Transmissió de potencials d'acció basada en la propagació de camps elèctrics intra-membrana
Authors:   , Martí Edo Albert 
Published: August 2023

Current theories and mechanisms of nerve impulse propagation inside neurons do not give a satisfactory explanation to the nanoscale processes that occur inside the membrane. Propagation at the dendritic zones, and at the myelinated and unmyelinated axons, presents effects and events that, despite numerical calculations of current models fit with biological results obtained with macroscopic measurements, are far from giving an explanation to the real operation of biological mechanisms and to the effects and behaviors that the involved biological elements support.
Current biological knowledge on the structure and behavior of biological membranes, as well as on the structure and function of voltage-regulated ion channels, allows us to consider alternatives to existing propagation mechanisms, giving explanation to the effects and behavior from both nanoscale and macroscopic level.
This theoretical study proposes intra-membrane electric field propagation as a feasible propagation mechanism capable to explain both macroscopic and nanometric effects.
With current theories and mechanisms, generation, propagation and regeneration of the nerve impulse is based on the action potential propagation effect. The action potential can be defined as the temporal imbalance that affects the membrane potential during nerve impulse propagation, as a consequence of ion channel opening.
Progress on the neural membrane biological structure knowledge has allowed to propose a new hypothesis on the action potential operation. Besides the membrane potential variation, the electric charge that crosses the membrane generates an electric field that propagates inside the cell membrane, activating the closer ionic channels. This mechanism gives an explanation compatible with existing biological components and with other effects hard to explain with the standard current mechanisms. In addition, the proposed intra-membrane electric field propagation mechanism allows for a different explanation of the action potential evolution, as well as ion traffic level more in line with the capabilities of the biological reality, both on the ion traffic level and energy consumption.
The proposed mechanism allows to explain the so-called saltatory action potential propagation on myelinated axons, and to apply the saltatory propagation to unmyelinated axons. In the latter, as short-distance steps; in the former, as long-distance jumps, also giving a coherent answer to the constant-time propagation independent of the distance between nodes of Ranvier.
The proposed mechanism suggests that the effects the action potential presents are more the result of a charge displacement inside sodium and potassium channels than a current that crosses ion channels.
An important factor to consider in this mechanism is the energy consumption minimization, a fundamental biological premise for maximum optimization of process operation.
Les actuals teories i mecanismes de propagació de l'impuls nerviós per l'interior de les neurones no donen una explicació suficientment satisfactòria ni als principis físics als quals estan subjectes, ni als processos nanomètrics que es produeixen al seu interior. La propagació a les zones dendrítiques i als axons mielinitzats i no mielinitzats presenten efectes i esdeveniments que si bé el càlcul numèric dels actuals models concorda amb els resultats biològics obtinguts amb mesures macroscòpiques, estan lluny de donar una explicació al funcionament real dels mecanismes biològics i als efectes i comportaments que presenten la resta d'elements biològics participants que hi donen suport. Els actuals coneixements sobre l'estructura i comportament de les membranes biològiques, així com el coneixement sobre l'estructura i el funcionament dels canals iònics regulats per voltatge, ens permet plantejar una opció alternativa als mecanismes existents de propagació, donant explicació als efectes i comportaments tant des d'una escala nanomètrica com des d'una escala macroscòpica. En aquest treball teòric es proposa la propagació de camps elèctrics intra-membrana com un mecanisme possible de propagació amb la capacitat de donar explicació tant als efectes macroscòpics com als nanomètrics. Amb les teories i mecanismes actuals, la generació, la propagació i la reemissió de l'impuls nerviós es fonamenta en un efecte anomenat potencial d'acció. El potencial d'acció el podem definir com el desequilibri temporal que pateix el potencial de membrana, durant la propagació de l'impuls nerviós, i que és conseqüència de l'obertura dels canals iònics. El progrés en el coneixement sobre les estructures biològiques existents a les membranes neuronals ha permès plantejar una nova hipòtesi sobre el funcionament del potencial d'acció. A més de la variació del potencial de membrana, la càrrega elèctrica que travessa la membrana genera un camp elèctric que es propaga per l'interior de la membrana cel·lular, activant els canals iònics propers. Aquest mecanisme aporta una explicació consistent, compatible amb els components biològics existents i amb altres efectes difícilment explicables amb els mecanismes estàndard actuals. A més, el mecanisme de propagació per camp elèctric intra-membrana proposat permet donar una explicació diferent de l'evolució dels potencials d'acció, així com un nivell de tràfic iònic més en consonància amb les capacitats de la realitat biològica, tant en el nivell de tràfic existent com en el consum energètic. El mecanisme proposat permet explicar l'anomenada propagació saltatòria del potencial d'acció dels axons mielinitzats, i també aplicar la propagació saltatòria als axons no mielinitzats. En aquest cas com una propagació saltatòria de salts curts; per als axons mielinitzats, com una propagació saltatòria de salts llargs, donant també una resposta coherent a la propagació en temps constant independent de la distància entre nodes de Ranvier. El mecanisme proposat permet plantejar que els efectes que presenta el potencial d'acció són més el resultat d'un desplaçament de càrrega a l'interior dels canals de sodi i de potassi, que d'un corrent que realment travessa els canals iònics. Un factor important a tenir en compte en el mecanisme proposat és la minimització del cost energètic, premissa fonamental de la biologia per a la màxima optimització en el funcionament de processos.