- Jesteś tutaj:
-
Start
-
Forum
-
Main Forum
-
Doniesienia naukowe
- Neurony po nowemu - przewrót w nauce
Neurony po nowemu - przewrót w nauce
- eljasz
- Autor
- Gość
-
2 lata 11 miesiąc temu #40
przez eljasz
Neurony po nowemu - przewrót w nauce was created by eljasz
Neurony po nowemu - przewrót w nauce
Temat rozpoczęty 11 miesiąc 5 dni temu przez eljasz
156 Odsłon
Ostatni Post przez eljasz
11 miesiąc 5 dni temu
rewelacyjny materiał dotyczący mechanicznego działania neuronów opublikowano
w czasopiśmie naukowym. przez 50 lat zatajali wyniki badań.
trochę jednak brakuje im do rozwiązania zagadnienia ale byli na dobrym tropie.
esencją jest fakt, że przez tą twardą rurkę, która powstaje przesyłany jest dźwięk - Informacja,
a nie w postaci pojedynczych elektrycznych impulsów - bitów. materiał "neurony "można
pobrać z działu - Do Pobrania
można teraz śmiało powiedzieć, że naukawcy stanęli na końcu ślepej drogi.
ich "król jest nagi"
świat nauki sierpień 2018 "Nowe Spojrzenie"
Lekarze, którzy powtórzyli doświadczenia sprzed 50 lat, twierdzą, że komórki nerwowe
komunikują się za pośrednictwem impulsów mechanicznych, nie elektrycznych
Douglas Fox
tekst "neurony" skan do pobrania
Temat rozpoczęty 11 miesiąc 5 dni temu przez eljasz
156 Odsłon
Ostatni Post przez eljasz
11 miesiąc 5 dni temu
rewelacyjny materiał dotyczący mechanicznego działania neuronów opublikowano
w czasopiśmie naukowym. przez 50 lat zatajali wyniki badań.
trochę jednak brakuje im do rozwiązania zagadnienia ale byli na dobrym tropie.
esencją jest fakt, że przez tą twardą rurkę, która powstaje przesyłany jest dźwięk - Informacja,
a nie w postaci pojedynczych elektrycznych impulsów - bitów. materiał "neurony "można
pobrać z działu - Do Pobrania
można teraz śmiało powiedzieć, że naukawcy stanęli na końcu ślepej drogi.
ich "król jest nagi"
świat nauki sierpień 2018 "Nowe Spojrzenie"
Lekarze, którzy powtórzyli doświadczenia sprzed 50 lat, twierdzą, że komórki nerwowe
komunikują się za pośrednictwem impulsów mechanicznych, nie elektrycznych
Douglas Fox
tekst "neurony" skan do pobrania
Proszę Zaloguj lub Zarejestruj się, aby dołączyć do konwersacji.
- eljasz
- New Member
-
Mniej
Więcej
- Posty: 11
- Otrzymane podziękowania: 0
1 rok 8 miesiąc temu #64
przez eljasz
Replied by eljasz on topic Neurony po nowemu - przewrót w nauce
oddźwięk w świecie nauki na ten temat
www.livescience.com/1357-controversial-i...und-electricity.html
Kontrowersyjny nowy pomysł: to nerwy przesyłają dźwięk, a nie prąd
Przez Robert Roy Britt 14 marca 2007
Renderowanie ukazuje biologiczną membranę w jej punkcie topnienia. Zielone cząsteczki są płynne, a czerwone są stałe. Cząsteczki środka znieczulającego zmniejszają liczbę czerwonych obszarów, tak że impuls dźwiękowy nie może już przenosić swojego sygnału. Nerw jest znieczulony. (Zdjęcie: Heiko Seeger, Ph.D. Niels Bohr Institute)
Zgodnie z nowym kontrowersyjnym badaniem, które próbuje wyjaśnić od dawna tajemnicę działania środków znieczulających, nerwy przesyłają fale dźwiękowe przez twoje ciało, a nie impulsy elektryczne .
Podręczniki mówią Nerwy użyciu impulsów elektrycznych do transmisji sygnałów z mózgu do punktu działania, czy to aby machać palcem lub migać to oko .
„Ale dla nas, fizyków, to nie może być wyjaśnieniem” - mówi Thomas Heimburg, badacz z Uniwersytetu Kopenhaskiego, którego wiedza jest z pogranicza biologii i fizyki. „Fizyczne prawa termodynamiki mówią nam, że impulsy elektryczne muszą wytwarzać ciepło, gdy przemieszczają się wzdłuż nerwu, ale eksperymenty pokazują, że takie ciepło nie jest wytwarzane”.
Jednak podręczniki prawdopodobnie nie zostaną w najbliższym czasie przepisane.
Roderic Eckenhoff, badacz z Wydziału Anestezjologii i Krytycznej Opieki Medycznej na University of Pennsylvania School of Medicine, nazwał pomysł tętna dźwiękowego interesującym. „Ale istnieje ogromny ciężar dowodu i mają przed sobą bardzo długą drogę do pokonania elektryczności” - powiedział.
Nerwy są owinięte błoną lipidową i białkową. Podręczniki biologii mówią, że impuls jest wysyłany z jednego końca nerwu do drugiego za pomocą naładowanych elektrycznie soli, które przechodzą przez kanały jonowe w błonie. Jednak brak wytwarzania ciepła jest sprzeczny z biologiczną teorią molekularną dotyczącą impulsu elektrycznego wytwarzanego przez procesy chemiczne, mówi Heimburg, który jest współautorem nowego badania z fizykiem teoretycznym z Uniwersytetu Kopenhaskiego, Andrew Jacksonem.
Zamiast tego impulsy nerwowe można wyjaśnić znacznie prościej jako mechaniczne impulsy dźwięku, argumentują Heimburg i Jackson. Ich pomysł zostanie opublikowany w Biophysical Journal .
Zwykle dźwięk rozchodzi się jako fala, która rozprzestrzenia się i staje się coraz słabsza. Jednak w pewnych warunkach dźwięk może przemieszczać się bez rozprzestrzeniania się i dlatego zachowuje swoją intensywność.
Lipidy w błonie nerwowej są podobne do oliwy z oliwek - wyjaśniają naukowcy. Membrana ma punkt zamarzania, który jest precyzyjnie dostosowany do propagacji tych skoncentrowanych impulsów dźwiękowych [grafika].
Eckenhoff nie jest jednak przekonany.
„Trudno jest wytłumaczyć ogromną liczbę rzeczywistych zapisów elektrycznych w komórce, tkance i całym zwierzęciu jako swego rodzaju artefakt” - powiedział Eckenhoff dla LiveScience. „I nie mogę łatwo określić, w jaki sposób dźwięk może być generowany”.
Wyjaśnienie znieczulenia
Pomysł Heimburga i Jacksona, gdyby okazał się prawdziwy, mógłby mieć wpływ na środki znieczulające , kolejny tajemniczy proces.
Co dziwne, naukowcy nie rozumieją dokładnie, co się dzieje, gdy pacjent jest znieczulony. Chociaż celem środka znieczulającego jest zapobieganie odczuwaniu bólu przez mózg , mogą one wpływać na częstość akcji serca i oddychanie pacjenta. Zatem lepsze zrozumienie tego, jak to wszystko działa, pozwoliłoby na opracowanie lepszych leków.
Badacze nie wiedzą, że odpowiednie dawki eteru, gaz rozweselający, chloroform i inne środki znieczulające są oparte na ich rozpuszczalności w oleju z oliwek. Ale sposób, w jaki nerwy są wyłączone, pozostaje tajemnicą.
Heimburg i Jackson oferują wyjaśnienie.
Mówią, że jeśli nerw ma być zdolny do przenoszenia impulsów dźwiękowych, to temperatura topnienia jego błony musi być zbliżona do temperatury ciała. Wnioskują, że środki znieczulające zmieniają temperaturę topnienia, tak że impulsy dźwiękowe nie mogą się rozprzestrzeniać. Nerwy są odstawiane w stan gotowości, a pacjent nie czuje, jak nóż wbija się w jego ciało.
Chociaż Eckenhoff przyznaje, że jest wiele do nauczenia się, spodziewa się, że dokładne efekty znieczulenia zostaną ostatecznie wyjaśnione przez integrację obecnych teorii, a nie przez zastosowanie nowej idei impulsów dźwiękowych.
oraz tekst artykułu -świat nauki sierpień 2018 "Nowe Spojrzenie"
Brain Cells Communicate with Mechanical Pulses, Not Electric Signals
April 11, 2018 — Douglas Fox
Komórki mózgowe komunikują się za pomocą impulsów mechanicznych, a nie sygnałów elektrycznych
Fizycy, którzy wrócili do eksperymentów sprzed 50 lat, twierdzą, że komórki nerwowe komunikują się impulsami mechanicznymi, a nie elektrycznymi
Mloda kobieta z falującymi brązowymi włosami i ciemnoczerwony-
mi paznokciami leżała na łóżku w sali szpitalnej w Kopenhadze.
Jej wyprostowana lewa ręka była podłączona do elektrod. Co kilka
sekund powietrze przeszywał trzask - impuls elektryczny. Za każ-
dym razem jej palce drgały a na twarzy pojawiał się grymas. Tego
dnia miała być poddana setkom takich impulsów.
Kobieta, otoczona przez kilku lekarzy w fartuchach labora-
toryjnych, użyczyła swojej ręki do eksperymentu za 1000 koron
duńskich, czyli około 600 zl. Thomas Heimburg, lekarz prze-
szkolony w zakresie mechaniki kwantowej i biofizyki, siedział
w bezpiecznej odległości na stołku, szkicując na iPadzie szcze-
góły nieprzyjemnego eksperymentu, który miał zgodnie z jego
nadziejami przynieść doniosłe skutki.
Lekarze wstrzykiwali w rękę kobiety środek znieczulający,
łidokaine. w dawce tak dużej, że wystarczyłaby do znieczulenia
kończyny do operacji. Początkowo nerwy reki nie reagowały
na impulsy. Jednak badacze stopniowo podkręcali prąd. W tej
chwili wstrząsy miały po 40 mA, niemal 10-krotnie więcej niż
na początku - co mniej więcej odpowiada natężeniu prądu elek-
trycznego przepływającego przez pięciowatową żarówkę.
Trzask - i kolejny wstrząs. Ręka kobiety drgnęła niczym
konający wąż. Heimburg. wpatrujący się w monitor komputera na
ścianie, nie zwrócił na to uwagi. Fala przedstawiająca sygnał
elektryczny w mięśniu i nerwic ręki przemknęła przez ekran
w postaci pojedynczej wysokiej iglicy - stanowiącej dowód na
to, że wstrząsy o narastającej wielkości zaczęły pokonywać dzia-
łanie znieczulenia. Nerw byl teraz pobudzany równie mocno,
jak przed podaniem kobiecie znieczulenia. Heimburg byl zado-
wolony. „To. co się tu dzieje - powiedział cicho - jest sprzeczne
z tym. co jest opisane w książkach"
Heimburg. który pracuje w Niels Bohr Institutet w Kopenha-
dze, znanym z badań w zakresie fizyki, ma nadzieję, że uda mu
się zaprzeczyć wielu twierdzeniom zapisanym w podręcznikach.
Ten eksperyment, który obserwowałem w grudniu 2011 roku,
mial na celu wyjaśnienie dawnej medycznej zagadki.
Lekarze stosują znieczulenie ogólne od 170 lat. Odkryli dzie-
siątki skutecznych związków. Leki te, podawane w rosnących
dawkach, wygaszają funkcje nerwów w organizmie i mózgu za-
wsze w tym samym, ściśle określonym porządku: najpierw po-
wstawanie wspomnień, następnie czucie bólu, wreszcie świado-
mość i ostatecznie oddychanie.
Ta sama kolejność powtarza się u wszystkich zwierząt, od lu-
dzi po muchy. Mimo to nikt nie wie, jak właściwie działa znie-
czulenie. Struktury cząsteczkowe podtlenku azotu, eteru, scwo-
fluranu i ksenonu różnią się od siebie tak bardzo, że jest mało
prawdopodobne, aby dawały ten sam efekt na skutek wiązania
z odpowiednimi białkami w komórkach, jak to się dzieje w przy-
padku innych leków.
Heimburg uważa, że środki znieczulające działają w całkowicie
odmienny sposób: zmieniając właściwości mechaniczne nerwów.
Jeśli to prawda, oznacza to, że komórki nerwowe, czyli neurony
znajdujące się w mózgu i w całym ciele, to urządzenia mechanicz-
ne, nie zaś obwody elektryczne, jak sądzili przez dziesięciolecia na-
ukowo1. Zdaniem Heimburga impulsy elektryczne to jedynie efekt
uboczny fizycznej fali uderzeniowej, która rozchodzi się wzdłuż
nerwu w sposób podobny do przenoszenia fal dźwiękowych. Uwa-
ża on, że środki znieczulające wyciszają nerwy, wnikając w tłusz-
czowe błony, które otaczają włókna nerwowe, i sprawiając że sta-
ją się one zbyt miękkie, aby przewodzić fale uderzeniowe - tak jak
struna gitary, która jest zbyt luźna, aby zadźwięczeć.
Kiedy obserwowałem ten eksperyment, kusiło mnie, aby
uznać Heimburga za niegodnego uwagi szaleńca. Jednak w cią-
gu kolejnych siedmiu lat zgromadził on wraz ze współpracowni-
kami liczne obserwacje: pomiary przemieszczania się fal mecha-
nicznych przez poszczególne komórki nerwowe oraz wielkości
i szybkości poszerzania i kurczenia się blon, jak również wyniki
badań dowodzące, w jaki sposób środki znieczulające modyfiku-
ją te właściwości. Zaczynają się tym interesować inni naukowcy.
Obecnie Heimburg przygotowuje kluczowy eksperyment, który
może okazać się rozstrzygający: będzie mierzył ilość ciepła, ja-
kie emituje pojedyncza komórka nerwowa w momencie, kiedy
przebiega przez nią impuls.
Badania Heimburga dowodzą, że impuls nerwowy jest bar-
dziej złożony, niż może to się wydawać większości biologów.
Komponenty mechaniczne mogły pozostawać niezauważone na
skutek przypadku: 50 lat temu dostępne w sprzedaży narzędzia
pozwalały bez trudu mierzyć maleńkie impulsy elektryczne w
neuronach, nic mierzyły jednak impulsów mechanicznych.
Ograniczenia sprzętowe wpłynęły na odkrycia, jakich dokonywali naukowcy,
i na to. jakie hipotezy trafiły do głównej myśli naukowej.
Doświadczenia Heimburga ożywiają naukowy spór, liczący sobie
wiele dziesięcioleci.
Historia mechanicznych neuronów to lekcja dla
wszystkich dziedzin nauki, dotycząca braku obiektywizmu i przypadków.
Może również zmienić podstawy naszej wiedzy na temat nerwów, mózgu
i inteligencji. Naukowcy usiłowali wyjaśnić, w jaki sposób mózg realizuje
tak trudne zadania, jak rozpoznawanie twarzy czy konwersacja,
opierając się na białkach w neuronach, które wykazują szum elektryczny
nie są niezawodne. Heimburg pokazuje, jak fale mechaniczne
mogą kompensować len szum. Jeśli teoria ta się potwierdzi,
będzie mógł napisać biologię na nowo. Ale może po prostu nic mieć racji.
ROZGRZANE NERWY
IMPULS NERWOWY, który naukowcy próbują od tak
dawna wyjaśnić, trwa zaledwie chwilę. Jeśli nadepniesz
na pinezkę, twój mózg poczuje ból w ułamku sekundy. Sygnał
wędruje wzdłuż włókien nerwowych z prędkością do 30 m/s.
Włókna przypominają maleńkie, puste w środku rurki, cień-
sze od włosa. Ścianę rurki tworzy oleista błona komórkowa. Po
wewnętrznej i zewnętrznej stronie błony dryfują naładowane
elektrycznie atomy sodu i potasu, nazywane jonami. W polowie
XX wieku naukowcy potrafili wbijać do komórek nerwowych
elektrody, które monitorowały napięcie na poziomie błony ko-
mórkowej. Odkryli, że kiedy impuls nerwowy wędruje wzdłuż
błony i mija elektrodę, na kilka tysięcznych sekundy napięcie
gwałtownie wzrasta. W roku 1952 dwóch brytyjskich naukowców.
Alan Hodgkin i Andrew Huxley, napisało, że do tego skoku do-
chodzi, kiedy jony sodowe przechodzą przez błonę z zewnątrz do
wewnątrz. Następnie, kiedy jony potasu przechodzą przez błonę
ze środka na zewnątrz, napięcie ulega odwróceniu. Model Hodg-
kina-lluxlcya stał się fundamentem współczesnej neurofizjologii.
Hodgkin i Huxley otrzymali w 1963 roku Nagrodę Nobla.
Jednak kilkoro naukowców nadal dokonywało obserwacji, które
kwestionowały ten model. Te obserwacje powtórzył Heimburg.
pomimo że niektórzy z tych badaczy zostali zdyskredytowani.
Jednym z nich byl Ichiji Tasaki, przez wiele lat starszy neu-
robiolog w National Institulcs of Health. W roku 1979 przepro-
wadził niekonwencjonalne doświadczenie. Patrząc przez mikro-
skop, ostrożnie umieścił drobinkę lśniącej platyny na cienkim
białym wlókienku - wiązce włókien nerwowych kraba, odsło-
niętych przez rozcięcie nogi zwierzęcia - po czym skierował na
platynę laser Mierząc odbicie światła lasera, mógł wykrywać
ruch. wskazujący na szybkie poszerzanie i zwężanie pęczka ner-
wowego w trakcie przechodzenia impulsu elektrycznego. Wraz
I Kunihiko Iwasą. odbywającym staż podoktorski. dokonał se-
tek pomiarów. Po tygodniu odpowiedz była jednoznaczna: za
każdym razem, kiedy przez włókna nerwowe przechodził im-
puls, ulegały one szybkiemu poszerzeniu, a następnie ponownie
zwężeniu. Trwalo to kilka tysięcznych sekundy.
Ta fala była maleńka: powierzchnia błony unosiła się jedynnie
o około siedem miliardowych metra. Jednak idealnie nakład
się na przebiegający impuls elektryczny, potwierdzając podejrzenie
jakie Tasaki żywił przez lata: że Hodgkin i Huxley się mylili.
Już w latach 40. naukowcy zaobserwowali, że kiedy impuls
elektryczny przebiega wzdłuż włókna nerwowego, przezroczysta
komórka staje się mniej przezierna. Do roku 1968 Tasaki i inni
badacze uzyskali dowody sugerujące, że w chwili nadejścia im-
pulsu cząsteczki w błonie zmieniają swój fizyczny układ, po czym
po przejściu impulsu wracają do wcześniejszej konfiguracji.
Dodatkowo było jeszcze ciepło. Naukowcy oczekiwali, że im-
puls elektryczny będzie powodował wydzielanie ciepła - co jest
typowe dla przepływu elektryczności. Jednak kilka zespołów
odkryło coś dziwnego. Temperatura włókna nerwowego wzra-
stała o kilka milionowych stopnia Celsjusza w chwili przebiega-
nia impulsu, jednak po jego przejściu bardzo szybko ponownie
spadała. Ciepło nie ulegało rozproszeniu, ale w większości było
pochłaniane przez nerw, co trwało również kilka tysięcznych se-
kundy.
Tasaki na podstawie krótkotrwałego poszerzania, zmiany
ustawienia cząsteczek oraz ogrzewania i schładzania wysunął
zaskakujący wniosek: sygnał nerwowy nie byl jedynie impul-
sem elektrycznym, ale był to w tym samym stopniu impuls mechaniczny.
Naukowcy, którzy badali nerwy za pomocą elektrod, widzieli jedynie
fragment obrazu.
Tasaki poświęcił resztę życia na badanie tych efektów. Do-
szedł do przekonania, że ich źródłem nie była błona komórkowa,
ale warstwa białkowych i węglowodanowych wlókienek. znaj-
dująca się bezpośrednio pod nią. Zgodnie z jego teorią w chwili
nadejścia impulsu elektrycznego wlókienka te absorbują jony
potasu i wodę. w efekcie puchnąc i rozgrzewając się - proces ten
ulega samoczynnemu cofnięciu po przejściu impulsu.
W miarę jak Tasaki realizował swoje pomysł, stopniowo
oddalał się od swojego środowiska. Przeciwko niemu działały
również inne czynniki. Dorastał w Japonii, mówił więc nienatu-
ralnym angielskim. "Trzeba było bardzo dużej wiedzy, aby móc
z nim naprawdę rzeczowo porozmawiać - mówi Peter Rasscr.
dyrektor sekcji NIH poświęconej neurobiołogii, który znal Tasakiego
przez 20 lat. - Myślę też, że wiele osób nie uważało go za
tak wnikliwego i spostrzegawczego, jakim byl w rzeczywistości".
Ponadto chociaż Tasaki współpracował z innymi badaczami, nie
miał wychowanków, którzy rozpowszechniliby jego pomysły.
Znamienna dla tej schizmy była rywalizacja pomiędzy Tasa-
kim i innym prominentnym neurobiologiem z NIH, Kennethem
Colem, który hołdował ogólnie przyjętej teorii. Chociaż tych
dwóch mężczyzn od lat 50. do lat 70. pracowało w laboratoriach
w tym samym budynku, przez 15 lat praktycznie ze sobą nie roz-
mawiali, nie licząc publicznych prezentacji, kiedy jeden podważał
autorytet drugiego, wstając na widowni i zadając podchwytliwe pytania.
Tasaki zrezygnował z laboratorium podczas reorganizacji
NIH w roku 1997 i przeniósł się do niewielkiego pomieszczenia
w laboratorium Bassera. Pracował dalej siedem dni w tygodniu,
długo po ukończeniu 90. roku życia. Pewnego grudniowego
dnia 2008 roku, spacerując w pobliżu domu, stracił równowagę
i uderzył głową w ziemię. Zmarł tydzień później w wieku 98 lat.
Jednak już wcześniej zniknął z pola widzenia. „Myślę, że nikt
nie kwestionował jego obserwacji, ponieważ cieszył się szacun-
kiem w laboratorium" - powiedział Adrian Parsegian, biofi-
zyk z University of Massachusetts w Amherst, pracownik NIH
w lalach 1967-2009. Odkrycia, jakich dokonał Tasaki, „uznawa-
no raczej za mało istotne" w kwestii przekazywania sygnałów
nerwowych - zaledwie za efekt uboczny impulsu elektrycznego.
Na bardziej podstawowe pytania „nie udzielono odpowiedzi -
stwierdził. - Jeden pogląd trafił do podręczników, drugi nie".
PŁYNNE TŁUSZCZE STAJĄ SIĘ KRYSZTAŁAMI
HEIMBURG NATKNĄŁ SIĘ NA badania, które prowadził Tasaki
w połowie łat 80., kiedy pracował nad swoim doktoratem
w Max-Planck-Institut fur biophysikalische Chemie w Getyndze.
Nie minęło wiele czasu, nim zaczął spędzać długie godziny w bi-
bliotece, ślęcząc nad starymi artykułami. Ostatecznie połączył
kropki w inny sposób niż Tasaki. Uważał, że fala mechaniczna,
zmiany optyczne i przejściowe ciepło muszą zachodzić w tłusz-
czowej błonie komórkowej nerwów, zlokalizowanych w mózgu
i w całym organizmie, nie we wlókienkach białkowych i węglo-
wodanowych poniżej błony, jak uważał Tasaki.
Pod koniec lat 90. zaczął prowadzić swoje własne ekspery-
menty, ściskając sztuczne błony komórkowe, aby zobaczyć, jak
mogłyby reagować na sztuczną falę uderzeniową, Te prace ujaw-
niły coś bardzo ważnego: oleiste cząsteczki lipidów, tworzących
błonę, są zwykle płynne i ustawione w sposób losowy, ale są
bliskie tego, co chemicy nazywają przemianą fazową. Wystar-
czy trochę ścisnąć błonę, a lipidy ulegną kondensacji do wysoce
uporządkowanego ciekłego kryształu.
Te eksperymenty doprowadziły Heimburga do stwierdzenia,
że impuls nerwowy jest mechaniczną falą uderzeniową, która
przemieszcza się wzdłuż błony komórki nerwowej. Fala ta
w miarę wędrowania powinna ściskać cząsteczki lipidów w błonie
do postaci ciekłego kryształu - ta zmiana fazy powoduje
uwolnienie niewielkiej ilości ciepła, tak samo jak to się dzieje
podczas zamarzania wody. Następnie, kiedy cala fala uderzenio-
wa przejdzie dalej, kilka tysięcznych sekundy później błona wra-
ca do stanu płynnego, ponownie pochłaniając ciepło. Ta krótka
przemiana do ciekłego kryształu i z powrotem powoduje również
krótkotrwale poszerzenie błony - dokładnie to obserwowali
Tasaki i Iwasa, kiedy świecili laserem na swój platynowy pyłek.
Eksperymenty Heimburga stanowiły kluczowy krok naprzód.
Wskazały one na możliwe powiązanie pomiędzy falą uderzenio-
wą i przemianą fazową a skokiem napięcia, do którego dochodzi
w chwili przechodzenia impulsu. Heimburg stwierdził, że może
wprowadzić błonę w postać ciekłego kryształu poprzez samo
tylko przyłożenie do niej napięcia. „Ludzie przykładali napięcie
do blon biologicznych od około 70 lat, ale żaden z tych elektro-
fizjologów nigdy nie szukał struktury ciekłego kryształu" - powiedział.
Wykresy w podręcznikach przedstawiają błony komórkowe
jako cienkie, pasywne warstwy izolacyjne, otaczające przewody
włókien nerwowych. Jednak fizycy zaczynają dostrzegać, że
błony komórkowe mają zaskakujące właściwości. Należą one
do klasy materiałów nazywanych piezoelektrykami - zdolnych
do przekształcania sil mechanicznych w elektryczne i na od-
wrót. Z wykorzystaniem tej zasady działają zegarki kwarcowe.
Oznacza to, że impuls elektryczny, wędrujący wzdłuż błony,
niesie ze sobą falę mechaniczną. I na odwrót, fala mechanicz-
na, wędrująca wzdłuż błony, objawia się w postaci impulsu
elektrycznego.
Kiedy Heimburg i jego współpracownik, Andrew D. Jackson,
po raz pierwszy publikowali tę teorię w 2005 roku, nie obser-
wowali jeszcze tych impulsów elektromechanicznych w akcji.
Jeden z dawnych uczniów Heimburga wypełnił tę lukę. W ro-
ku 2009 Matthias Schneider - biofizyk, pracujący obecnie na
Technische Universität Dortmund w Niemczech - ogłosił, że
udało mu się wywołać falę mechaniczną poprzez przyłożenie
impulsu elektrycznego do sztucznej błony. Siła tego impulsu
była podobna do obserwowanej w komórkach nerwowych. Fala
uderzeniowa wędrowała z prędkością około 50 m/s, zbliżoną do
prędkości, z jaką sygnały wyzwolone przez pinezkę pędzą ze sto-
py do mózgu. Badania, jakie Schneider prowadził do 2012 roku,
potwierdziły, że ta sama fala, biegnąca przez błonę, składa się
z impulsów mechanicznych i elektrycznych.
Jednak jego najważniejsze odkrycie pochodzi z 2014 roku.
Kluczową cechą impulsu nerwowego jest to, że ma on charakter
zero-jedynkowy. Kiedy neuron odbierze słaby impuls przycho-
dzący, nie wyzwoli impulsu elektrycznego. Jeśli pobudzenie jest
dostatecznie silne, wyzwoli reakcję. „Jest pewien próg" - mówi
Schneider. Zaobserwował, że fale elektromechaniczne, wystę-
pujące na jego sztucznych błonach, rzeczywiście miały charak-
ter zero-jedynkowy. Decydującym czynnikiem wydawało się to,
czy błona została ściśnięta dostatecznie mocno, aby wymusić
jej przejście do postaci ciekłego kryształu. Jego zdaniem tylko
wówczas „uzyskujemy impuls".
WYTŁUMACZENIE DZIAŁANIA ZNIECZULENIA
DLACZEGO HEIMBURG zainteresował sie w ogóle tym spojrze-
niem na nerwy i znieczulenie? Mając nadzieję na znalezienie
odpowiedzi na to pytanie, odwiedziłem go w jego biurze w Niels
Bohr Inslitutet w tym samym tygodniu, kiedy byłem świadkiem
szpitalnego eksperymentu.
Heimburg miał biblioteczkę typową dla fizyka, nie biologa -
pełną tomów nieżyjących już niemieckich fizyków. Wśród nich
znajdował się rząd oprawionych w płótno książek Hermanna
von Helmholtza, który w polowie XIX wieku sformułował klu-
czową zasadę termodynamiki, zgodnie z którą energia może
zmieniać postać, nie można jednak ani jej stworzyć, ani znisz-
czyć. Nawiasem mówiąc, Helmholtz również mierzył prędkość
impulsów nerwowych. „Myślę, że należy koniecznie czytać te sta-
re teksty" - powiedział Heimburg. Odzwierciedlają one stopnio-
we odkrywanie fundamentalnych powiązań pomiędzy energią,
temperaturą, ciśnieniem, napięciem i przemianami fazowymi.
Te zasady leżą u podłoża hipotez Heimburga, dotyczących funk-
cjonowania nerwów, hipotez fizyka, który zagłębia się w inną
dziedzinę nauki. „Termodynamika to najgłębsze ze źródeł wie-
dzy - powiedział. - Jeśli znasz termodynamikę, jesteś mądry".
........................
opisy w tabelce
Dominująca hipoteza: impuls elektryczny
W podejściu konwencjonalnym sygnał nerwowy jest
przekazywany przez błonę, która tworzy zewnętrza
ścianę aksonu. Błona ta składa się z cząsteczek
lipidów. Kanały w warstwie lipidowej na chwilę
się otwierają, pozwalając na przepływ jonów sodu
i potasu (naładowanych atomów) przez błonę, po
czym się zamykają, ustępujące otwieranie się
i zamykanie kanałów wzdłuż aksonu tworzy
wędrujący impuls napięcia.
W jaki sposób nerwy przesyłają sygnały?
Przez dziesięciolecia naukowcy lansowali standardo-
we wyjaśnienie lego, w jaki sposób komórki nerwowe
(neurony) przekazują sygnały w mózgu i w organi-
zmie; każda wiadomość jest przenoszona w postaci
impulsu elektrycznego, który wędruje wzdłuż długie-
go aksonu kornodu. przeskakując na kolejny neuron.
Jednak obecnie pewna grupa fizyków, którzy prowa-
dzą nietypowe badania na funkcjonujących komór-
kach, twierdzi, że ten sygnał jest w rzeczywistości
impulsem mechanicznym, który przemieszcza się
wzdłuż aksonu - podobnie do fali dźwiękowej czy sej-
smicznej. Niektórzy badacze uważają, że ewentualny
impuls mechaniczny to tylko efekt uboczny impulsu
elektrycznego. Wyjaśnienie tych sporów mogłoby
zn^woJucjonizować wiedzę na temat tego, jak działa
mózg.
Nowy pogląd: fala mechaniczna
Zgodnie z nową teorią sygnał nerwowy jest
przekazywany przez błonę aksonu ale dzieje się to w formie
fali uderzeniowej, przemieszczacej się wzdłuż aksonu.
Front fali posuwane się naprzód, ściska cząsteczki tłuszczów,
na krótko przekształcając je z formy cieczy do ciekłego kryształu i sprawiając, że wybrzuszają się i uwalniają ciepła.
W miarę przechodzenia fali cząsteczki te powracają do
postaci płynnej, zwężając się i ponownie pochłaniając ciepło.
..................
Szybko wskazał słabości popularnych wyjaśnień dotyczących
znieczuleń. Biolodzy uważają, że znieczulenie wycisza nerwy,
wiążąc się z nimi i blokując w ten sposób kanały jonowe - za-
stawki w błonach komórek nerwowych, które otwierają się i za-
mykają, pozwalając na przepływ jonów sodu i potasu. Biolodzy
twierdzą, że przepływ jonów prowadzi do wędrówki impulsu
wzdłuż włókna nerwowego - co powszechnie przedstawia się
jako sygnał elektryczny. Jednak ponieważ różne środki znieczu-
lające bardzo różnią się pod względem struktury molekularnej,
Heimburg nie chciał uwierzyć, aby wszystkie mogły wiązać się
z kanałami jonowymi. To wyjaśnienie było „całkowicie bez sen-
su", powiedział z nutką frustracji, tak jakby wskazywał na coś,
co powinno być oczywiste. Musi tam działać coś „bardziej pod-
stawowego, na niższym poziomie".
Hipotezy Heimburga zostały częściowo ukształtowane przez
stary tom pod tytułem Studien itber die Narkose, czyli „Studia
nad narkozą", wydany przez Ernesta Overtona w roku 1901.
Przywołano tam pewien eksperyment, który przykuł jego uwa-
gę. Overton zgromadził dziesiątki różnych substancji znieczu-
lających i każdą z nich umieścił w fiolce z wodą, na powierzch-
ni której unosiła się warstwa oliwy. Potrząsał każdą fiolką, po
czym czekał, aż woda i oliwa się ponownie rozdzielą. Mierzył,
jaka część każdego leku znalazła się ostatecznie w oliwie, a ja-
ka w wodzie. Im skuteczniej dany związek działał jako środek
znieczulający u zwierząt, w tym większym stopniu przechodził
do warstwy oliwy. Ten zaskakujący wynik potwierdziła później
współczesna anestezjologia. Oliwa i błony komórkowe są zbu-
dowane z takich samych oleistych cząsteczek, tak zwanych kwa-
sów tłuszczowych. Heimburg przypuszczał, że leki mogą działać
rozpuszczając się w błonach komórkowych i zmieniając ich wla-
ściwosci fizyczne.
Doświadczenia z błonami syntetycznymi potwierdzają tę
hipotezę. Kiedy Heimburg wprowadza w błonę środek znie-
czulający, zapobiega to przemianie tłuszczu tworzącego błonę
w ciekły kryształ. Dzieje się tak poprzez obniżenie temperatury
(i zwiększenie ciśnienia), przy jakich dochodzi do przemiany fa-
zowej z lipidów płynnych do krystalicznych - tak samo jak sól
czy cukier obniżają temperaturę zamarzania wody.
Heimburg uznał, że zapobiegając tej przemianie w błonie,
powstrzyma wędrówkę impulsu wzdłuż włókna nerwowego, co
tłumaczyłoby, dlaczego środek znieczulający wyłącza nerwy. Po-
nadto, co ważne, przewidywał, że efekt ten powinno udać się
przezwyciężyć. W celu uzyskania wyższego ciśnienia, prowa-
dzącego do usztywnienia błony za pomocą impulsu elektrycz-
nego, należy zwiększyć natężenie prądu - dokładnie tak, jak to
robili lekarze w obrębie ręki kobiety w szpitalu w Kopenhadze.
I rzeczywiście, mocniejsze impulsy elektryczne przezwyciężały
działanie środka znieczulającego. Skoro można przezwyciężyć
znieczulenie poprzez mocniejsze działanie na błonę impulsami
elektrycznymi, jego działanie powinno móc także być odwró-
cone poprzez zwiększenie fizycznego nacisku na błonę. Biolo-
dzy udowodnili to już w 1942 roku. Używali oni dwóch różnych
środków znieczulających, etanolu i uretanu, upajając nimi kijanki
tak długo, aż przestawały pływać. Następnie naukowcy
umieszczali zwierzęta w komorze hiperbarycznej i podnosili
ciśnienie do poziomu 136-krotnie wyższego niż ciśnienie at-
mosferyczne. Efekt znieczulenia znikał: kijanki znów zaczynały
pływać. Kiedy ciśnienie obniżano, zwierzęta znów padały bez
ruchu. „To bardzo zaskakujące - powiedział Heimburg z uśmie-
chem. - Jak można wpaść na pomysł, aby poddawać pijane ki-
janki zwiększonemu ciśnieniu?"
NIEAKCEPTOWANA DEBATA
Heimburg JEST do dziś sfrustrowany z powodu tego, jak biolo-
dzy reagują na jego hipotezy, które sam określa teorią solitonu
(soliton to samopodtrzymująca się fala, która przenosi się, za-
chowując swój kształt). Natrafia na opór od chwili, kiedy opu-
blikował swoją teorię w 2005 roku w czasopiśmie Proceedings
ofthe National Academy of Sciences USA, pomimo że jest to wy-
dawnictwo cieszące się dużym uznaniem.
Jedna z krytykujących go osób, Catherine Morris, wybitna
emerytowana neurobiolog z Ottawa Hospital Research Insti-
tute, powiedziała mi, że z całej tej pracy zionie wyższość fizy-
ka, któremu wydaje się, że może po prostu wkroczyć na inne
pole i wszystko ludziom wytłumaczyć. Podsumowuje to swoim
ulubionym powiedzeniem: „To uderzające, jeśli się weźmie pod
uwagę sposób działania fizyków, kiedy mówią 'Załóżmy, w przy-
bliżeniu, że ta krowa jest pojedynczym punktem'".
Reakcja Morris jest do pewnego stopnia zrozumiała. Czym
innym jest stwierdzenie, że nerwy mają jednocześnie charak-
ter mechaniczny, jak i elektryczny. Zupełnie czymś innym jest
jednak odrzucenie założenia, zgodnie z którym kanały jonowe
odgrywają rolę w przewodnictwie nerwowym - tak jak to ro-
bią Heimburg i Schneider w swojej największej i najbardziej
problematycznej ucieczce od głównego nurtu biologii. Mniejsza
z tym, że naukowcy odkryli setki białek kanałów jonowych. Lub
że istnieje możliwość wybiórczej modyfikacji przepływu jonów
przez leki. Lub wprowadzania mutacji do białek, zmieniających
sposób pobudzania neuronów. „Oni po prostu beztrosko zigno-
rowali znaczną część biologii" - mówi Morris, która poświęciła
30 lat na badania białek kanałów jonowych.
Heimburg i Schneider przyznają, że te białka muszą pełnić ja-
kąś funkcję. Jednak wskazują na eksperymenty - niektóre z nich
zostały przeprowadzone przez Heimburga - dowodzące, że jony
mogą przepływać poprzez sztuczne błony nawet bez obecności
białek kanałów. Wiążą oni ten przepływ z tymczasowymi otwo-
rami, jakie pojawiają się w momencie, kiedy błona przechodzi
między fazą płynną i fazą ciekłego kryształu. Ich zdaniem to
właśnie dzieje się w nerwach w mózgu i reszcie ciała.
Ich sceptycyzm odzwierciedla tendencję, występującą w fizy-
ce: przekonanie, że wszystko powinno dać się wyjaśnić za pomocą
praw termodynamiki. Zdaniem fizyków biolodzy zapominali o tych
prawach, koncentrując się na białkach. Podobny typ purytanizmu
mógł doprowadzić do ostatecznego odrzucenia teorii Tasakiego.
„Nie lubił określenia 'kanały jonowe'" - powiedział Iwasa, który
kiedyś odbywał u Tasakiego staż podoktorski, kiedy rozmawiali-
śmy pod koniec 2017 roku. Ten obrazoburczy pogląd mógł popro-
wadzić Tasakiego do odkrycia rzeczy, których inni nie zauważyli,
stwierdził, „ale w późniejszym czasie mogło mu to nie pomagać".
Brian Salzberg się z tym zgadza. Studiuje fizykę nerwów na
University of Pennsylvania, a swoją karierę neurobiologiczną
rozpoczął w 1971 roku, czasami spotykając po drodze Tasakiego.
„Był bardzo inteligentnym eksperymentatorem i nie mam
wątpliwości, że mierzył faktyczne zmiany grubości nerwów -
powiedział Salzberg na początku tego roku. - Jednak nieprawi-
dłowo je interpretował". Salzberg twierdzi, że włókna nerwowe
tymczasowo zwiększają swoją grubość w chwili przechodzenia
impulsu elektrycznego częściowo na skutek napływu cząsteczek
wody do błony, co odbywa sie przez te same kanały jonowe, któ-
re wpuszczają sód, a następnie jej wypływania przez kanały jo-
nowe, które wypuszczają na zewnątrz potas. Gdyby Tasaki przy-
jął hipotezę o istnieniu kanałów jonowych, mógłby być gotowy
na inne interpretacje fali mechanicznej.
Byl jednak także inny potężny czynnik, który mógł przyczynić
się do zmarginalizowania Tasakiego - co stanowi ważną
lekcję dla całej współczesnej nauki.
IDEOLODZY
TO INTRYGUJĄCE, że energia cieplna pobudzonego nerwu może
być dwukrotnie większa niż energia sygnału elektrycznego, któ-
ry zdominował neurobiologie. Fakt, że te nieelektryczne zjawiska
przestały budzić zainteresowanie, może wynikać częściowo
z kaprysu historii.
Tasaki byl utalentowanym konstruktorem urządzeń, który
swoją naukową karierę zaczynał w Tokio w czasie II wojny świa-
towej. Mierząc się z niedostatkiem wielu narzędzi, musiał sam
montować własne urządzenia z tego, co było pod ręką. Wiele lat
później w Stanach Zjednoczonych wykorzystywał te umiejętno-
ści do budowy wyjątkowych, unikatowych narzędzi, które mie-
rzyły ciepło lub chwilowe powiększanie się komórek nerwowych.
Ani tymi urządzeniami, ani doświadczeniem Tasakiego świat
naukowy nigdy się nie zainteresował. Inaczej było z pomiarami
sygnału elektrycznego w nerwach. Badacze opracowywali me-
tody łatwe do powtórzenia, takie jak wprowadzanie maleńkich
elektrod w błonę komórkową. W miarę jak te techniki się upo-
wszechniały, wraz z nimi wędrował pogląd na elektryczny cha-
rakter sygnałów nerwowych. „To wina ludzkiej psychiki - dodał
Parsegian. - Prowadzimy badania z użyciem narzędzia, którego
zasady działania, jak nam się wydaje, rozumiemy, nie używamy
tych, których działanie jest dla nas tajemnicze. To mogło wpły-
nąć na sposób myślenia".
Dziś luki techniczne zaczynają zanikać. W latach 2011-2018,
kiedy kontaktowałem się z Heimburgiem, stopniowo powtarzał
jeden stary eksperyment za drugim, wykorzystując nowoczesne
techniki w celu wyjaśnienia zaskakujących obserwacji, jakie po-
czynili po raz pierwszy Tasaki i inni naukowcy kilkadziesiąt lat
temu. W roku 2014 Heimburg ponownie przeprowadził ekspery-
ment z pijanymi kijankami, używając zamiast zwierząt syntetycz-
nych blon: kiedy zwiększał ciśnienie do 160 atmosfer, działanie
środka znieczulającego ulegało odwróceniu, tyle że tym razem
Heimburg mógł powiązać ten efekt bezpośrednio z przemianami
fazowymi w błonie. W roku 2016 z użyciem mikroskopu precy-
zyjnie zmierzył w pojedynczej komórce falę mechaniczną, którą
Tasaki i Iwasa po raz pierwszy udokumentowali w 1979 roku.
Heimburg, który obecnie ma 58 lat, szuka funduszy na ekspe-
ryment, który może okazać się najbardziej przełomowy: pomiar
ciepła w chwili, kiedy przechodzi impuls nerwowy, czyli poten-
cjał czynnościowy. Tasaki mierzył ciepło pochodzące z wiązek
włókien, jednak Heimburg planuje wykorzystać mikrochip, któ-
ry będzie mierzył skok ciepła dla pojedynczego neuronu. Ten
eksperyment może odpowiedzieć na główny zarzut stawiany je-
go teorii: że szybka przemiana fazowa błony komórki nerwowej
z postaci płynnej do krystalicznej powinna powodować uwol-
nienie i ponowne pochłonięcie większej ilości ciepła, niż kiedy-
kolwiek zaobserwował Tasaki. Heimburg twierdzi, że w tych sta-
rych eksperymentach regularnie zaniżano ilość ciepła - jako że
mierzono wiele neuronów, ponowna absorpcja ciepła po pierw-
szych impulsach zmniejszała ilość ciepła uwalnianego w efekcie
późniejszych impulsów. „Rzeczywisty sygnał jest prawdopodob-
nie znacznie silniejszy" - powiedział mi pod koniec 2017 roku.
Jeśli jego pomiary się powiodą, może to stanowić poparcie dla
jego hipotezy, że błona przenosi fale mechaniczne.
A co chyba najbardziej znaczące, dołączają kolejni naukowcy
- outsiderzy, którzy maja świeże spojrzeme. Nongijan Tao,
inżynier bioczujników z Arizona Slate University, wykorzystuje
lasery do śledzenia impulsów mechanicznych w pojedynczych
komórkach nerwowych - tak jak to robili Tasaki i Iwasa. Tyle że
Tao oświetla bezpośrednio nerw, nie zaś maleńkie platynowe
lusterko, dzięki czemu pomiar jest bardziej czuły. Ma nadzieję
monitorować setki poszczególnych neuronów w sieciach ner-
wowych jednocześnie, wykorzystując lasery wyczuwające fale
mechaniczne, kiedy przechodzą tam i z powrotem. Taka praca
mogłaby odpowiedzieć na kluczowe pytanie. "Istnienie tych
efektów [mechanicznych] jest poza dyskusją - mówi Simon Lau-
ghlin, neurobiolog z University of Cambridge. - Ale czy neurony
rzeczywiście wykorzystują je w jakimkolwiek użytecznym celu?"
Laughlin nie zajmuje się falami mechanicznymi, jednak ja-
ko osoba, która badała kanały jonowe przez 45 lat, wyobraża
sobie, że takie fale mogą wpływać na male białkowe zastawki.
Ostatnie doświadczenia dowodzą, że zastawki są bardzo wraż-
liwe na siły mechaniczne działające w obrębie błony. Jeśli fale
mechaniczne pomagają w otwieraniu i zamykaniu kanałów jo-
nowych, mogłoby to zasadniczo zmienić nasze wyobrażenie na
temat mózgu, ponieważ pobudzanie neuronów jest elementem
wszystkich procesów myślowych. Kanały jonowe generują ciągły
szum i niestabilność: nawet maleńkie wahania temperatury
mogą powodować ich losowe otwieranie się lub zamykanie. Teo-
retycy informacji przez dziesięciolecia usiłowali wyjaśnić, w jaki
sposób mózg może w wiarygodny sposób realizować funkcje po-
znawcze, wykorzystując tak niewiarygodne kanały Jednak fale
mechaniczne mogą oznaczać, że ich otwieranie i zamykanie słu-
ży jakiemuś celowi. „Zdecydowanie jest taka możliwość" - mówi
Laughlin.
Pewne wskazówki sugerują, że może to być prawda.
Niektóre neurony w korze mózgowej ssaków wydają się wyłamywać
z teorii Hodgkina-Huxleya. Jeśli ulegają pobudzeniom z wysoką
częstotliwością, ich kanały jonowe jako grupa otwierają się
szybciej, niż przewidywano. Jedno z wyjaśnień jest takie, że ka-
nały reagują en masse na nagle zmiany w obrębie błony - nadej-
ście fali mechanicznej, która powoduje ich otwieranie mniej lub
bardziej unisono, dzięki czemu ulegają pobudzeniu szybciej, niż
byłoby to możliwe w innym przypadku. Ta szybkość może po-
zwalać im na przekazywanie informacji z niewiarygodnie dużą
szybkością - co może stanowić bazę dla procesów poznawczych.
Z tego punktu widzenia impuls nerwowy ma charakter zarówno
elektryczny, jak i mechaniczny.
Heimburg i Schneider zajmują w tym wszystkim dziwne
miejsce. Mogą pewnego dnia wspólnie otrzymać Nagrodę Nobla.
Albo mogą też do niczego nie dojść, sparaliżowani tą samą presją,
która przez tyle dziesięcioleci krępowała Tasakiego.
Fakt, że niektórzy neurobiolodzy, tacy jak Laughlin, oraz inni
eksperci, jak Tao, interesują się falami mechanicznymi, mógłby
wydawać się ważną zachętą dla fizyków. Jednak Heimburg pod-
czas rozmowy w lutym był nieugięty. „Wiele osób usiłuje w jakiś
sposób uratować model Hodgkina-Huxlcya, łącząc go po prostu
z naszymi poglądami - powiedział. - Jednak ja osobiście [..]
nie dopuszczałbym żadnego kompromisu między tymi dwoma
modelami".
Z NASZEGO ARCHIWUM
Niedoceniane komórki mózgu. R Dooglas Fields; maj 2004
On Soliton Propagation in Bxxncmbrancs and Nervo. Thomas Heimburg i Andrew D. Jackson."
nr 28. s. 9790-979$; 12 kpca 2005.
www.livescience.com/1357-controversial-i...und-electricity.html
Kontrowersyjny nowy pomysł: to nerwy przesyłają dźwięk, a nie prąd
Przez Robert Roy Britt 14 marca 2007
Renderowanie ukazuje biologiczną membranę w jej punkcie topnienia. Zielone cząsteczki są płynne, a czerwone są stałe. Cząsteczki środka znieczulającego zmniejszają liczbę czerwonych obszarów, tak że impuls dźwiękowy nie może już przenosić swojego sygnału. Nerw jest znieczulony. (Zdjęcie: Heiko Seeger, Ph.D. Niels Bohr Institute)
Zgodnie z nowym kontrowersyjnym badaniem, które próbuje wyjaśnić od dawna tajemnicę działania środków znieczulających, nerwy przesyłają fale dźwiękowe przez twoje ciało, a nie impulsy elektryczne .
Podręczniki mówią Nerwy użyciu impulsów elektrycznych do transmisji sygnałów z mózgu do punktu działania, czy to aby machać palcem lub migać to oko .
„Ale dla nas, fizyków, to nie może być wyjaśnieniem” - mówi Thomas Heimburg, badacz z Uniwersytetu Kopenhaskiego, którego wiedza jest z pogranicza biologii i fizyki. „Fizyczne prawa termodynamiki mówią nam, że impulsy elektryczne muszą wytwarzać ciepło, gdy przemieszczają się wzdłuż nerwu, ale eksperymenty pokazują, że takie ciepło nie jest wytwarzane”.
Jednak podręczniki prawdopodobnie nie zostaną w najbliższym czasie przepisane.
Roderic Eckenhoff, badacz z Wydziału Anestezjologii i Krytycznej Opieki Medycznej na University of Pennsylvania School of Medicine, nazwał pomysł tętna dźwiękowego interesującym. „Ale istnieje ogromny ciężar dowodu i mają przed sobą bardzo długą drogę do pokonania elektryczności” - powiedział.
Nerwy są owinięte błoną lipidową i białkową. Podręczniki biologii mówią, że impuls jest wysyłany z jednego końca nerwu do drugiego za pomocą naładowanych elektrycznie soli, które przechodzą przez kanały jonowe w błonie. Jednak brak wytwarzania ciepła jest sprzeczny z biologiczną teorią molekularną dotyczącą impulsu elektrycznego wytwarzanego przez procesy chemiczne, mówi Heimburg, który jest współautorem nowego badania z fizykiem teoretycznym z Uniwersytetu Kopenhaskiego, Andrew Jacksonem.
Zamiast tego impulsy nerwowe można wyjaśnić znacznie prościej jako mechaniczne impulsy dźwięku, argumentują Heimburg i Jackson. Ich pomysł zostanie opublikowany w Biophysical Journal .
Zwykle dźwięk rozchodzi się jako fala, która rozprzestrzenia się i staje się coraz słabsza. Jednak w pewnych warunkach dźwięk może przemieszczać się bez rozprzestrzeniania się i dlatego zachowuje swoją intensywność.
Lipidy w błonie nerwowej są podobne do oliwy z oliwek - wyjaśniają naukowcy. Membrana ma punkt zamarzania, który jest precyzyjnie dostosowany do propagacji tych skoncentrowanych impulsów dźwiękowych [grafika].
Eckenhoff nie jest jednak przekonany.
„Trudno jest wytłumaczyć ogromną liczbę rzeczywistych zapisów elektrycznych w komórce, tkance i całym zwierzęciu jako swego rodzaju artefakt” - powiedział Eckenhoff dla LiveScience. „I nie mogę łatwo określić, w jaki sposób dźwięk może być generowany”.
Wyjaśnienie znieczulenia
Pomysł Heimburga i Jacksona, gdyby okazał się prawdziwy, mógłby mieć wpływ na środki znieczulające , kolejny tajemniczy proces.
Co dziwne, naukowcy nie rozumieją dokładnie, co się dzieje, gdy pacjent jest znieczulony. Chociaż celem środka znieczulającego jest zapobieganie odczuwaniu bólu przez mózg , mogą one wpływać na częstość akcji serca i oddychanie pacjenta. Zatem lepsze zrozumienie tego, jak to wszystko działa, pozwoliłoby na opracowanie lepszych leków.
Badacze nie wiedzą, że odpowiednie dawki eteru, gaz rozweselający, chloroform i inne środki znieczulające są oparte na ich rozpuszczalności w oleju z oliwek. Ale sposób, w jaki nerwy są wyłączone, pozostaje tajemnicą.
Heimburg i Jackson oferują wyjaśnienie.
Mówią, że jeśli nerw ma być zdolny do przenoszenia impulsów dźwiękowych, to temperatura topnienia jego błony musi być zbliżona do temperatury ciała. Wnioskują, że środki znieczulające zmieniają temperaturę topnienia, tak że impulsy dźwiękowe nie mogą się rozprzestrzeniać. Nerwy są odstawiane w stan gotowości, a pacjent nie czuje, jak nóż wbija się w jego ciało.
Chociaż Eckenhoff przyznaje, że jest wiele do nauczenia się, spodziewa się, że dokładne efekty znieczulenia zostaną ostatecznie wyjaśnione przez integrację obecnych teorii, a nie przez zastosowanie nowej idei impulsów dźwiękowych.
oraz tekst artykułu -świat nauki sierpień 2018 "Nowe Spojrzenie"
Brain Cells Communicate with Mechanical Pulses, Not Electric Signals
April 11, 2018 — Douglas Fox
Komórki mózgowe komunikują się za pomocą impulsów mechanicznych, a nie sygnałów elektrycznych
Fizycy, którzy wrócili do eksperymentów sprzed 50 lat, twierdzą, że komórki nerwowe komunikują się impulsami mechanicznymi, a nie elektrycznymi
Mloda kobieta z falującymi brązowymi włosami i ciemnoczerwony-
mi paznokciami leżała na łóżku w sali szpitalnej w Kopenhadze.
Jej wyprostowana lewa ręka była podłączona do elektrod. Co kilka
sekund powietrze przeszywał trzask - impuls elektryczny. Za każ-
dym razem jej palce drgały a na twarzy pojawiał się grymas. Tego
dnia miała być poddana setkom takich impulsów.
Kobieta, otoczona przez kilku lekarzy w fartuchach labora-
toryjnych, użyczyła swojej ręki do eksperymentu za 1000 koron
duńskich, czyli około 600 zl. Thomas Heimburg, lekarz prze-
szkolony w zakresie mechaniki kwantowej i biofizyki, siedział
w bezpiecznej odległości na stołku, szkicując na iPadzie szcze-
góły nieprzyjemnego eksperymentu, który miał zgodnie z jego
nadziejami przynieść doniosłe skutki.
Lekarze wstrzykiwali w rękę kobiety środek znieczulający,
łidokaine. w dawce tak dużej, że wystarczyłaby do znieczulenia
kończyny do operacji. Początkowo nerwy reki nie reagowały
na impulsy. Jednak badacze stopniowo podkręcali prąd. W tej
chwili wstrząsy miały po 40 mA, niemal 10-krotnie więcej niż
na początku - co mniej więcej odpowiada natężeniu prądu elek-
trycznego przepływającego przez pięciowatową żarówkę.
Trzask - i kolejny wstrząs. Ręka kobiety drgnęła niczym
konający wąż. Heimburg. wpatrujący się w monitor komputera na
ścianie, nie zwrócił na to uwagi. Fala przedstawiająca sygnał
elektryczny w mięśniu i nerwic ręki przemknęła przez ekran
w postaci pojedynczej wysokiej iglicy - stanowiącej dowód na
to, że wstrząsy o narastającej wielkości zaczęły pokonywać dzia-
łanie znieczulenia. Nerw byl teraz pobudzany równie mocno,
jak przed podaniem kobiecie znieczulenia. Heimburg byl zado-
wolony. „To. co się tu dzieje - powiedział cicho - jest sprzeczne
z tym. co jest opisane w książkach"
Heimburg. który pracuje w Niels Bohr Institutet w Kopenha-
dze, znanym z badań w zakresie fizyki, ma nadzieję, że uda mu
się zaprzeczyć wielu twierdzeniom zapisanym w podręcznikach.
Ten eksperyment, który obserwowałem w grudniu 2011 roku,
mial na celu wyjaśnienie dawnej medycznej zagadki.
Lekarze stosują znieczulenie ogólne od 170 lat. Odkryli dzie-
siątki skutecznych związków. Leki te, podawane w rosnących
dawkach, wygaszają funkcje nerwów w organizmie i mózgu za-
wsze w tym samym, ściśle określonym porządku: najpierw po-
wstawanie wspomnień, następnie czucie bólu, wreszcie świado-
mość i ostatecznie oddychanie.
Ta sama kolejność powtarza się u wszystkich zwierząt, od lu-
dzi po muchy. Mimo to nikt nie wie, jak właściwie działa znie-
czulenie. Struktury cząsteczkowe podtlenku azotu, eteru, scwo-
fluranu i ksenonu różnią się od siebie tak bardzo, że jest mało
prawdopodobne, aby dawały ten sam efekt na skutek wiązania
z odpowiednimi białkami w komórkach, jak to się dzieje w przy-
padku innych leków.
Heimburg uważa, że środki znieczulające działają w całkowicie
odmienny sposób: zmieniając właściwości mechaniczne nerwów.
Jeśli to prawda, oznacza to, że komórki nerwowe, czyli neurony
znajdujące się w mózgu i w całym ciele, to urządzenia mechanicz-
ne, nie zaś obwody elektryczne, jak sądzili przez dziesięciolecia na-
ukowo1. Zdaniem Heimburga impulsy elektryczne to jedynie efekt
uboczny fizycznej fali uderzeniowej, która rozchodzi się wzdłuż
nerwu w sposób podobny do przenoszenia fal dźwiękowych. Uwa-
ża on, że środki znieczulające wyciszają nerwy, wnikając w tłusz-
czowe błony, które otaczają włókna nerwowe, i sprawiając że sta-
ją się one zbyt miękkie, aby przewodzić fale uderzeniowe - tak jak
struna gitary, która jest zbyt luźna, aby zadźwięczeć.
Kiedy obserwowałem ten eksperyment, kusiło mnie, aby
uznać Heimburga za niegodnego uwagi szaleńca. Jednak w cią-
gu kolejnych siedmiu lat zgromadził on wraz ze współpracowni-
kami liczne obserwacje: pomiary przemieszczania się fal mecha-
nicznych przez poszczególne komórki nerwowe oraz wielkości
i szybkości poszerzania i kurczenia się blon, jak również wyniki
badań dowodzące, w jaki sposób środki znieczulające modyfiku-
ją te właściwości. Zaczynają się tym interesować inni naukowcy.
Obecnie Heimburg przygotowuje kluczowy eksperyment, który
może okazać się rozstrzygający: będzie mierzył ilość ciepła, ja-
kie emituje pojedyncza komórka nerwowa w momencie, kiedy
przebiega przez nią impuls.
Badania Heimburga dowodzą, że impuls nerwowy jest bar-
dziej złożony, niż może to się wydawać większości biologów.
Komponenty mechaniczne mogły pozostawać niezauważone na
skutek przypadku: 50 lat temu dostępne w sprzedaży narzędzia
pozwalały bez trudu mierzyć maleńkie impulsy elektryczne w
neuronach, nic mierzyły jednak impulsów mechanicznych.
Ograniczenia sprzętowe wpłynęły na odkrycia, jakich dokonywali naukowcy,
i na to. jakie hipotezy trafiły do głównej myśli naukowej.
Doświadczenia Heimburga ożywiają naukowy spór, liczący sobie
wiele dziesięcioleci.
Historia mechanicznych neuronów to lekcja dla
wszystkich dziedzin nauki, dotycząca braku obiektywizmu i przypadków.
Może również zmienić podstawy naszej wiedzy na temat nerwów, mózgu
i inteligencji. Naukowcy usiłowali wyjaśnić, w jaki sposób mózg realizuje
tak trudne zadania, jak rozpoznawanie twarzy czy konwersacja,
opierając się na białkach w neuronach, które wykazują szum elektryczny
nie są niezawodne. Heimburg pokazuje, jak fale mechaniczne
mogą kompensować len szum. Jeśli teoria ta się potwierdzi,
będzie mógł napisać biologię na nowo. Ale może po prostu nic mieć racji.
ROZGRZANE NERWY
IMPULS NERWOWY, który naukowcy próbują od tak
dawna wyjaśnić, trwa zaledwie chwilę. Jeśli nadepniesz
na pinezkę, twój mózg poczuje ból w ułamku sekundy. Sygnał
wędruje wzdłuż włókien nerwowych z prędkością do 30 m/s.
Włókna przypominają maleńkie, puste w środku rurki, cień-
sze od włosa. Ścianę rurki tworzy oleista błona komórkowa. Po
wewnętrznej i zewnętrznej stronie błony dryfują naładowane
elektrycznie atomy sodu i potasu, nazywane jonami. W polowie
XX wieku naukowcy potrafili wbijać do komórek nerwowych
elektrody, które monitorowały napięcie na poziomie błony ko-
mórkowej. Odkryli, że kiedy impuls nerwowy wędruje wzdłuż
błony i mija elektrodę, na kilka tysięcznych sekundy napięcie
gwałtownie wzrasta. W roku 1952 dwóch brytyjskich naukowców.
Alan Hodgkin i Andrew Huxley, napisało, że do tego skoku do-
chodzi, kiedy jony sodowe przechodzą przez błonę z zewnątrz do
wewnątrz. Następnie, kiedy jony potasu przechodzą przez błonę
ze środka na zewnątrz, napięcie ulega odwróceniu. Model Hodg-
kina-lluxlcya stał się fundamentem współczesnej neurofizjologii.
Hodgkin i Huxley otrzymali w 1963 roku Nagrodę Nobla.
Jednak kilkoro naukowców nadal dokonywało obserwacji, które
kwestionowały ten model. Te obserwacje powtórzył Heimburg.
pomimo że niektórzy z tych badaczy zostali zdyskredytowani.
Jednym z nich byl Ichiji Tasaki, przez wiele lat starszy neu-
robiolog w National Institulcs of Health. W roku 1979 przepro-
wadził niekonwencjonalne doświadczenie. Patrząc przez mikro-
skop, ostrożnie umieścił drobinkę lśniącej platyny na cienkim
białym wlókienku - wiązce włókien nerwowych kraba, odsło-
niętych przez rozcięcie nogi zwierzęcia - po czym skierował na
platynę laser Mierząc odbicie światła lasera, mógł wykrywać
ruch. wskazujący na szybkie poszerzanie i zwężanie pęczka ner-
wowego w trakcie przechodzenia impulsu elektrycznego. Wraz
I Kunihiko Iwasą. odbywającym staż podoktorski. dokonał se-
tek pomiarów. Po tygodniu odpowiedz była jednoznaczna: za
każdym razem, kiedy przez włókna nerwowe przechodził im-
puls, ulegały one szybkiemu poszerzeniu, a następnie ponownie
zwężeniu. Trwalo to kilka tysięcznych sekundy.
Ta fala była maleńka: powierzchnia błony unosiła się jedynnie
o około siedem miliardowych metra. Jednak idealnie nakład
się na przebiegający impuls elektryczny, potwierdzając podejrzenie
jakie Tasaki żywił przez lata: że Hodgkin i Huxley się mylili.
Już w latach 40. naukowcy zaobserwowali, że kiedy impuls
elektryczny przebiega wzdłuż włókna nerwowego, przezroczysta
komórka staje się mniej przezierna. Do roku 1968 Tasaki i inni
badacze uzyskali dowody sugerujące, że w chwili nadejścia im-
pulsu cząsteczki w błonie zmieniają swój fizyczny układ, po czym
po przejściu impulsu wracają do wcześniejszej konfiguracji.
Dodatkowo było jeszcze ciepło. Naukowcy oczekiwali, że im-
puls elektryczny będzie powodował wydzielanie ciepła - co jest
typowe dla przepływu elektryczności. Jednak kilka zespołów
odkryło coś dziwnego. Temperatura włókna nerwowego wzra-
stała o kilka milionowych stopnia Celsjusza w chwili przebiega-
nia impulsu, jednak po jego przejściu bardzo szybko ponownie
spadała. Ciepło nie ulegało rozproszeniu, ale w większości było
pochłaniane przez nerw, co trwało również kilka tysięcznych se-
kundy.
Tasaki na podstawie krótkotrwałego poszerzania, zmiany
ustawienia cząsteczek oraz ogrzewania i schładzania wysunął
zaskakujący wniosek: sygnał nerwowy nie byl jedynie impul-
sem elektrycznym, ale był to w tym samym stopniu impuls mechaniczny.
Naukowcy, którzy badali nerwy za pomocą elektrod, widzieli jedynie
fragment obrazu.
Tasaki poświęcił resztę życia na badanie tych efektów. Do-
szedł do przekonania, że ich źródłem nie była błona komórkowa,
ale warstwa białkowych i węglowodanowych wlókienek. znaj-
dująca się bezpośrednio pod nią. Zgodnie z jego teorią w chwili
nadejścia impulsu elektrycznego wlókienka te absorbują jony
potasu i wodę. w efekcie puchnąc i rozgrzewając się - proces ten
ulega samoczynnemu cofnięciu po przejściu impulsu.
W miarę jak Tasaki realizował swoje pomysł, stopniowo
oddalał się od swojego środowiska. Przeciwko niemu działały
również inne czynniki. Dorastał w Japonii, mówił więc nienatu-
ralnym angielskim. "Trzeba było bardzo dużej wiedzy, aby móc
z nim naprawdę rzeczowo porozmawiać - mówi Peter Rasscr.
dyrektor sekcji NIH poświęconej neurobiołogii, który znal Tasakiego
przez 20 lat. - Myślę też, że wiele osób nie uważało go za
tak wnikliwego i spostrzegawczego, jakim byl w rzeczywistości".
Ponadto chociaż Tasaki współpracował z innymi badaczami, nie
miał wychowanków, którzy rozpowszechniliby jego pomysły.
Znamienna dla tej schizmy była rywalizacja pomiędzy Tasa-
kim i innym prominentnym neurobiologiem z NIH, Kennethem
Colem, który hołdował ogólnie przyjętej teorii. Chociaż tych
dwóch mężczyzn od lat 50. do lat 70. pracowało w laboratoriach
w tym samym budynku, przez 15 lat praktycznie ze sobą nie roz-
mawiali, nie licząc publicznych prezentacji, kiedy jeden podważał
autorytet drugiego, wstając na widowni i zadając podchwytliwe pytania.
Tasaki zrezygnował z laboratorium podczas reorganizacji
NIH w roku 1997 i przeniósł się do niewielkiego pomieszczenia
w laboratorium Bassera. Pracował dalej siedem dni w tygodniu,
długo po ukończeniu 90. roku życia. Pewnego grudniowego
dnia 2008 roku, spacerując w pobliżu domu, stracił równowagę
i uderzył głową w ziemię. Zmarł tydzień później w wieku 98 lat.
Jednak już wcześniej zniknął z pola widzenia. „Myślę, że nikt
nie kwestionował jego obserwacji, ponieważ cieszył się szacun-
kiem w laboratorium" - powiedział Adrian Parsegian, biofi-
zyk z University of Massachusetts w Amherst, pracownik NIH
w lalach 1967-2009. Odkrycia, jakich dokonał Tasaki, „uznawa-
no raczej za mało istotne" w kwestii przekazywania sygnałów
nerwowych - zaledwie za efekt uboczny impulsu elektrycznego.
Na bardziej podstawowe pytania „nie udzielono odpowiedzi -
stwierdził. - Jeden pogląd trafił do podręczników, drugi nie".
PŁYNNE TŁUSZCZE STAJĄ SIĘ KRYSZTAŁAMI
HEIMBURG NATKNĄŁ SIĘ NA badania, które prowadził Tasaki
w połowie łat 80., kiedy pracował nad swoim doktoratem
w Max-Planck-Institut fur biophysikalische Chemie w Getyndze.
Nie minęło wiele czasu, nim zaczął spędzać długie godziny w bi-
bliotece, ślęcząc nad starymi artykułami. Ostatecznie połączył
kropki w inny sposób niż Tasaki. Uważał, że fala mechaniczna,
zmiany optyczne i przejściowe ciepło muszą zachodzić w tłusz-
czowej błonie komórkowej nerwów, zlokalizowanych w mózgu
i w całym organizmie, nie we wlókienkach białkowych i węglo-
wodanowych poniżej błony, jak uważał Tasaki.
Pod koniec lat 90. zaczął prowadzić swoje własne ekspery-
menty, ściskając sztuczne błony komórkowe, aby zobaczyć, jak
mogłyby reagować na sztuczną falę uderzeniową, Te prace ujaw-
niły coś bardzo ważnego: oleiste cząsteczki lipidów, tworzących
błonę, są zwykle płynne i ustawione w sposób losowy, ale są
bliskie tego, co chemicy nazywają przemianą fazową. Wystar-
czy trochę ścisnąć błonę, a lipidy ulegną kondensacji do wysoce
uporządkowanego ciekłego kryształu.
Te eksperymenty doprowadziły Heimburga do stwierdzenia,
że impuls nerwowy jest mechaniczną falą uderzeniową, która
przemieszcza się wzdłuż błony komórki nerwowej. Fala ta
w miarę wędrowania powinna ściskać cząsteczki lipidów w błonie
do postaci ciekłego kryształu - ta zmiana fazy powoduje
uwolnienie niewielkiej ilości ciepła, tak samo jak to się dzieje
podczas zamarzania wody. Następnie, kiedy cala fala uderzenio-
wa przejdzie dalej, kilka tysięcznych sekundy później błona wra-
ca do stanu płynnego, ponownie pochłaniając ciepło. Ta krótka
przemiana do ciekłego kryształu i z powrotem powoduje również
krótkotrwale poszerzenie błony - dokładnie to obserwowali
Tasaki i Iwasa, kiedy świecili laserem na swój platynowy pyłek.
Eksperymenty Heimburga stanowiły kluczowy krok naprzód.
Wskazały one na możliwe powiązanie pomiędzy falą uderzenio-
wą i przemianą fazową a skokiem napięcia, do którego dochodzi
w chwili przechodzenia impulsu. Heimburg stwierdził, że może
wprowadzić błonę w postać ciekłego kryształu poprzez samo
tylko przyłożenie do niej napięcia. „Ludzie przykładali napięcie
do blon biologicznych od około 70 lat, ale żaden z tych elektro-
fizjologów nigdy nie szukał struktury ciekłego kryształu" - powiedział.
Wykresy w podręcznikach przedstawiają błony komórkowe
jako cienkie, pasywne warstwy izolacyjne, otaczające przewody
włókien nerwowych. Jednak fizycy zaczynają dostrzegać, że
błony komórkowe mają zaskakujące właściwości. Należą one
do klasy materiałów nazywanych piezoelektrykami - zdolnych
do przekształcania sil mechanicznych w elektryczne i na od-
wrót. Z wykorzystaniem tej zasady działają zegarki kwarcowe.
Oznacza to, że impuls elektryczny, wędrujący wzdłuż błony,
niesie ze sobą falę mechaniczną. I na odwrót, fala mechanicz-
na, wędrująca wzdłuż błony, objawia się w postaci impulsu
elektrycznego.
Kiedy Heimburg i jego współpracownik, Andrew D. Jackson,
po raz pierwszy publikowali tę teorię w 2005 roku, nie obser-
wowali jeszcze tych impulsów elektromechanicznych w akcji.
Jeden z dawnych uczniów Heimburga wypełnił tę lukę. W ro-
ku 2009 Matthias Schneider - biofizyk, pracujący obecnie na
Technische Universität Dortmund w Niemczech - ogłosił, że
udało mu się wywołać falę mechaniczną poprzez przyłożenie
impulsu elektrycznego do sztucznej błony. Siła tego impulsu
była podobna do obserwowanej w komórkach nerwowych. Fala
uderzeniowa wędrowała z prędkością około 50 m/s, zbliżoną do
prędkości, z jaką sygnały wyzwolone przez pinezkę pędzą ze sto-
py do mózgu. Badania, jakie Schneider prowadził do 2012 roku,
potwierdziły, że ta sama fala, biegnąca przez błonę, składa się
z impulsów mechanicznych i elektrycznych.
Jednak jego najważniejsze odkrycie pochodzi z 2014 roku.
Kluczową cechą impulsu nerwowego jest to, że ma on charakter
zero-jedynkowy. Kiedy neuron odbierze słaby impuls przycho-
dzący, nie wyzwoli impulsu elektrycznego. Jeśli pobudzenie jest
dostatecznie silne, wyzwoli reakcję. „Jest pewien próg" - mówi
Schneider. Zaobserwował, że fale elektromechaniczne, wystę-
pujące na jego sztucznych błonach, rzeczywiście miały charak-
ter zero-jedynkowy. Decydującym czynnikiem wydawało się to,
czy błona została ściśnięta dostatecznie mocno, aby wymusić
jej przejście do postaci ciekłego kryształu. Jego zdaniem tylko
wówczas „uzyskujemy impuls".
WYTŁUMACZENIE DZIAŁANIA ZNIECZULENIA
DLACZEGO HEIMBURG zainteresował sie w ogóle tym spojrze-
niem na nerwy i znieczulenie? Mając nadzieję na znalezienie
odpowiedzi na to pytanie, odwiedziłem go w jego biurze w Niels
Bohr Inslitutet w tym samym tygodniu, kiedy byłem świadkiem
szpitalnego eksperymentu.
Heimburg miał biblioteczkę typową dla fizyka, nie biologa -
pełną tomów nieżyjących już niemieckich fizyków. Wśród nich
znajdował się rząd oprawionych w płótno książek Hermanna
von Helmholtza, który w polowie XIX wieku sformułował klu-
czową zasadę termodynamiki, zgodnie z którą energia może
zmieniać postać, nie można jednak ani jej stworzyć, ani znisz-
czyć. Nawiasem mówiąc, Helmholtz również mierzył prędkość
impulsów nerwowych. „Myślę, że należy koniecznie czytać te sta-
re teksty" - powiedział Heimburg. Odzwierciedlają one stopnio-
we odkrywanie fundamentalnych powiązań pomiędzy energią,
temperaturą, ciśnieniem, napięciem i przemianami fazowymi.
Te zasady leżą u podłoża hipotez Heimburga, dotyczących funk-
cjonowania nerwów, hipotez fizyka, który zagłębia się w inną
dziedzinę nauki. „Termodynamika to najgłębsze ze źródeł wie-
dzy - powiedział. - Jeśli znasz termodynamikę, jesteś mądry".
........................
opisy w tabelce
Dominująca hipoteza: impuls elektryczny
W podejściu konwencjonalnym sygnał nerwowy jest
przekazywany przez błonę, która tworzy zewnętrza
ścianę aksonu. Błona ta składa się z cząsteczek
lipidów. Kanały w warstwie lipidowej na chwilę
się otwierają, pozwalając na przepływ jonów sodu
i potasu (naładowanych atomów) przez błonę, po
czym się zamykają, ustępujące otwieranie się
i zamykanie kanałów wzdłuż aksonu tworzy
wędrujący impuls napięcia.
W jaki sposób nerwy przesyłają sygnały?
Przez dziesięciolecia naukowcy lansowali standardo-
we wyjaśnienie lego, w jaki sposób komórki nerwowe
(neurony) przekazują sygnały w mózgu i w organi-
zmie; każda wiadomość jest przenoszona w postaci
impulsu elektrycznego, który wędruje wzdłuż długie-
go aksonu kornodu. przeskakując na kolejny neuron.
Jednak obecnie pewna grupa fizyków, którzy prowa-
dzą nietypowe badania na funkcjonujących komór-
kach, twierdzi, że ten sygnał jest w rzeczywistości
impulsem mechanicznym, który przemieszcza się
wzdłuż aksonu - podobnie do fali dźwiękowej czy sej-
smicznej. Niektórzy badacze uważają, że ewentualny
impuls mechaniczny to tylko efekt uboczny impulsu
elektrycznego. Wyjaśnienie tych sporów mogłoby
zn^woJucjonizować wiedzę na temat tego, jak działa
mózg.
Nowy pogląd: fala mechaniczna
Zgodnie z nową teorią sygnał nerwowy jest
przekazywany przez błonę aksonu ale dzieje się to w formie
fali uderzeniowej, przemieszczacej się wzdłuż aksonu.
Front fali posuwane się naprzód, ściska cząsteczki tłuszczów,
na krótko przekształcając je z formy cieczy do ciekłego kryształu i sprawiając, że wybrzuszają się i uwalniają ciepła.
W miarę przechodzenia fali cząsteczki te powracają do
postaci płynnej, zwężając się i ponownie pochłaniając ciepło.
..................
Szybko wskazał słabości popularnych wyjaśnień dotyczących
znieczuleń. Biolodzy uważają, że znieczulenie wycisza nerwy,
wiążąc się z nimi i blokując w ten sposób kanały jonowe - za-
stawki w błonach komórek nerwowych, które otwierają się i za-
mykają, pozwalając na przepływ jonów sodu i potasu. Biolodzy
twierdzą, że przepływ jonów prowadzi do wędrówki impulsu
wzdłuż włókna nerwowego - co powszechnie przedstawia się
jako sygnał elektryczny. Jednak ponieważ różne środki znieczu-
lające bardzo różnią się pod względem struktury molekularnej,
Heimburg nie chciał uwierzyć, aby wszystkie mogły wiązać się
z kanałami jonowymi. To wyjaśnienie było „całkowicie bez sen-
su", powiedział z nutką frustracji, tak jakby wskazywał na coś,
co powinno być oczywiste. Musi tam działać coś „bardziej pod-
stawowego, na niższym poziomie".
Hipotezy Heimburga zostały częściowo ukształtowane przez
stary tom pod tytułem Studien itber die Narkose, czyli „Studia
nad narkozą", wydany przez Ernesta Overtona w roku 1901.
Przywołano tam pewien eksperyment, który przykuł jego uwa-
gę. Overton zgromadził dziesiątki różnych substancji znieczu-
lających i każdą z nich umieścił w fiolce z wodą, na powierzch-
ni której unosiła się warstwa oliwy. Potrząsał każdą fiolką, po
czym czekał, aż woda i oliwa się ponownie rozdzielą. Mierzył,
jaka część każdego leku znalazła się ostatecznie w oliwie, a ja-
ka w wodzie. Im skuteczniej dany związek działał jako środek
znieczulający u zwierząt, w tym większym stopniu przechodził
do warstwy oliwy. Ten zaskakujący wynik potwierdziła później
współczesna anestezjologia. Oliwa i błony komórkowe są zbu-
dowane z takich samych oleistych cząsteczek, tak zwanych kwa-
sów tłuszczowych. Heimburg przypuszczał, że leki mogą działać
rozpuszczając się w błonach komórkowych i zmieniając ich wla-
ściwosci fizyczne.
Doświadczenia z błonami syntetycznymi potwierdzają tę
hipotezę. Kiedy Heimburg wprowadza w błonę środek znie-
czulający, zapobiega to przemianie tłuszczu tworzącego błonę
w ciekły kryształ. Dzieje się tak poprzez obniżenie temperatury
(i zwiększenie ciśnienia), przy jakich dochodzi do przemiany fa-
zowej z lipidów płynnych do krystalicznych - tak samo jak sól
czy cukier obniżają temperaturę zamarzania wody.
Heimburg uznał, że zapobiegając tej przemianie w błonie,
powstrzyma wędrówkę impulsu wzdłuż włókna nerwowego, co
tłumaczyłoby, dlaczego środek znieczulający wyłącza nerwy. Po-
nadto, co ważne, przewidywał, że efekt ten powinno udać się
przezwyciężyć. W celu uzyskania wyższego ciśnienia, prowa-
dzącego do usztywnienia błony za pomocą impulsu elektrycz-
nego, należy zwiększyć natężenie prądu - dokładnie tak, jak to
robili lekarze w obrębie ręki kobiety w szpitalu w Kopenhadze.
I rzeczywiście, mocniejsze impulsy elektryczne przezwyciężały
działanie środka znieczulającego. Skoro można przezwyciężyć
znieczulenie poprzez mocniejsze działanie na błonę impulsami
elektrycznymi, jego działanie powinno móc także być odwró-
cone poprzez zwiększenie fizycznego nacisku na błonę. Biolo-
dzy udowodnili to już w 1942 roku. Używali oni dwóch różnych
środków znieczulających, etanolu i uretanu, upajając nimi kijanki
tak długo, aż przestawały pływać. Następnie naukowcy
umieszczali zwierzęta w komorze hiperbarycznej i podnosili
ciśnienie do poziomu 136-krotnie wyższego niż ciśnienie at-
mosferyczne. Efekt znieczulenia znikał: kijanki znów zaczynały
pływać. Kiedy ciśnienie obniżano, zwierzęta znów padały bez
ruchu. „To bardzo zaskakujące - powiedział Heimburg z uśmie-
chem. - Jak można wpaść na pomysł, aby poddawać pijane ki-
janki zwiększonemu ciśnieniu?"
NIEAKCEPTOWANA DEBATA
Heimburg JEST do dziś sfrustrowany z powodu tego, jak biolo-
dzy reagują na jego hipotezy, które sam określa teorią solitonu
(soliton to samopodtrzymująca się fala, która przenosi się, za-
chowując swój kształt). Natrafia na opór od chwili, kiedy opu-
blikował swoją teorię w 2005 roku w czasopiśmie Proceedings
ofthe National Academy of Sciences USA, pomimo że jest to wy-
dawnictwo cieszące się dużym uznaniem.
Jedna z krytykujących go osób, Catherine Morris, wybitna
emerytowana neurobiolog z Ottawa Hospital Research Insti-
tute, powiedziała mi, że z całej tej pracy zionie wyższość fizy-
ka, któremu wydaje się, że może po prostu wkroczyć na inne
pole i wszystko ludziom wytłumaczyć. Podsumowuje to swoim
ulubionym powiedzeniem: „To uderzające, jeśli się weźmie pod
uwagę sposób działania fizyków, kiedy mówią 'Załóżmy, w przy-
bliżeniu, że ta krowa jest pojedynczym punktem'".
Reakcja Morris jest do pewnego stopnia zrozumiała. Czym
innym jest stwierdzenie, że nerwy mają jednocześnie charak-
ter mechaniczny, jak i elektryczny. Zupełnie czymś innym jest
jednak odrzucenie założenia, zgodnie z którym kanały jonowe
odgrywają rolę w przewodnictwie nerwowym - tak jak to ro-
bią Heimburg i Schneider w swojej największej i najbardziej
problematycznej ucieczce od głównego nurtu biologii. Mniejsza
z tym, że naukowcy odkryli setki białek kanałów jonowych. Lub
że istnieje możliwość wybiórczej modyfikacji przepływu jonów
przez leki. Lub wprowadzania mutacji do białek, zmieniających
sposób pobudzania neuronów. „Oni po prostu beztrosko zigno-
rowali znaczną część biologii" - mówi Morris, która poświęciła
30 lat na badania białek kanałów jonowych.
Heimburg i Schneider przyznają, że te białka muszą pełnić ja-
kąś funkcję. Jednak wskazują na eksperymenty - niektóre z nich
zostały przeprowadzone przez Heimburga - dowodzące, że jony
mogą przepływać poprzez sztuczne błony nawet bez obecności
białek kanałów. Wiążą oni ten przepływ z tymczasowymi otwo-
rami, jakie pojawiają się w momencie, kiedy błona przechodzi
między fazą płynną i fazą ciekłego kryształu. Ich zdaniem to
właśnie dzieje się w nerwach w mózgu i reszcie ciała.
Ich sceptycyzm odzwierciedla tendencję, występującą w fizy-
ce: przekonanie, że wszystko powinno dać się wyjaśnić za pomocą
praw termodynamiki. Zdaniem fizyków biolodzy zapominali o tych
prawach, koncentrując się na białkach. Podobny typ purytanizmu
mógł doprowadzić do ostatecznego odrzucenia teorii Tasakiego.
„Nie lubił określenia 'kanały jonowe'" - powiedział Iwasa, który
kiedyś odbywał u Tasakiego staż podoktorski, kiedy rozmawiali-
śmy pod koniec 2017 roku. Ten obrazoburczy pogląd mógł popro-
wadzić Tasakiego do odkrycia rzeczy, których inni nie zauważyli,
stwierdził, „ale w późniejszym czasie mogło mu to nie pomagać".
Brian Salzberg się z tym zgadza. Studiuje fizykę nerwów na
University of Pennsylvania, a swoją karierę neurobiologiczną
rozpoczął w 1971 roku, czasami spotykając po drodze Tasakiego.
„Był bardzo inteligentnym eksperymentatorem i nie mam
wątpliwości, że mierzył faktyczne zmiany grubości nerwów -
powiedział Salzberg na początku tego roku. - Jednak nieprawi-
dłowo je interpretował". Salzberg twierdzi, że włókna nerwowe
tymczasowo zwiększają swoją grubość w chwili przechodzenia
impulsu elektrycznego częściowo na skutek napływu cząsteczek
wody do błony, co odbywa sie przez te same kanały jonowe, któ-
re wpuszczają sód, a następnie jej wypływania przez kanały jo-
nowe, które wypuszczają na zewnątrz potas. Gdyby Tasaki przy-
jął hipotezę o istnieniu kanałów jonowych, mógłby być gotowy
na inne interpretacje fali mechanicznej.
Byl jednak także inny potężny czynnik, który mógł przyczynić
się do zmarginalizowania Tasakiego - co stanowi ważną
lekcję dla całej współczesnej nauki.
IDEOLODZY
TO INTRYGUJĄCE, że energia cieplna pobudzonego nerwu może
być dwukrotnie większa niż energia sygnału elektrycznego, któ-
ry zdominował neurobiologie. Fakt, że te nieelektryczne zjawiska
przestały budzić zainteresowanie, może wynikać częściowo
z kaprysu historii.
Tasaki byl utalentowanym konstruktorem urządzeń, który
swoją naukową karierę zaczynał w Tokio w czasie II wojny świa-
towej. Mierząc się z niedostatkiem wielu narzędzi, musiał sam
montować własne urządzenia z tego, co było pod ręką. Wiele lat
później w Stanach Zjednoczonych wykorzystywał te umiejętno-
ści do budowy wyjątkowych, unikatowych narzędzi, które mie-
rzyły ciepło lub chwilowe powiększanie się komórek nerwowych.
Ani tymi urządzeniami, ani doświadczeniem Tasakiego świat
naukowy nigdy się nie zainteresował. Inaczej było z pomiarami
sygnału elektrycznego w nerwach. Badacze opracowywali me-
tody łatwe do powtórzenia, takie jak wprowadzanie maleńkich
elektrod w błonę komórkową. W miarę jak te techniki się upo-
wszechniały, wraz z nimi wędrował pogląd na elektryczny cha-
rakter sygnałów nerwowych. „To wina ludzkiej psychiki - dodał
Parsegian. - Prowadzimy badania z użyciem narzędzia, którego
zasady działania, jak nam się wydaje, rozumiemy, nie używamy
tych, których działanie jest dla nas tajemnicze. To mogło wpły-
nąć na sposób myślenia".
Dziś luki techniczne zaczynają zanikać. W latach 2011-2018,
kiedy kontaktowałem się z Heimburgiem, stopniowo powtarzał
jeden stary eksperyment za drugim, wykorzystując nowoczesne
techniki w celu wyjaśnienia zaskakujących obserwacji, jakie po-
czynili po raz pierwszy Tasaki i inni naukowcy kilkadziesiąt lat
temu. W roku 2014 Heimburg ponownie przeprowadził ekspery-
ment z pijanymi kijankami, używając zamiast zwierząt syntetycz-
nych blon: kiedy zwiększał ciśnienie do 160 atmosfer, działanie
środka znieczulającego ulegało odwróceniu, tyle że tym razem
Heimburg mógł powiązać ten efekt bezpośrednio z przemianami
fazowymi w błonie. W roku 2016 z użyciem mikroskopu precy-
zyjnie zmierzył w pojedynczej komórce falę mechaniczną, którą
Tasaki i Iwasa po raz pierwszy udokumentowali w 1979 roku.
Heimburg, który obecnie ma 58 lat, szuka funduszy na ekspe-
ryment, który może okazać się najbardziej przełomowy: pomiar
ciepła w chwili, kiedy przechodzi impuls nerwowy, czyli poten-
cjał czynnościowy. Tasaki mierzył ciepło pochodzące z wiązek
włókien, jednak Heimburg planuje wykorzystać mikrochip, któ-
ry będzie mierzył skok ciepła dla pojedynczego neuronu. Ten
eksperyment może odpowiedzieć na główny zarzut stawiany je-
go teorii: że szybka przemiana fazowa błony komórki nerwowej
z postaci płynnej do krystalicznej powinna powodować uwol-
nienie i ponowne pochłonięcie większej ilości ciepła, niż kiedy-
kolwiek zaobserwował Tasaki. Heimburg twierdzi, że w tych sta-
rych eksperymentach regularnie zaniżano ilość ciepła - jako że
mierzono wiele neuronów, ponowna absorpcja ciepła po pierw-
szych impulsach zmniejszała ilość ciepła uwalnianego w efekcie
późniejszych impulsów. „Rzeczywisty sygnał jest prawdopodob-
nie znacznie silniejszy" - powiedział mi pod koniec 2017 roku.
Jeśli jego pomiary się powiodą, może to stanowić poparcie dla
jego hipotezy, że błona przenosi fale mechaniczne.
A co chyba najbardziej znaczące, dołączają kolejni naukowcy
- outsiderzy, którzy maja świeże spojrzeme. Nongijan Tao,
inżynier bioczujników z Arizona Slate University, wykorzystuje
lasery do śledzenia impulsów mechanicznych w pojedynczych
komórkach nerwowych - tak jak to robili Tasaki i Iwasa. Tyle że
Tao oświetla bezpośrednio nerw, nie zaś maleńkie platynowe
lusterko, dzięki czemu pomiar jest bardziej czuły. Ma nadzieję
monitorować setki poszczególnych neuronów w sieciach ner-
wowych jednocześnie, wykorzystując lasery wyczuwające fale
mechaniczne, kiedy przechodzą tam i z powrotem. Taka praca
mogłaby odpowiedzieć na kluczowe pytanie. "Istnienie tych
efektów [mechanicznych] jest poza dyskusją - mówi Simon Lau-
ghlin, neurobiolog z University of Cambridge. - Ale czy neurony
rzeczywiście wykorzystują je w jakimkolwiek użytecznym celu?"
Laughlin nie zajmuje się falami mechanicznymi, jednak ja-
ko osoba, która badała kanały jonowe przez 45 lat, wyobraża
sobie, że takie fale mogą wpływać na male białkowe zastawki.
Ostatnie doświadczenia dowodzą, że zastawki są bardzo wraż-
liwe na siły mechaniczne działające w obrębie błony. Jeśli fale
mechaniczne pomagają w otwieraniu i zamykaniu kanałów jo-
nowych, mogłoby to zasadniczo zmienić nasze wyobrażenie na
temat mózgu, ponieważ pobudzanie neuronów jest elementem
wszystkich procesów myślowych. Kanały jonowe generują ciągły
szum i niestabilność: nawet maleńkie wahania temperatury
mogą powodować ich losowe otwieranie się lub zamykanie. Teo-
retycy informacji przez dziesięciolecia usiłowali wyjaśnić, w jaki
sposób mózg może w wiarygodny sposób realizować funkcje po-
znawcze, wykorzystując tak niewiarygodne kanały Jednak fale
mechaniczne mogą oznaczać, że ich otwieranie i zamykanie słu-
ży jakiemuś celowi. „Zdecydowanie jest taka możliwość" - mówi
Laughlin.
Pewne wskazówki sugerują, że może to być prawda.
Niektóre neurony w korze mózgowej ssaków wydają się wyłamywać
z teorii Hodgkina-Huxleya. Jeśli ulegają pobudzeniom z wysoką
częstotliwością, ich kanały jonowe jako grupa otwierają się
szybciej, niż przewidywano. Jedno z wyjaśnień jest takie, że ka-
nały reagują en masse na nagle zmiany w obrębie błony - nadej-
ście fali mechanicznej, która powoduje ich otwieranie mniej lub
bardziej unisono, dzięki czemu ulegają pobudzeniu szybciej, niż
byłoby to możliwe w innym przypadku. Ta szybkość może po-
zwalać im na przekazywanie informacji z niewiarygodnie dużą
szybkością - co może stanowić bazę dla procesów poznawczych.
Z tego punktu widzenia impuls nerwowy ma charakter zarówno
elektryczny, jak i mechaniczny.
Heimburg i Schneider zajmują w tym wszystkim dziwne
miejsce. Mogą pewnego dnia wspólnie otrzymać Nagrodę Nobla.
Albo mogą też do niczego nie dojść, sparaliżowani tą samą presją,
która przez tyle dziesięcioleci krępowała Tasakiego.
Fakt, że niektórzy neurobiolodzy, tacy jak Laughlin, oraz inni
eksperci, jak Tao, interesują się falami mechanicznymi, mógłby
wydawać się ważną zachętą dla fizyków. Jednak Heimburg pod-
czas rozmowy w lutym był nieugięty. „Wiele osób usiłuje w jakiś
sposób uratować model Hodgkina-Huxlcya, łącząc go po prostu
z naszymi poglądami - powiedział. - Jednak ja osobiście [..]
nie dopuszczałbym żadnego kompromisu między tymi dwoma
modelami".
Z NASZEGO ARCHIWUM
Niedoceniane komórki mózgu. R Dooglas Fields; maj 2004
On Soliton Propagation in Bxxncmbrancs and Nervo. Thomas Heimburg i Andrew D. Jackson."
nr 28. s. 9790-979$; 12 kpca 2005.
Proszę Zaloguj lub Zarejestruj się, aby dołączyć do konwersacji.
Czas generowania strony: 0.092 s.