su efecto sobre las susceptibilidades macroscópicas del sistema.

Aplicación a la anestesia

Los autores afirman que su modelo explica el modo de acción hasta ahora desconocido de numerosos anestésicos . La observación de Meyer-Overton sostiene que la fuerza de una amplia variedad de anestésicos químicamente diversos es proporcional a su solubilidad lipídica , lo que sugiere que no actúan uniéndose a proteínas específicas como los canales iónicos, sino disolviéndose en la membrana lipídica y modificando sus propiedades. La disolución de sustancias en la membrana reduce el punto de congelación de la misma, y ​​la mayor diferencia resultante entre la temperatura corporal y el punto de congelación inhibe la propagación de solitones. [25] Al aumentar la presión, reducir el pH o la temperatura, esta diferencia puede restablecerse a la normalidad, lo que debería cancelar la acción de los anestésicos: esto es lo que se observa. La cantidad de presión necesaria para cancelar la acción de un anestésico de una solubilidad lipídica dada se puede calcular a partir del modelo de solitones y concuerda razonablemente bien con las observaciones experimentales.

Diferencias entre las predicciones de modelos y las observaciones experimentales

Colisión de solitones

La siguiente es una lista de algunos de los desacuerdos entre las observaciones experimentales y el "modelo solitón":

Invasión antidrómica del soma desde el axón
Un potencial de acción iniciado en cualquier parte de un axón viajará en una dirección antidrómica (hacia atrás) hasta el soma (cuerpo celular) de la neurona sin pérdida de amplitud y producirá un potencial de acción de amplitud completa en el soma. Como el área de la membrana del soma es órdenes de magnitud mayor que el área del axón, la conservación de la energía requiere que una onda mecánica adiabática disminuya en amplitud. Dado que la ausencia de producción de calor es una de las justificaciones alegadas del "modelo solitón", esto es particularmente difícil de explicar dentro de ese modelo. [26] [ cita requerida ]
Persistencia del potencial de acción en un amplio rango de temperaturas
Un supuesto importante del modelo del solitón es la presencia de una transición de fase cerca de la temperatura ambiente del axón ("Formalismo", más arriba). Entonces, un cambio rápido de temperatura que se aleje de la temperatura de transición de fase necesariamente causaría grandes cambios en el potencial de acción. Por debajo de la temperatura de transición de fase, la onda del solitón no sería posible. Sin embargo, los potenciales de acción están presentes a 0 °C. El curso temporal se ralentiza de una manera predicha por la cinética de apertura y cierre medida de los canales iónicos de Hodgkin-Huxley. [27]
Colisiones
Los impulsos nerviosos que viajan en direcciones opuestas se aniquilan entre sí al colisionar. [28] Por otro lado, las ondas mecánicas no se aniquilan sino que pasan a través de cada una de ellas. Los defensores del modelo de solitones han intentado demostrar que los potenciales de acción pueden pasar a través de una colisión; [29] sin embargo, la aniquilación por colisión de los potenciales de acción ortodrómicos y antidrómicos es un fenómeno que se observa de manera rutinaria en los laboratorios de neurociencia y es la base de una técnica estándar para la identificación de neuronas. [30] Los solitones se cruzan entre sí al colisionar (Figura: "Colisión de solitones"), las ondas solitarias en general pueden pasar, aniquilarse o rebotar entre sí [31] y los solitones son solo un caso especial de tales ondas solitarias. [32]
Corrientes iónicas bajo pinza de tensión
El pinzamiento de voltaje, utilizado por Hodgkin y Huxley (1952) ( modelo de Hodgkin-Huxley ) para diseccionar experimentalmente el potencial de acción en el axón gigante del calamar, utiliza retroalimentación electrónica para medir la corriente necesaria para mantener el voltaje de la membrana constante en un valor determinado. Un alambre de plata, insertado en el interior del axón, fuerza un voltaje de membrana constante a lo largo de la longitud del axón. En estas circunstancias, no hay posibilidad de que se produzca un "solitón" viajero. Cualquier cambio termodinámico es muy diferente de los que resultan de un potencial de acción. Sin embargo, las corrientes medidas reproducen con precisión el potencial de acción. [ cita requerida ]
Corrientes de un solo canal
La técnica de fijación de parches aísla un parche microscópico de membrana en la punta de una pipeta de vidrio. De esta manera, es posible registrar corrientes de canales iónicos individuales. No hay posibilidad de propagación de solitones o cambios termodinámicos. Sin embargo, las propiedades de estos canales (respuesta temporal a saltos de voltaje, selectividad iónica) predicen con precisión las propiedades de las corrientes macroscópicas medidas con la fijación de voltaje convencional. [33]
Conductividad iónica selectiva
La corriente que subyace a la despolarización del potencial de acción es selectiva para el sodio. La repolarización depende de una corriente selectiva para el potasio. Estas corrientes tienen respuestas muy específicas a los cambios de voltaje que explican cuantitativamente el potencial de acción. La sustitución de iones no permeables por sodio anula el potencial de acción. El "modelo solitón" no puede explicar ni la selectividad iónica ni las respuestas a los cambios de voltaje.
Farmacología
El fármaco tetrodotoxina (TTX) bloquea los potenciales de acción en concentraciones extremadamente bajas. Se ha identificado el sitio de acción de la TTX en el canal de sodio. [34] Las dendrotoxinas bloquean los canales de potasio. Estos fármacos producen cambios cuantitativamente predecibles en el potencial de acción. [33] El "modelo solitón" no proporciona ninguna explicación para estos efectos farmacológicos.

Ondas de acción

Un modelo teórico reciente, propuesto por Ahmed El Hady y Benjamin Machta, propone que existe una onda superficial mecánica que se copropaga con el potencial de acción eléctrica. Estas ondas superficiales se denominan "ondas de acción". [35] En el modelo de El Hady-Machta, estas ondas que se copropagan son impulsadas por cambios de voltaje a través de la membrana causados ​​por el potencial de acción.

Véase también

Fuentes

Referencias

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