Akční potenciál z pohledu biomechaniky

Abstract

Most used model at this time, the Hodgkin-Huxley model for describing action potential, deals only with electrical properties of nerve impulse. It was experimentally proved action potential is coupled with a number of nonelectric phenomena, such as the change of axon thickness and length, reabsorption of released heat or change in optical properties. Many models for the origin and propagation of action potential were created. None of the present models explicitly incorporates the mechanical properties of the excitable membrane. In this thesis a viscoelastic model is derived which can explain the opening and closing of ion channels and therefore the mechanism of inducing the action potential. This model was successfully fitted to the original data of Hodgkin and Huxley, 1952. A unique experiment was conducted with mice neurons and the use of an atomic force microscope. Compared to other experiments this measurement was done using spontaneous action potentials. This means the nerve impulse is not electrically evoked, but one waits until the impulse occurs spontaneously. This ensures the action potential is not altered in any way by the measurement. The experiment has proved existing relationship between the change of the axon diameter and the action potential.

Nejvíce užívaný model pro popis akčního potenciálu v tuto chvíli, Hodgkin-Huxleyho model, pracuje pouze s elektrickými vlastnostmi nervového impulsu. Experimentálně bylo prokázáno, že akční potenciál je spojen s množstvím neelektrických dějů, jako například změna tloušťky a délky axonu, reabsorbce uvolněného tepla či změna optických vlastností. Pro popis vzniku a šíření akčního potenciálu bylo vytvořeno mnoho modelů. Žádný z dosavadních modelů ale explicitně nezahrnuje mechanické vlastnosti vzrušivé membrány. V této diplomové práci byl odvozen viskoelastický model, kterým je možné vysvětlit chování iontových kanálků, jež jsou základem pro vznik akčního potenciálu. Tento model byl úspěšně nafitován na původní data Hodkinga a Huxleyho, 1952. Dále bylo ověřeno propojení akčního potenciálu s deformací membrány. Byl proveden jedinečný experiment na myších neuronech pomocí mikroskopu atomárních sil. Oproti jiným experimentům bylo toto měření provedeno se spontánními akčními potenciály. To znamená, že nervový impuls není uměle vyvolán, ale čeká se, až proběhne spontánní impuls. Výsledkem je, že nervový impuls nebyl měřením nijak pozměněn. Experiment potvrdil, že existuje vazba mezi změnou tloušťky axonu a akčním potenciálem.