Shamit Shrivastava, um pesquisador de pós-doutorado no Departamento de Ciências da Engenharia, escreve sobre uma descoberta recente que tem consequências de longo alcance para a compreensão fundamental da física do cérebro. A pesquisa foi realizada em parceria com o professor Matthias F Schneider da Universidade Técnica de Dortmund, Alemanha.

As evidências, publicado no Journal of Royal Society Interface , fornecem a evidência experimental de que as ondas sonoras que se propagam em sistemas lipídicos artificiais que imitam a membrana do neurônio podem aniquilar-se mutuamente após a colisão - uma propriedade notável de propagação de sinais em neurônios considerada inacessível a um fenômeno acústico.

Acredita-se que os impulsos nervosos se propaguem de maneira semelhante à condução de corrente em um cabo elétrico. Contudo, desde que a teoria elétrica existe, os cientistas também mediram vários outros sinais físicos que são igualmente característicos de um impulso nervoso, como mudanças nas propriedades mecânicas e ópticas que se propagam em sincronia com o sinal elétrico. Além disso, vários estudos relataram mudanças reversíveis de temperatura que acompanham um impulso nervoso, o que é inconsistente com o entendimento elétrico do ponto de vista termodinâmico.

Para resolver essas inconsistências, pesquisadores já haviam proposto que a propagação do pulso nervoso resulta dos mesmos princípios fundamentais que causam a propagação do som em um material e não o fluxo de íons ou corrente. Nesta estrutura, a natureza eletromecânica do impulso nervoso, também conhecido como potencial de ação, emerge naturalmente das propriedades coletivas da membrana plasmática, em que o som ou a onda de compressão se propagam. Assim, as características da onda são derivadas dos princípios da física da matéria condensada e da termodinâmica, ao contrário da ênfase na biologia molecular na teoria elétrica.

A sugestão tem sido altamente controversa devido à natureza bem aceita e amplamente bem-sucedida da base elétrica da propagação do pulso nervoso, apesar de suas poucas inconsistências. Como um fenômeno de onda, a propagação do pulso nervoso tem propriedades notáveis, como um limite para excitação, propagação não dispersiva (solitária) e tudo ou nada, e aniquilação de dois pulsos que sofrem colisão frontal. Além disso, ondas sonoras geralmente não estão associadas a tais características, em vez disso, sabe-se que as ondas sonoras se espalham, dispersar, dissipar, sobrepor e interferir, o que é contra-intuitivo, dadas as propriedades dos impulsos nervosos.

Portanto, a evidência experimental de tal fenômeno foi crucial, que foi fornecido por nós em 2014. Mostramos que ondas sonoras ou de compressão podem de fato se propagar dentro de uma fina película molecular de moléculas de lipídios, mimetizando potenciais de ação na membrana plasmática. Notavelmente, mesmo em um sistema tão minimalista que é desprovido de quaisquer proteínas e macromoléculas além de lipídios, essas ondas se comportam de maneira muito semelhante aos impulsos nervosos de um neurônio, incluindo a propagação de pulso eletromecânico solitário, a velocidade de propagação e excitação tudo ou nada. Essas características mostraram ser uma consequência da mudança conformacional ou uma transição de fase nas moléculas lipídicas que acompanham a onda sonora. Assim, apenas quando energia suficiente é fornecida para causar uma mudança de fase nos lipídios (fluido para semelhante a gel), todo o pulso se propaga, caso contrário, nada se propaga, a chamada propagação tudo ou nada.

Agora, em pesquisa publicada no Journal of Royal Society Interface , mostramos que essas ondas podem até aniquilar umas às outras em caso de colisão, assim como impulsos nervosos. Mesmo de uma perspectiva puramente física acústica, esta é uma descoberta notável. As amplitudes de dois pulsos de som colidindo de frente normalmente se sobrepõem linearmente antes de passarem um pelo outro sem serem afetados. Mesmo pulsos de som não lineares, como solitons, normalmente não são afetados na colisão, que foi uma crítica importante à teoria acústica proposta da propagação do pulso nervoso.

Com a observação da aniquilação de pulsos de som em colisão no sistema lipídico modelo, mostramos que as características qualitativas de todos os fenômenos de propagação de pulsos nervosos podem ser derivadas unicamente dos princípios da física da matéria condensada e da termodinâmica, sem a necessidade de modelos moleculares ou parâmetros de ajuste da teoria elétrica. Demonstramos um fenômeno acústico único que combina todas as características observáveis ​​que definem a propagação dos impulsos nervosos. Isso sugere fortemente que a física subjacente à propagação do som e dos impulsos nervosos é, de fato, a mesma.