Nerver kommunikerer med lydbølger

Nerver kommunikerer med lydbølger

Med en ny teori for nervebaner, der også forklarer, hvordan bedøvelsesmidler slukker for nervesignalerne, vil to fysikere på Niels Bohr Instituttet skrive lærebøgerne i medicin om

Nervesignaler overføres i form af lydbølger og ikke som en svag elektrisk strøm.

Dette overraskende budskab kommer fra to anerkendte forskere ved Niels Bohr Instituttet på Københavns Universitet. Med deres forskning, som også giver en enkel forklaring på en af lægevidenskabens uafklarede gåder, hvorfor kemisk meget forskellige stoffer kan bruges til bedøvelse, gør lektor Thomas Heimburg og professor Andrew Jackson op med Alan L. Hodgkin og Andrew F. Huxley, der i 1963 fik nobelprisen i medicin for deres forklaring på, at nerver overfører information ved hjælp af elektriske signaler.

»Hodgkin-Huxley-modellen er efterhånden blevet forsynet med så mange parametre, som uden sammenligning i øvrigt minder om de mange parametre, der skulle til, for at beskrive planeternes baner i det gamle system med Jorden i centrum - og som en model med Solen i centrum kunne beskrive mere enkelt,« siger Andrew Jackson.

Heimburg og Jackson fremlagde første gang deres opsigtsvækkende forklaring i en videnskabelig artikel i 2005, som dog ikke vakte den helt store opmærksomhed. Men da forskerne i dette forår kom med en ny artikel, der med udgangspunkt i den første artikel gav en simpel forklaring på, hvordan så forskellige stoffer som æter (f.eks. C4H10O), lattergas (N2O) og ædelgassen xenon (Xe) virker som anæstesi-midler, og til med forklarede, hvorfor de skal doseres i forskellig mængde, så vågnede omverdenen op.

I medicinske fagkredse er deres forskning dog blevet mødt med en del skepsis. Til skeptikerne hører den kendte neuroforsker og kommunikator Steven Novella fra Yale University School of Medicine, som omtalte Heimburg og Jacksons forskning på sin NeuroLogica Blog. Novella kommenterede artiklen med ordene: "Ideen er interessant, men jeg køber den ikke". Novella anerkender dog, at Heimburg og Jackson har fat i væsentligt problem i Hodgkin og Huxleys model: "En elektrisk modstand bliver varm, når der går en strøm gennem den. Nervebaner bliver ikke varme". Og det forhold vil også Novella gerne have en forklaring på.

Når det er et afgørende problem i Hodgkin-Huxley-modellen, er det fordi, at en elektrisk strøm, der ikke giver anledning til varmetab i en modstand, strider mod termodynamikkens anden hovedsætning. Og er der en lov som fysikere som Heimburg og Jackson respekterer, så er det termodynamikkens anden hovedsætning, der siger, at entropien i lukket system er konstant eller vokser.

Den engelske fysiker Arthur Eddington (1882-1944) udtrykte det engang noget i denne stil: »Hvis din teori modbevises af eksperimenter, ja, så er det før set, at eksperimenter har været forkerte. Men hvis din teori strider mod termodynamikkens anden hovedsætning, så er der intet håb.«

Heimburg og Jacksons forklaring udelukker dog ikke, at der opstår et målbart elektrisk signal i forbindelse med lydbølgens udbredelse gennem nerven - men det er i form af en piezo-elektrisk puls, mere herom senere. Det er også værd at bemærke, at forklaringen udelukkende vedrører, hvordan signalerne udbreder sig langs en enkelt nervebane. Heimburg og Jackson kommer ikke ind på, hvordan signaler overføres fra en nerve til en anden i synapser.

Det begyndte med Bach

Nervesignaler overføres i form af lydbølger og ikke som en svag elektrisk strøm.

Den nu 47-årige tyske fysiker Thomas Heimburg kom for fire år siden til Niels Bohr Institutet fra Max-Plack-Institut für biophysikalische Chemie i Göttingen. Han leder nu en forskningsgruppe inden for biofysik, som især interesserer sig for membraner.

Thomas Heimburg er termodynamikker og eksperimentalfysiker. Så det var ikke i første omgang fysikken, men interessen for musik og især Bach, der bragte ham i kontakt med professor i teoretisk fysik Andrew Jackson, som deler samme glæde. Andrew Jackson indrømmer gerne, at hans kendskab til biofysik er yderst begrænset, men han har kunnet hente teorier og formler fra kernefysikkens verden, som han har kunnet overføre til biofysikken, og med hjælp fra andre af instituttets forskere, bl.a. professor Benny Lautrup, er det blevet til ny teori for nerver baseret på Thomas Heimburgs eksperimenter og termodynamiske modeller.

Nervebaner er omsluttet af en membran, der består af fedtstoffer (lipider) og proteiner.

Lipiderne i membranen har en hydrofil (vand­elskende) og en hydrofob (vandskyende) ende. Det betyder, at der er en elektrisk ladningsforskel mellem lipiderne to ender, og membranen derved virker som en elektrisk ladet kondensator.

Ifølge Hodgkin-Huxley modellen transporteres der gennem såkaldte ion-kanaler elektrisk ladning i form af kalium- og natrium-ioner hen over membranen, og det giver anledning til, at elektrisk ladning og dermed elektrisk spænding bevæger sig langs nervebanen.
Men når man måler en elektrisk spænding, der ændres, behøver der ikke at tale om være en ladning, der flytter sig.

Det kan i tilfældet med membranen, som virker som en elektrisk ladet kondensator, lige så vel være tale om, at kapacitansen ændrer sig. Sammenhængen mellem ladningen Q og spændingen V for en kondensator med kapacitans C er givet med Q = C V. Det kan omskrives til V = Q/C. Når man detekterer ændringer i spændingen V, kan det enten være en ladning, der flytter sig (Q ændres) eller, at C ændres ved, at en tæthedsbølge passerer langs membranen eller i princippet en kombination af de to effekter.

Tæthedspulsen har form som en lydbølge, men Andrew Jackson er ked af at tale alt for meget om lydbølger, idet det kan give en opfattelse af noget, som man kan høre og det er ikke tilfældet.

Et umiddelbart problem ved denne teori er dog, at en tæthedsbølge normalt vil blive udtværes og blive svagere, når den skrider fremad. Det er dog velkendt for utallige fænomener vedrørende udbredelse af bølger, hvad enten det er tale om vandbølger i kanaler eller lys (elektromagnetiske bølger) i lysledere, at har man en kombination af dispersion og ulinearitet, så kan der opstå bølger i form af solitoner, der udbreder sig uden at ændre form.

Dispersion er det forhold, at bølger med forskellig frekvens bevæger sig med forskellig hastighed, og ulinearitet betyder, at intense og svage bølger bevæger sig med forskellig hastighed. Når de to fænomener udbalancerer hinanden, får man solitoner, og derfor kendes Heimburg og Jacksons teori for nervesignaler også som soliton-modellen, og som sådan kan den bl.a. findes omtalt på internet-leksikonet Wikipedia. Andrew Jackson erkender, at reaktionerne på modellen har været blandede. »Og ikke mindst hos ion-kanal forskere er der modstand,« siger han.

Udover at løse problemet med termodynamikken giver soliton-modellen dog også andre forudsigelser. Den forklarer eksempelvis, hvorfor signalerne i de lange nerver i benene udbreder sig med hastigheder på 100-200 m/s, og signalerne i de korte nerver yderst i fingrene kun bevæger sig med 2-3 m/s. Forskellen skyldes simpelt hen, at nervernes mekaniske opbygning er forskellig, så de korte nerver er lettere at trykke sammen end de lange nerver, som er beskyttet af et "panser".

Men den helt nye forklaring på, hvorfor meget forskellige stoffer kan virke som bedøvelsesmidler, ser Andrew Jackson og Thomas Heimburg også som et argument for deres hypotese.

Nervesignaler overføres i form af lydbølger og ikke som en svag elektrisk strøm.

I 1846 viste tandlægen William Morten i Boston, at æter virker som anæstesi. Det er sikkert en overraskelse for de fleste, at anæstesi siden da primært har været en empirisk videnskab, og der ikke blandt læger og forskere findes en generel accepteret forklaring på, hvorfor nogle stoffer virker som anæstesi og andre ikke gør.

Ifølge en artikel i Scientifc American fra juni 2007 skrevet af Beverly A. Orser, professor i anæstesi og fysiologi ved Universty of Toronto, har man gennem størstedelen af den 20. århundrede troet, at anæstesi foregår ved, at lipider i cellemembranen afbrydes. Nyere forskning er dog fokuseret på, hvordan stofferne kemisk reagerer med receptorer i synapser, hvor signaler overføres fra en nerve til en anden - og de så at sige virker som at hive stikket ud. Denne forklaring tror fysikerne Heimburg og Jackson ikke på - de har måske ikke overraskende en fysisk forklaring, og forklaringen skal ikke findes i synapserne, men i nervesignalets mulighed for at udbrede sig langs nervebanen.

De tager udgangspunkt i den lovmæssighed som Hans Meyer og Charles Ernest Overton uafhængigt af hinanden fandt for mere end 100 år siden, at et bedøvelsesmiddel skal doseres i forhold til stoffets opløselighed i olivenolie. Opløseligheden i olivenolie svarer til opløseligheden i nervebanens lipidmembran.

Heimburgs målinger viser, at bedøvelsesmidler sænker den faseovergangstemperatur, som normalt er ca. 15 grader under kroppens temperatur, og som adskiller en flydende tilstand for lipiderne fra en gel-agtig tilstand. Den større forskel mellem kropstemperaturen og faseovergangstemperaturen betyder, at tæthedsbølgerne ikke kan udbrede sig, og nervesignalet derved slås fra.

Andrew Jackson forklarer, at faseovergangen fra flydende til gel også kan ændres ved tryk. Og det passer med, at man har observeret, at haletudser, der bragt til bedøvelse, vågner op, når trykket øges til 25 atmosfære. Det forhold har bl.a. en konsekvens for patienter på brandsårsafdelinger, der netop behandles under højt tryk, og derfor skal have større mængder anæstesi end andre patienter. Også infektioner kan modvirke anæstesi ved at øge faseovergangstemperaturen, idet infektioner øger surhedsgraden (sænker pH-værdien).

Nervesignaler overføres i form af lydbølger og ikke som en svag elektrisk strøm.

Hverken Thomas Heimburg eller Andrew Jackson slynger om sig med skråsikre synspunkter. De mener at have fremlagt en sober og gennemarbejdet teori, som giver forudsigelser, der kan afprøves.

I en kommentar, der kan læses på Steven Novellas blog, har Thomas Heimburg skrevet: "Ligesom alle videnskabelige modeller kan vores selvfølgelig vise sig at være forkert eller mangelfuld. At modbevise den fundamentale idé vil dog kræve seriøse overvejelser og undersøgelser, fordi de underlæggende fysiske argumenter er meget stærke".

Holder argumenterne i det lange løb, skal lærebøgerne på medicinstudiet skrives om.

Kommentarer (0)