Shamit Shrivastava, un ricercatore post-dottorato presso il Dipartimento di Scienze dell'Ingegneria, scrive di una recente scoperta che ha conseguenze di vasta portata per la comprensione fondamentale della fisica del cervello. La ricerca è stata condotta in collaborazione con il professor Matthias F Schneider presso l'Università tecnica di Dortmund, Germania.

Le scoperte, pubblicato in Journal of Royal Society Interface , forniscono la prova sperimentale che le onde sonore che si propagano in sistemi lipidici artificiali che imitano la membrana del neurone possono annichilarsi a vicenda in caso di collisione - una notevole proprietà dei segnali che si propagano nei neuroni che era considerata inaccessibile a un fenomeno acustico.

Si ritiene che gli impulsi nervosi si propaghino in modo simile alla conduzione di corrente in un cavo elettrico. Però, da quando esiste la teoria elettrica, gli scienziati hanno anche misurato vari altri segnali fisici che sono ugualmente caratteristici di un impulso nervoso, come cambiamenti nelle proprietà meccaniche e ottiche che si propagano in sincronia con il segnale elettrico. Per di più, diversi studi hanno riportato variazioni di temperatura reversibili che accompagnano un impulso nervoso, che è incompatibile con la comprensione elettrica da un punto di vista termodinamico.

Per ovviare a queste incongruenze, i ricercatori avevano precedentemente proposto che la propagazione dell'impulso nervoso derivi dagli stessi principi fondamentali che causano la propagazione del suono in un materiale e non dal flusso di ioni o corrente. In questo quadro, la natura elettromeccanica dell'impulso nervoso, noto anche come potenziale d'azione, emerge naturalmente dalle proprietà collettive della membrana plasmatica, in cui si propaga il suono o l'onda di compressione. Quindi le caratteristiche dell'onda sono derivate dai principi della fisica della materia condensata e della termodinamica, a differenza dell'enfasi sulla biologia molecolare nella teoria elettrica.

Il suggerimento è stato molto controverso a causa della natura ben accettata e ampiamente riuscita della base elettrica della propagazione dell'impulso nervoso nonostante le sue poche incongruenze. Come un fenomeno ondulatorio, la propagazione dell'impulso nervoso ha proprietà notevoli, come una soglia di eccitazione, propagazione non dispersiva (solitaria) e tutto o niente, e l'annientamento di due impulsi che vanno incontro a collisione frontale. Inoltre, le onde sonore non sono generalmente associate a tali caratteristiche, piuttosto si sa che le onde sonore si diffondono, disperdere, dissipare, sovrapporre e interferire, il che è controintuitivo date le proprietà degli impulsi nervosi.

Perciò, l'evidenza sperimentale di un tale fenomeno era cruciale, che è stato fornito da noi nel 2014. Abbiamo dimostrato che le onde sonore o di compressione possono effettivamente propagarsi all'interno di un sottile film molecolare di molecole lipidiche, mimando i potenziali d'azione nella membrana plasmatica. Sorprendentemente, anche in un sistema così minimalista che è privo di proteine ​​e macromolecole diverse dai lipidi, queste onde si comportano in modo sorprendentemente simile agli impulsi nervosi in un neurone, compresa la propagazione di impulsi elettromeccanici solitari, la velocità di propagazione e l'eccitazione totale o nulla. È stato dimostrato che queste caratteristiche sono una conseguenza del cambiamento conformazionale o di una transizione di fase nelle molecole lipidiche che accompagnano l'onda sonora. Quindi solo quando viene fornita energia sufficiente per provocare un cambiamento di fase nei lipidi (da fluido a gelatinoso), l'intero impulso si propaga altrimenti nulla si propaga, la cosiddetta propagazione del tutto o niente.

Ora, in una ricerca pubblicata su Journal of Royal Society Interface , abbiamo dimostrato che queste onde possono persino annichilirsi a vicenda in caso di collisione, proprio come gli impulsi nervosi. Anche dal punto di vista della fisica puramente acustica, questa è una scoperta notevole. Le ampiezze di due impulsi sonori che si scontrano frontalmente in genere si sovrappongono linearmente prima di passare l'un l'altro inalterato. Anche gli impulsi sonori non lineari, come solitoni, in genere rimangono inalterati in caso di collisione, che è stata una delle principali critiche alla proposta teoria acustica della propagazione degli impulsi nervosi.

Con l'osservazione dell'annientamento degli impulsi sonori in collisione nel sistema lipidico modello, abbiamo dimostrato che le caratteristiche qualitative dell'intero fenomeno della propagazione dell'impulso nervoso possono essere derivate esclusivamente dai principi della fisica della materia condensata e della termodinamica senza la necessità di modelli molecolari o parametri di adattamento della teoria elettrica. Abbiamo dimostrato un fenomeno acustico unico che combina tutte le caratteristiche osservabili che definiscono la propagazione degli impulsi nervosi. Ciò suggerisce fortemente che la fisica sottostante alla propagazione del suono e degli impulsi nervosi è davvero la stessa.