title: Optical action potential
title: On the physical phenomenology of nerve pulse propagation
titleType: AlternativeTitle
Creators: name: Fabiunke, Simon
Publisher: name: TU Dortmund
Year: 2021
Subjects: subject: Action potential
subject: Fluorescence
subject: Nonlinear acoustic
subject: Thermodynamic
subject: 530
subject: Aktionspotenzial
subject: Fluoreszenz
subject: Nichtlineare Akustik
subject: Thermodynamik

description: Voltage sensitive dyes have been used as an alternative route to detect membrane potentials. This replaces electrophysiological equipment and allows to study action potentials with optical tools. Changes in fluorescence emission are most commonly translated into changes in transmembrane potentials. In this thesis, it is demonstrated that the emission energy of the fluorescent dye Di-4-ANEPPDHQ is a state variable. Incorporation of the dye in artificial lipid membranes, where ion transport is obsolete, changes of the emission spectrum as a function of lateral pressure and temperature were detected, as well as in the presence of lateral propagating pulses. It is found that despite the complete absence of transmembrane ion movement, the spectrum shifted about 20 nm at the main transition, which falsifies the Nernst-potential as the origin of the changes in emission. To underline the relevance for action potentials in living systems, the same dye is incorporated into an excitable plant cell to investigate action potentials. There, a very similar blue shift of the emission spectrum is found as in the monolayer pulse experiments. In summary, these experiments show that Di-4-ANEPPDHQ (presumably all dyes), should be seen as a phase state reporter. This is entirely consistent with the interpretation of the nervous impulse as a propagating state change as has been proposed by others. This interpretation allows to map the state and state changes optically not only of nerves, but even of the entire brain.
description: Spannungssensitive Fluoreszenzfarbstoffe werden in der Zellforschung als Alternative zur Vermessung von Membranpotentialen verwendet. Dadurch werden elektrophysiologische Geräte ersetzt und Nervenpulse werden durch optische Techniken vermessen. Die Änderung des Emissionsspektrums werden üblicherweise in Änderungen des Membranpotentials übersetzt. In den Experimenten dieser Arbeit wird gezeigt, dass die Emissionseigenschaften des Farbstoffes Di-4-ANEPPDQH eine Variable des thermodynamischen Zustandes ist. Einbettung in künstliche Lipid-Systeme (Monolayer, Vesikel), in denen kein Ionentransport stattfindet, zeigen Änderungen der Emission sowohl als Funktion des lateralen Drucks, der Temperatur als auch in Anwesenheit von akustischen Pulsen. Es kommt zu einer Verschiebung des Emissionsspektrums um ca. 20 nm während der Hauptphasenumwandlung der untersuchten künstliche Systeme. Um die Relevanz für biologische Prozesse zu unterstreichen, wurden gleiche Untersuchungen in einer erregbaren Pflanzenzelle vorgenommen. Es konnte eine signifikante Ähnlichkeit der Aktionspotentiale zu den akustischen Pulsen in Lipidmonolagen im optischen Signal gezeigt werden. Zusammenfassend zeigen die Experimente der Arbeit, dass Di-4-ANEPPDHQ (vermutlich alle Farbstoffe) als Zustandsreporter gesehen werden können. Dies ist konsistent zu der Annahme, dass es sich bei Nervenpulsen um eine propagierende Phasenumwandlung handelt. Diese Interpretation der Fluoreszenz lässt nicht nur die Vermessung des Zustandes von Nerven zu, sondern auch des gesamten Gehirns.