Propagation electrodynamics differential conduction of action potentials in geometrically branched squid giant axons

Binnen de hersenen rust de meest fundamentele handeling van het denken, voelen en bewegen op een eenvoudige maar diepgaande gebeurtenis: een elektrische vonk die langs een draad reist. Deze draden zijn niet van koper of silicium, maar zijn de lange, dunne uitlopers van zenuwcellen, genaand axonen. Decennialang hebben wetenschappers begrepen hoe deze signalen bewegen aan de hand van een reeks regels die bekend staat als de kabeltheorie. Deze theorie behandelt het axon als een lange, lekkende slang, waarbij elektriciteit door het midden stroomt en via de zijkanten naar buiten lekt. Het werkt goed genoeg om uit te leggen hoe een signaal door een rechte, uniforme buis reist. De echte hersenen zijn echter geen verzameling van rechte buizen. Het is een verstrengeld bos van vertakkingen, waar een enkele zenuwvezel zich splitst in tweeën, dan in vieren, en daarna in vele meer, wat een complex geometrisch puzzelstuk creëert. Wanneer een signaal een splitsing in de weg tegenkomt, moet het beslissen hoe het zijn energie verdeelt. De oude regels gingen ervan uit dat als de takken even groot waren, het signaal gelijkmatig zou splitsen, en als ze verschillend waren, de splitsing een voorspelbaar patroon zou volgen dat puur gebaseerd was op hun breedte.

Maar wat als de oude regels een stukje van de puzzel missen? Wat als de beweging van elektriciteit door deze minuscule draden zijn eigen onzichtbare magnetische veld creëert, en dat veld op zijn beurt terugduwt op de elektriciteit? Dit is de vraag die een team van onderzoekers probeerde te beantwoorden. Ze bouwden een nieuw, completer model van hoe zenuwsignalen reizen, een model dat niet alleen naar de elektrische stroom kijkt, maar ook rekening houdt met de magnetische krachten die ontstaan wanneer die stroom beweegt. Door deze interacties op een computer te simuleren, ontdekten ze dat de magnetische effecten niet slechts een klein detail zijn dat genegeerd kan worden; ze zijn krachtig genoeg om te veranderen hoe snel een signaal beweegt, hoe het zich bij een vertakkingspunt gedraagt, en zelfs of het er wel in slaagt de overgang te passeren.

De onderzoekers begonnen met het nemen van het standaardmodel van een zenuwcel en voegden daar de volledige wetten van het elektromagnetisme aan toe. In de traditionele visie is een zenuwsignaal slechts een golf van spanning die langs een cilinder beweegt. In deze nieuwe visie genereert die bewegende golf van elektriciteit een magnetisch veld, en dat magnetische veld creëert een kracht die inwerkt op de bewegende ionen binnen de cel. Het is een tweerichtingsgesprek tussen elektriciteit en magnetisme. Om dit te testen, creëerde het team een virtuele omgeving waarin ze deze signalen door vertakkende structuren konden zien reizen, vergelijkbaar met een boomstam die zich splitst in takken. Ze voerden duizenden simulaties uit, waarbij ze de dikte van de ouderlijke tak en de dochtertakken veranderden, en observeerden wat er gebeurde wanneer het signaal de splitsing bereikte.

De resultaten waren verrassend. In het oude model, als je een van de dochtertakken erg breed maakte, zou het signaal er gemakkelijk in stromen, waarbij het misschien een beetje vertraagt in de andere, smallere tak. In het nieuwe model veranderden de magnetische krachten de uitkomst volledig. De onderzoekers ontdekten dat de magnetische effecten het veel moeilijker maakten voor een signaal om een splitsing te passeren. Sterker nog, het signaal zou veel eerder in een dochtertak vastlopen bij een kleinere omvang dan de oude theorie voorspelde. Het was alsof het magnetische veld een onzichtbare muur creëerde, die het signaal blokkeerde voordat het het punt bereikte waar de oude theorie had gezegd dat het zou stoppen. Dit betekent dat in de echte hersenen de drempel waarbij een signaal vastloopt bij een splitsing lager ligt dan we dachten; het signaal is kwetsbaarder bij deze splitsingen dan voorheen werd aangenomen.

De studie onderzocht ook wat er gebeurt wanneer twee takken precies even groot zijn. Volgens de oude regels, als een signaal aankomt bij een splitsing waar beide paden identiek zijn, zou het perfect gelijkmatig moeten splitsen en met dezelfde snelheid door beide takken moeten reizen. De nieuwe simulaties toonden aan dat deze perfecte symmetrie verbroken kan worden door een extern magnetisch veld. Als u een magnetisch veld van opzij aanbrengt, versnelt het signaal in de ene tak en vertraagt het in de andere, ook al zijn de takken fysiek identiek. De magnetische kracht duwt de elektrische ladingen anders afhankelijk van de richting waarin ze bewegen ten op%，relatief aan het veld. Dit suggereert dat de bedrading van de hersenen gevoelig kan zijn voor de magnetische omgeving op manieren die we nooit voor mogelijk hadden gehouden, wat potentieel de mogelijkheid biedt dat externe magnetische velden de manier waarop informatie door een enkele neuron wordt gerouteerd, subtiel veranderen.

Misschien wel de meest opmerkelijke bevinding betrof de snelheid van het signaal zelf. Lange tijd geloofden wetenschappers dat de snelheid van een zenuwsignaal toeneemt met de vierkantswortel van de dikte van het axon. Een dikkere draad betekent minder weerstand, dus het signaal reist sneller. Deze regel bleef waar voor dunne en middelgrote draden in de nieuwe simulaties. Echter, toen de onderzoekers een ouderlijke tak zeer dik maakten, werd het signaal niet steeds sneller. In plaats daarvan liep het tegen een muur aan. De magnetische feedback werd zo sterk bij grote kabeldiameters dat het het signaal daadwerkelijk vertraagde en in sommige gevallen zelfs volledig stopte voordat het de startplaats überhaupt kon verlaten. De oude theorie voorspelde dat een zeer dikke draad altijd een snelweg voor signalen zou zijn, maar het nieuwe model laat zien dat er een limiet is. Als de draad te dik is, creëren de magnetische krachten die gegenereerd worden door de massale stroom van de elektrische stroom een feedbackloop die het signaal blokkeert.

Deze bevindingen komen voort uit een geavanceerde computersimulatie die de vergelijkingen voor elektrische circuits combineerde met de vergelijkingen voor magnetische velden. De onderzoekers gokten niet alleen; ze bouwden een systeem dat deze vergelijkingen stap voor stap oploste, waarbij ze bijhielden hoe de spanning, de stroom en het magnetische veld samen over de tijd veranderden. Ze controleerden hun werk door te verzekeren dat de totale hoeveelheid stroom die een splitsing binnenkwam altijd overeenkwam met de totale hoeveelheid die eruit ging, een fundamentele natuurkundige wet. Toen ze de magnetische termen toevoegden, ontdekten ze dat de balans een nieuwe manier vereiste om te berekenen hoe het signaal zou splitsen. Ze stelden een nieuwe formule voor die deze magnetische effecten bevat, wat de manier verandert waarop we over de geometrie van zenuwtakken moeten denken.

De implicaties van dit werk zijn aanzienlijk voor ons begrip van de hersenen. Als de magnetische effecten echt en meetbaar zijn, dan is de manier waarop signalen door de complexe, vertakkende bomen van onze neuronen reizen ingewikkelder dan de eenvoudige elektrische modellen doen vermoeden. De hersenen kunnen gevoeliger zijn voor magnetische velden dan we ons realiseren, en de regels voor hoe signalen falen of slagen bij splitsingen moeten wellicht worden herschreven. De onderzoekers suggereren dat toekomstige studies moeten kijken naar deze effecten in echt biologisch weefsel, bijvoorbeeld door gebruik te maken van hoogresolutie metingen om te zien of de signalen zich gedragen zoals de simulaties voorspellen. Voor nu staat dit werk als een herinnering aan het feit dat zelfs in de minuscule, drukke wereld van een zenuwcel, de krachten van elektriciteit en magnetisme onlosmakelijk met elkaar verbonden zijn en de stroom van gedachte en sensatie vormen op manieren die de oude, eenvoudigere modellen niet konden zien.