Nerveimpulser kan kollidere og fortsætte uanfægtet
Ifølge den traditionelle teori for nerver, vil to nerveimpulser, som sendes fra hver sin ende af en nerve, opløse hinanden, når de kolliderer midtvejs. Nu viser ny forskning fra Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, at to nerveimpulser, der mødes fra hver sin retning, simpelthen passerer forbi hinanden og fortsætter uanfægtet. Dette understøtter teorien om, at nerver fungerer ved lydpulser. Resultaterne er publiceret i det videnskabelige tidsskrift, Physical Review X.
Alfredo Gonzales-Perez, postdoc i Membran Biofysik-Gruppen. Her er han i færd med at dissekere en hummer for at tage nerver ud til forsøgene.
(Credit: Andrew Jackson, NBI)
Nervesignaler styrer kommunikationen mellem en organismes milliarder af celler og er medvirkende til, at de kan arbejde sammen i neurale netværk. Men hvordan fungerer nervesignalerne?
Gammel model
I 1952 fremsatte Hodgkin og Huxley deres model, som beskriver nervesignaler som en elektrisk strøm langs nervebanen via en ion-mekanisme. Mekanismen virker ved, at der på begge sider af nervemembranen flyder et lag af elektrisk ladede stoffer, (ioner af natrium og kalium), som ved stimulering bytter plads, og denne ændring i ladning skaber en elektrisk strøm.
Alle har troet på denne model. Alle medicinske og biologiske lærebøger har i flere end 60 år beskrevet, at nerver fungerer ved elektrisk strøm langs nervebanen. Men modellen kan ikke forklare en række fænomener, som kendes ved nervers funktion.
Ny model
Nu har forskere på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet udført eksperimenter, som giver anledning til tvivl om den ellers så fasttømrede model med elektriske impulser langs nervebanen.
”Ifølge teorien for ion-mekanisme efterlader det elektriske signal et spor af inaktiv strækning efter sig, og nerven kan først sende nye signaler igen efter en kort passiv periode. Derfor vil to elektriske impulser, som sendes fra hver sin ende af en nerve, blive stoppet, når de kolliderer midtvejs og støder ind i den passive strækning”, fortæller Thomas Heimburg, professor og leder af Membran Biofysik-gruppen på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.
Illustrationen viser to nervesignaler, der passerede forbi hinanden fuldstændigt uhindret. Det bekræfter teorien om, at signalet består af bølger i form af en lyd-puls, en soliton, som bevæger sig langs nervebanens membran. Når lydpulsen bevæger sig gennem nervebanen ændres membranen lokalt fra at være flydende (grøn) til at være mere fast (rød). Det trykker membranen lidt sammen, og der opstår det, der kaldes en piezoelektrisk effekt.
(Credit: Marie Dyekjær Eriksen, NBI)
Thomas Heimburg og hans forskningsgruppe udførte forsøg i laboratoriet med nerver fra regnorm og hummere. Nerverne blev fjernet og sat op i et forsøg, hvor forskerne stimulerede nervetrådene med elektroder i begge ender, hvorefter de målte signalernes fremkomst undervejs.
”Vores forsøg viste, at signalerne passerede forbi hinanden fuldstændigt uhindret. Sådan fungerer lydbølger. Lydbølger stopper ikke ved mødet med en anden lydbølge. De fortsætter uhindret videre. Nervebanens impuls kan derfor forklares med, at pulsen består af mekaniske bølger i form af en lyd-puls, en soliton, som bevæger sig langs nervebanens membran”, forklarer Thomas Heimburg.
Rima Budvytyte postdoc i Membran Biofysik-Gruppen. Hun er her ved at forberede nerven, der skal bruges til eksperimenterne. (Credit: Ola Jakup Joensen, NBI)
Teorien bekræftes
Når lydpulsen bevæger sig gennem nervebanen ændres membranen lokalt fra at være flydende til at være mere fast. Det trykker membranen lidt sammen, og der opstår det, der kaldes en piezoelektrisk effekt. ”De elektriske signaler er altså ikke baseret på elektrisk strøm, men er derimod opstået på grund af en mekanisk kraft”, påpeger Thomas Heimburg.
Allerede i 2005 fremsatte Thomas Heimburg sammen med professor Andrew Jackson teorien om, at nerver fungerer ved lyd-pulser. Siden har deres forskning bekræftet denne teori, og de nye eksperimenter er endnu en stadfæstning af teorien om lydpulser som nervesignaler.
Thomas Heimburg, professor og leder af Membran Biofysik-Gruppen på Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, 3532-5389, 2629-5233, theimbu@nbi.dk