44 Illustreret Videnskab nr. 2/2008

I følge to forskere ved Københavns Universitet er nerveimpulser ikke elektriske signaler, men lydbølger, der

forplanter sig gennem nerverne. Teorien forklarer for første gang, hvorfor narkose virker bedøvende. Det er en meget kon-troversiel teori, de to forskere kommer med, men efter en hel del indledende skepsis er f lere og f lere læger og biologer begyndt at tage dem alvorligt.

I alle lærebøger − fra folkeskolen til universitetet − står der, at nerver kom-munikerer ved hjælp af en elektrisk spændingsforskel, der forplanter sig hen gennem nerven. Den erkendelse gjorde de britiske læger Alan Lloyd Hodgkin og Andrew F. Huxley allerede i 1952. Erken-delsen kunne dengang endelig forklare en af de helt grundlæggende fysiologiske

Nervesignaler er lydbølger

mekanismer i mennesker og andre dyr. Men lige siden den såkaldte Hodgkin-Huxley-model fik sit gennembrud, har der været problemer med den, og andre forskere har løbende måttet justere modellen for at få den til at passe med resultaterne af deres forsøg.

Elektrisk signal er et biproduktNu siger fysikerne Thomas Heimburg og Andrew Jackson lige ud, at den klassiske teori er forkert. De elektriske signaler er ikke dem, der sender beskeden af sted. De er bare biprodukter af det virkelige nervesignal, som skyldes en lydbølge, der forplanter sig gennem nervens membran og presser den sammen.

Den nye teori forklarer mange af problemerne med den gamle, og så er

den grundlæggende meget mere simpel. Andrew Jackson sammenligner ligefrem den klassiske nervemodel med det gamle astronomiske verdensbillede, hvor Jorden stod i centrum for planeternes kredsløb. Der var så mange observationer, som ikke passede ind i verdensbilledet, at man hele tiden måtte justere det, og først da Kopernikus i 1543 placerede Solen i centrum, kunne alle iagttagelser forklares med én simpel teori. Ligesom kirken dengang ikke uden videre ville acceptere det nye verdensbillede, så reagerede den etablerede lægevidenskab med forbehold og skepsis, da Heimburg og Jackson første gang præsenterede deres teori i 2005. Men da de to år senere offentliggjorde, hvordan teorien også kunne forklare virkningen af narkose, begyndte læger og

Axon

Af Gorm Palmgren. Illustrationer: Henning Dalhoff

NY TEORI

Kan to nobelprismodtagere i medicin og hele den biologiske forskningsverden virkelig have taget fejl i 55 år og misforstået, hvad nervesignaler består af? Det mener to forskere, der chokerer med en helt ny og banebrydende teori, der samtidig forklarer, hvordan forskellige narkoser har samme virkning.

45Illustreret Videnskab nr. 2/2008

forskere efterhånden at tage dem alvor-ligt. Der findes nemlig en lang række bedøvelsesmidler, som kemisk set er vidt forskellige, og det har hidtil været en gåde, hvordan de allesammen alligevel formår at slukke for nerverne, så vi ikke mærker smerte under en operation.

Ifølge den nye teori skyldes nervesig-nalerne en bestemt slags lydbølger, der kaldes solitoner. Almindelige lydbølger udbreder sig til alle sider og bliver grad-vist svagere, men solitoner udmærker sig ved kun at bevæge sig i én retning og bevare deres styrke, indtil de pludselig dør helt ud. Lyd udbreder sig næsten altid som almindelige bølger, men hvis de går gennem et materiale med helt bestemte egenskaber, kan de blive til solitoner i stedet. Og netop disse egenskaber har

nervernes fedtholdige cellemembran, når den befinder sig lige i overgangen mellem dens faste og f lydende form.

Temperaturfald kan nu forklaresLigesom smør og olivenolie er f lydende ved køkkentemperatur, men størkner i køleskabet, så har nervernes fedtstoffer et smeltepunkt, der ligger lidt over krops-temperaturen, og det giver dem de særlige soliton-egenskaber. Når nerve-signaler i form af de specielle lydbølger løber ned gennem en nerve, presses celle-membranen let sammen ved bølgens front og vender derefter tilbage til sin normale form, lige så snart den har pas-seret. Og det er netop under denne sam-menpresning, at det elektriske signal, der ledsager enhver nerveimpuls, opstår

som en følgevirkning. I cellemembranen sidder der nemlig et utal af elektrisk ladede proteiner, molekyler og ioner, og når afstanden mellem dem ændres under påvirkning af solitonens trykbølge, opstår der en elektrisk spænding.

Den nye teori forklarer nogle af de fænomener ved nervesignaler, som man ikke hidtil har haft nogen god forklaring på. Eksempelvis har man i f lere år vidst, at en nerveimpuls ledsages af en svag stigning og derefter et kortvarigt fald i cellemembranens temperatur, før den atter vender tilbage til udgangspunktet. Temperaturstigningen er nem at forklare ud fra den klassiske teori, fordi en elek-trisk modstand altid bliver varm, når der løber strøm igennem den. Men det efter-følgende fald i temperaturen strider

Efter den gamle Hodgkin-Huxley-model skyldes nervesignalet, at natrium- og kaliumioner strømmer ind og ud af nervecellen og skaber en spændingsforskel. Modellen har dog ikke været i stand til at forklare de bølgende bevægelser, som kan observeres, når signalet løber gennem cellen. Teorien er i overensstemmelse med den temperaturstigning, der sker i cellen, når spændingsforskellen opstår, men den har hidtil ikke kunnet forklare det efterfølgende temperaturfald.

Ifølge den nye teori skyldes nervesignalerne en bestemt slags lydbølger kaldet solitoner. Når signalet løber gennem nervecellen, opstår en bølge, hvor cellen først bliver presset sammen og derefter udvidet, inden den vender tilbage til normal form. Ved sammenpresningen øges cellemembranens temperatur, og ved udvidelsen falder temperaturen. Netop disse fysiske forandringer kan lydbølgeteorien forklare. Den

spændingsforskel, som kan måles ved nervesignalet, er blot et biprodukt af lydbølgen og skyldes elektrisk ladede ioner og proteiner i membranen.

Ny teori: Nervesignalet er en lydbølge

Gammel teori: Spændingsforskel skaber signalet

Nervesignal

Nervesignalets retning

K+

Kaliumioner

NatriumionerNa+

Nervecelle

46 Illustreret Videnskab nr. 2/2008

Cellemembranens smeltepunkt ligger lige over kropstemperaturen under normale betingelser. Derfor er dele af membranen faste, mens andre dele er flydende. Derved kan solitoner opstå, og lydbølgerne kan sende nervesignaler af sted. Patienten kan føle smerte.

Narkose sænker cellemembranens smeltepunkt, så den bliver flydende. Nu kan solitoner ikke længere opstå, og nervesignalerne går i stå. Patienten kan ikke længere føle smerte.

Cellemembranens smeltepunkt hæves ved betændelse. Derfor skal narkosens mængde øges for at bedøve nerven. Med en normal dosis narkose vil membranen stadig være halvt fast og halvt flydende, og derved kan patienten fortsat føle smerte.

direkte mod termodynamikkens love, som ikke tillader, at strøm kan få tempe-raturen til at falde i en modstand. Ingen har kunnet forklare, hvordan det allige-vel kan forekomme, og det har været et alvorligt problem for den gamle teori. Hvis nervesignaler i stedet udbredes som lydbølger, eller solitoner, er temperatur-faldet derimod en logisk konsekvens af den forbigående sammenpresning og udvidelse af cellemembranen.

Forskere har i øvrigt tidligere obser-veret, at nerverne faktisk ændrer deres tykkelse, når der løber impulser gennem dem. Det minder om, når en slange har spist en mus, og den kan ses som en ud-bulning, der efterhånden glider længere og længere ned gennem slangens krop. Heller ikke denne fysiske ændring har

haft en naturlig forklaring ud fra den klassiske Hodgkin-Huxley-model, mens det er en logisk konsekvens af Heimburg/Jacksons nye lydbølgemodel.

Teori forklarer narkosens virkningForskernes bedste argument for deres kontroversielle teori er imidlertid, at den giver en forklaring på virkningen af nar-kose. Vidt forskellige kemiske stoffer som det frie grundstof xenon (Xe), en simpel, uorganisk forbindelse som lattergas (N2O), et lille, organisk molekyle som æter (C4H10O) og et mere komplekst stof som isofluran (C3H2ClF5O) har den samme blokerende virkning på nerverne, så de forhindres i at sende impulser videre. Hvordan det kan forholde sig sådan, har været en gåde, lige siden æter i 1846 blev

brugt ved den første operation med nar-kose. Den gængse forklaring har været, at stofferne binder sig til proteiner i nerver-nes cellemembran og sætter dem ud af funktion, så de ikke kan danne det elek-triske signal, men teorien er aldrig blevet bekræftet ved eksperimentelle forsøg.

Heimburg og Jackson har imidlertid en helt logisk og ganske ligetil forklaring på problemet. De hæfter sig ved, at man lige siden starten af forrige århundrede har vidst, at narkosestoffernes bedøvende virkning svarer meget nøjagtigt til deres opløselighed i olivenolie. Den britiske biolog Charles Ernest Overton og den tyske kemiker Hans Meyer formulerede allerede i 1901 den såkaldte fedtteori, som sagde, at et effektivt narkosemiddel simpelt hen opløser nervecellernes fedt-

SmErTETærSKEl

membran under normale forhold

Flydende membran

Fast membranCellemembranens temperatur skal ligge på smeltepunktet, for at vi kan føle smerte. Netop her kan lydbølger, og dermed nervesignaler, forplante sig ned gennem nerven. Narkosen bevirker, at cellens membran bliver flydende, hvilket stopper lydbølgens udbredelse.

Narkose bryder lydbølgerne

membran under narkose

membran med betændelse

Narkose opløser membranen

Membranen er som grødis Betændelse hæver smeltepunkt

Betændt membran

47Illustreret Videnskab nr. 2/2008

Da de britiske læger Alan Lloyd Hodgkin og Andrew F. Huxley i 1952 konkluderede, at nerver kommunikerer ved hjælp af en elektrisk spændingsforskel, var det en sensationel opdagelse, der endelig kunne forklare en af den fysiologiske verdens store mysterier. 11 år senere modtog de Nobelprisen i medicin for den banebrydende opdagelse. Men med den nye teori kan det vise sig, at de to prismodtagere tog fejl, og at alle lærebøger, der omhandler nervesignalers udbredelse, fremover skal revideres og skrives om.

Lærebøger skal måske skrives om

holdige membran og derved ødelægger betingelserne for at skabe og opretholde et nervesignal. Den oprindelige teori forklarede ikke, hvad der præcist skete med membranens egenskaber, men antog blot, at der opstod en form for kaos. Men nu kommer fedtteorien atter til sin ret, for når nervernes cellemem-bran bliver opløst af narkosestofferne, så falder deres smeltepunkt adskillige grader. Derved bliver springet mellem kropstemperaturen og smeltepunktet for lille til, at de særlige lydbølger, solitonerne, kan dannes, og som en direkte konse-kvens heraf ophører nervesignalerne.

Teorien er svær at bevise i praksisHeimburg og Jackson offentliggjorde denne forklaring på narkosens generelle virkemåde i 2007, og den har fået læger og biologer til at se med helt andre positive øjne på teorien om, at nervesignaler i virkeligheden er lydbølger. Teorien giver nemlig også en logisk forklaring på en række andre forhold ved narkose, som man hidtil ikke har kunnet forklare. Man ved af erfaring, at bedøvelse ikke virker særlig godt under højt tryk, og at patien-ter med alvorlige brandsår − som ofte behandles under tryk − skal have mere narkose end normalt for at holde smer-terne borte. Forsøg har endvidere vist, at bedøvede dyr simpelt hen vågner op, hvis trykket bliver tilstrækkeligt stort. For Thomas Heimburg og Andrew Jackson kommer den slags iagttagelser dog ikke som nogen overraskelse. Tryk påvirker nemlig smeltepunktet for nervernes celle-membran, og de to forskere har regnet sig frem til, at der er en meget fin over-ensstemmelse mellem trykkets indvirk-ning på henholdsvis smeltepunktet og narkosens bedøvende virkning.

På samme måde giver lydbølgeteorien også en forklaring på, at bedøvelse ikke virker særlig godt, hvis vævet er betændt. Betændelse gør vævet surt, og forskerne har vist, at hver gang pH-værdien falder med én enhed, så stiger membranernes smeltepunkt med 1,8 °C. Den effekt er nok til at forklare den observerede sammenhæng mellem betændelse og reduceret virkning af bedøvelse.

Heimburg og Jackson har altså stærke kort på hånden, når de skal forsvare deres nye teori om, at nervesignaler ud-breder sig i form af lydbølger og ikke som elektriske signaler. Men det kan blive

svært at eftervise teorien i praksis. Celle-membraner er nemlig dynamiske, for-stået på den måde, at blandingsforholdet mellem forskellige fedtstoffer løbende ændrer sig, ligesom en lang række pro-teiner, salte og andre molekyler konstant bevæger sig rundt i membranen og også går ind og ud af den. Disse ændringer har stor betydning for membranernes smelte-punkt og derved for solitonernes mulig-hed for at opstå. Ændringerne er oven i købet meget lokale, så smeltepunktet ikke er det samme overalt på en nerve-celles membran, men kan variere med f lere grader inden for afstande på blot få brøkdele af en millimeter. Der findes heller ikke nogen nem måde at måle en membrans smeltepunkt på uden at øde-lægge den, og derfor kan det blive yderst vanskeligt at påvise, hvordan lydbølger rent faktisk udbreder sig i en levende nerves cellemembran. Indtil videre er Heimburg og Jacksons teori da også base-ret på teoretiske overvejelser ud fra eks-perimenter på isolerede cellemembraner, der så at sige ikke har været levende.

Der mangler endnu svarEn anden udfordring for teorien er at for-klare, hvorfor nerveceller er udstyret med et enormt antal ionkanaler i deres membraner. Ionkanalerne kontrollerer ind- og udstrømningen af elektrisk ladede natrium- og kaliumioner, som ifølge den klassiske teori er ansvarlige for at skabe de elektriske nervesignaler. I forsøg på levende nerveceller har man vist, hvordan disse ionkanaler åbner og lukker sig i et nøje koordineret mønster, der fuldstændigt svarer til nervesignalets udbredelse. Den tredje store udfordring bliver at forklare, hvordan nervesignalet overføres fra én nerve til en anden i de såkaldte synapser. Også her har den klassiske teori støtte af de faktiske, videnskabelige observationer, som viser ionkanalernes rolle i processen.

De to teorier behøver dog ikke nød-vendigvis at udelukke hinanden. Det er ubestrideligt, at der opstår et elektrisk signal i forbindelse med nervesignalets udbredelse, men som tidligere nævnt kan det godt forklares som bieffekt af lydbøl-gernes tryk på membranen, og i så fald kan ionkanalerne spille en vigtig rolle i at udligne disse spændingsforskelle.

Find mere om emnet på www.illvid.dk

Alan Lloyd Hodgkin, øverst, og Andrew Huxley modtog i 1963 Nobelprisen for deres arbejde.

MEPL

sPL/FoCI