Ads-728

Ads-728

Psicología

Astrofísica

Genética

Neurociencia

» » » Estampidos sónicos en los nervios y membranas lipídicas

Referencia: Phys.org .
por John Hewitt, 20 enero 2015

* * * *
Las neuronas podrán no ser capaces de enviar señales tan rápido como los electrones por cable o los fotones por fibra, pero, ¿se pueden comunicar usando bombas sónicas en miniatura? Eso sería un descubrimiento revolucionario. 


Un grupo de ingenieros mecánicos de la Universidad de Boston han descubierto recientemente que las ondas de choque bidimensionales, que recuerdan a los picos de propagación de los nervios, pueden ser inducidas en las membranas lípídicas monocapa. Estos resultados fascinantes, puestos en el servidor Arxiv desde noviembre, han sido aprobados para su publicación en la próxima edición de Physical Review E.

La idea de que los potenciales de acción de las neuronas son pulsos de presión acústica ha ganado mucho terreno experimental. Shamit Shrivastava y Matthias Schneider pudieron observar directamente ++ondas solitarias en las membranas utilizando una técnica óptica conocida como transferencia de energía por resonancia de fluorescencia o FRET. A continuación, el grupo de Thomas Heimburg demostró que las potenciales acciones contra la propagación no son destructivas en los nervios, de la manera que se esperaría si fueran puramente picos eléctricos con períodos refractarios e inactivación del canal. En un trabajo que es en gran medida complementario a estos estudios de choque, Heimburg demostro que los pulsos sobreviven a la colisión y siguen viajando en sus direcciones opuestas.

Aunque las ondas solitarias y las ondas de choque compresivas (y para la materia expansiva también) no se excluyen mutuamente, las ondas de choque, en general, se diferencian en que su energía se disipa rápidamente con la distancia. Una característica única de la perturbación del choque es que las ondas pueden viajar significativamente más rápido que una onda ordinaria en un medio dado. Para demostrar que existen estos efectos en las monocapas de lípidos, Shrivastava y Schneider (junto con Kevin Heeyong Kang) variaron la amplitud de la compresión de choque y midieron la velocidad de la onda que se propaga en una configuración especial conocida como depresion Langmuir. Informan así, de una relación de interfaz entre la presión y la densidad bajo condiciones adiabáticas, condiciones donde no hay intercambio de calor, lo cual produce un diagrama de estado adiabático.

Shivastrava mencionó que la literatura general sobre los choques y la detonación puede arrojar luz sobre la interacción de la química con las ondas sonoras. En particular, él sugiere que, realmente unos canales iónicos podrían alimentar a una onda de sonido y compensar la disipación que se espera de su propagación. Esta concepción tiene cierta semejanza con otras ideas, recientemente propuestas, respecto a la descomposición natural de los pulsos de presión en un medio viscoelástico como es el de los nervios. De acuerdo con una hipótesis, los pulsos en segmentos nerviosos mielinizados se refrescan mecánicamente por entradas iónicas en los nodos, mientras que el extremo de la placa muscular también participa en el pulso después de la amplificación debido a la liberación de acetilcolina en la hendidura. Es una de las razones por las que muchos canales iónicos también parecen ser mecanosensitivos, de hecho es la causa de los movimientos coordinados de lípidos en las escalas pertinentes.

Los diagramas de estado y de relaciones termodinámicas pueden parecer a primera vista un poco apartados del mundo biofísico cotidiano de picos de bicapas ricas en proteínas de las neuronas; sin embargo, no debemos temer ir más allá. La forma particular del diagrama de estado determina muchos parámetros críticos de excitaciones en las membranas de lípidos, incluyendo la forma, estabilidad y velocidad. Mientras que las presiones y temperaturas correspondientes a los lípidos pueden ser distintas a los estampidos sónicos generados por los aviones supersónicos, gran parte de la física subyacente es la misma.

Tener esta base física distingue a estos experimentos de otros tipos que uno escucha recientemente afirmando el estallido de las neuronas. En concreto, estoy hablando de los tipos de ‘choques cerebrales' que se teoriza su producción desde la descomposición autopropagante del compuesto peroxinitrato del cerebro o de los órganos sensoriales. En este caso, un pequeño pulso de detonación produciendo betaínas cargadas aparentemente liberaría calor con aumentos de presión posteriores y gasificación local. El trabajo de Shivastava mencionado, en realidad predece que la liberación de calor cerca de las transiciones de fase puede conducir realmente a la condensación de los lípidos.

Al contrario de este tipo de especulación fantástica sobre la detonación de betaína, las mediciones termodinámicas que se están realizando en las neuronas tienen una profunda historia. Muchas de estas ideas actuales de exploración se pueden remontar a la obra de Konrad Kaufmann, que entre otras actividades desarrolló una teoría de la acción de protones en las sinapsis colinérgicas (p. ej., las uniones neuromusculares). Algunas de sus primeras proposiciones acerca de que la acetilcolinesterasa es una 'pistola de protones' enzimática (lo que dio lugar a las ideas posteriores sobre la termodinámica de los nervios) ahora están siendo confirmadas experimentalmente. En otro documento en el servidor Arxiv, Schneider y Christian Fillafer demuestran la despolarización de la membrana y el pico generado por la acetilcolina hidrolizada.


En otras palabras, aquí tenemos ahora otra herejía, que implica que no es tanta la acción de la ACh en las proteínas receptoras que generen la actividad de la membrana, más bien, es la rápida descomposición de la acetilcolina por la acetilcolinesterasa la que libera los protones que luego excitan la membrana postsináptica.

Estos nuevos experimentos no se realizaron en neuronas, ni siquiera en los tan utilizados ovocitos de rana, ya que hay varias variables que complican el funcionamiento. Sin ir más lejos, los ovocitos tienen una intrínseca actividad esterasa, así como una sensibilidad ACh que en la práctica necesita ser suprimida mediante la adición de inhibidores como la atropina. Esta acetilcolinesterasa puede en realidad ser descubierta en un montón de sitios que uno ni se imagina. Se encuentra en los huevos y el esperma, la placenta y el embrión de diferenciación temprana, en las células rojas de la sangre de algunos organismos, y directamente en la sangre de otros.

En lugar de las sospechas usuales, los investigadores utilizaron las excitables células internodales australis Chara, una célula vegetal que tiene una larga historia de uso como un sistema modelo en experimentos electrofisiológicos. Si bien ya se observaron potenciales de acción en las preparaciones de ranas en el siglo XIX, los primeros registros de electrodos intracelulares de potenciales de acción se realizaron en células Chara, unos diez años antes de los famosos registros de axón de calamar.

Este concepto general de excitación de protones puede extenderse a otros transmisores como los excitadores de aminoácidos, o incluso a las bases como la serotonina. Uno podría, por ejemplo, investigar si el glutamato está desprotonado en la hendidura sináptica. Los mecanismos establecidos que se dan en la presinapsis, donde la absorción que depende del pH de glutamato que se entiende que sucede en las vesículas ácidas, puede o no apoyar el caso de que el glutamato sea liberado de forma protonada.

Al hablar con Shivastava y Fillafer, tengo la sensación que de este nuevo trabajo debemos esperar algo muy revolucionario que salga de su laboratorio. Seguro que tendremos más que reportar aquí pronto sobre estos experimentos de vanguardia.

# # #
- Imagen.1 Ondas de choque en membranas. Crédito: Shamit Shrivastava
- Publicación: - Solitary Shock Waves and Adiabatic Phase Transition in Lipid Interfaces and Nerves, arXiv. Physical Review E .
- Relacionado: Sobre la excitación de los potenciales de acción por protones y sus posibles implicaciones para la transmisión colinérgica, arXiv .
- Imagen.2. Nonlinear shallow ocean-wave soliton interactions on flat beaches. Credit:Mark J. Ablowitz and Douglas E. Baldwin Phys. Rev. E 86, 036305.

,

«
Next
Entrada más reciente
»
Previous
Entrada antigua
Editor del blog Pedro Donaire

Filosofía

Educación

Deporte

Tecnología

Materiales