Shamit Shrivastava, investigador postdoctoral en el Departamento de Ciencias de la Ingeniería, escribe sobre un hallazgo reciente que tiene consecuencias de gran alcance para la comprensión fundamental de la física del cerebro. La investigación se llevó a cabo en colaboración con el profesor Matthias F Schneider de la Universidad Técnica de Dortmund, Alemania.

Los resultados, publicado en el Interfaz de Journal of Royal Society , proporcionan la evidencia experimental de que las ondas sonoras que se propagan en sistemas de lípidos artificiales que imitan la membrana de las neuronas pueden aniquilarse entre sí en caso de colisión, una propiedad notable de las señales que se propagan en las neuronas y que se consideraba inaccesible a un fenómeno acústico.

Se cree que los impulsos nerviosos se propagan de manera similar a la conducción de corriente en un cable eléctrico. Sin embargo, desde que existe la teoría eléctrica, Los científicos también han estado midiendo varias otras señales físicas que son igualmente características de un impulso nervioso, como cambios en las propiedades mecánicas y ópticas que se propagan en sincronía con la señal eléctrica. Es más, varios estudios han informado cambios de temperatura reversibles que acompañan a un impulso nervioso, lo cual es inconsistente con la comprensión eléctrica desde un punto de vista termodinámico.

Para abordar estas inconsistencias, Los investigadores habían propuesto previamente que la propagación del pulso nervioso resulta de los mismos principios fundamentales que causan la propagación del sonido en un material y no el flujo de iones o corriente. En este marco, la naturaleza electromecánica del impulso nervioso, también conocido como potencial de acción, surge naturalmente de las propiedades colectivas de la membrana plasmática, en el que se propaga el sonido o la onda de compresión. Así, las características de la onda se derivan de los principios de la física y la termodinámica de la materia condensada, a diferencia del énfasis en la biología molecular en la teoría eléctrica.

La sugerencia ha sido muy controvertida debido a la naturaleza bien aceptada y ampliamente exitosa de la base eléctrica de la propagación del pulso nervioso a pesar de sus pocas inconsistencias. Como fenómeno ondulatorio, la propagación del pulso nervioso tiene propiedades notables, como un umbral para la excitación, propagación no dispersiva (solitaria) y de todo o nada, y aniquilación de dos pulsos que chocan de frente. Es más, las ondas sonoras generalmente no están asociadas con tales características, más bien se sabe que las ondas sonoras se esparcen, dispersar, disipar, superponer e interferir, lo cual es contrario a la intuición dadas las propiedades de los impulsos nerviosos.

Por lo tanto, La evidencia experimental de tal fenómeno fue crucial, que proporcionamos nosotros en 2014. Demostramos que las ondas de sonido o de compresión pueden propagarse dentro de una película molecular delgada de moléculas de lípidos, imitando potenciales de acción en la membrana plasmática. Notablemente, incluso en un sistema tan minimalista que carece de proteínas y macromoléculas que no sean lípidos, estas ondas se comportan sorprendentemente similar a los impulsos nerviosos en una neurona, incluyendo la propagación de pulsos electromecánicos solitarios, la velocidad de propagación y excitación de todo o nada. Se demostró que estas características son una consecuencia del cambio conformacional o una transición de fase en las moléculas de lípidos que acompañan a la onda sonora. Por lo tanto, solo cuando se proporciona suficiente energía para provocar un cambio de fase en los lípidos (de líquido a gel), todo el pulso se propaga, de lo contrario, nada se propaga, la llamada propagación de todo o nada.

Ahora, en investigaciones publicadas en el Interfaz de Journal of Royal Society , Hemos demostrado que estas ondas pueden incluso aniquilarse entre sí al chocar, al igual que los impulsos nerviosos. Incluso desde una perspectiva de física puramente acústica, este es un hallazgo notable. Las amplitudes de dos pulsos de sonido que chocan de frente típicamente se superponen linealmente antes de pasar uno al otro sin verse afectados. Incluso pulsos de sonido no lineales, como solitones, normalmente no se ven afectados por la colisión, que fue una de las principales críticas a la teoría acústica propuesta de la propagación del pulso nervioso.

Con la observación de la aniquilación de pulsos de sonido en colisión en el sistema lipídico modelo, Hemos demostrado que las características cualitativas de todos los fenómenos de la propagación del pulso nervioso pueden derivarse únicamente de los principios de la física y la termodinámica de la materia condensada sin la necesidad de modelos moleculares o parámetros de ajuste de la teoría eléctrica. Hemos demostrado un fenómeno acústico único que combina todas las características observables que definen la propagación de los impulsos nerviosos. Esto sugiere fuertemente que la física subyacente de la propagación del sonido y los impulsos nerviosos es de hecho la misma.