På (lyd)sporet af bedøvelse – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Videresend til en ven Resize Print Bookmark and Share

Niels Bohr Institutet > Nyheder > Nyheder 2007 > På (lyd)sporet af bedø...

06. marts 2007

På (lyd)sporet af bedøvelse

Danske forskere vender op og ned på alle hidtidige fasttømrede videnskabelige opfattelser af, hvordan nerver fungerer og hvordan bedøvelsesmidler virker. Deres forskning viser, at nerver fungerer ved lydpulser, og bedøvelsesmidler virker ved at stoppe lydpulserne.

Grafisk billede af biologisk membran. De grønne molekyler er flydende og de røde er faste. Bedøvelses-midler mindsker de røde områder, og derved kan lydpulsen ikke transportere sit signal. Nerven er bedøvet. Grafisk fig: Heiko Seeger, ph.d


Alle medicinske og biologiske lærebøger siger, at nerver fungerer ved at sende elektriske impulser langs med nervebanen. ”Men for os som fysikere kunne det ikke være forklaringen. Elektriske impulser vil producere varme – sådan er fysikkens love om termodynamik, og vi kan ikke observere nogen varme fra nervebaner”, fortæller lektor Thomas Heimburg fra Niels Bohr Institutet  på Københavns Universitet. Han er ph.d. i biofysik fra Max Planck Universitet i Göttingen i Tyskland, hvor biologer og fysikere ofte arbejder sammen – ellers er det de fleste steder to adskilte verdener. Thomas Heimburg er ekspert i biofysik, og da han kom til Niels Bohr Institutet i Danmark mødte han professor Andrew Jackson, der er ekspert i teoretisk fysik. De blev enige om at forske i nervebaners grundlæggende måde at fungere på.

Fysikken forklarer biologien
Nervebaner er ’pakket ind’ i en membran, der består af fedtstoffer og proteiner. Ifølge den traditionelle molekylærbiologisk forklaring sendes der en impuls fra den ene ende af nerven til den anden ende ved hjælp af elektrisk ladede salte, der passerer gennem nogle ion-kanaler i membranen. Det er en kompliceret proces, som en række forskere gennem årene har modtaget Nobel-priser for at beskrive. Men det, at nervebanen ikke bliver varm, modsiger - ifølge fysikerne - den molekylærbiologiske teori om en elektrisk impuls, som skabes ved hjælp af kemiske processer.

I stedet kunne nervebanens impuls forklares meget mere simpelt med en mekanisk puls, mente de to fysikere. En sådan puls kunne være lyd. Normalt spreder lyd sig ud som bølger, der bliver svagere og svagere, men under særlige omstændigheder i det medium, som transporterer lyden, kan der opstå en lokal puls-enhed, en soliton, som bevæger sig koncentreret uden at spredes, uden at ændre form og uden at miste styrke. Nervebanens membran består af stoffer, der minder om olivenolie. Ligesom vand ændrer tilstandsform med temperaturen, gør olie også, og ligesom man kan ændre vands frysepunkt ved at tilsætte salt, kan man også ændre oliens smeltepunkt med salte. Forskerne fandt, at sammensætningen af stofferne i nervebanens oliemembran lige præcis var sådan, at smeltepunktet var forrykket i forhold til den omgivende temperatur, og der dermed kunne opstå de koncentrerede lydpuls-enheder. Deres teoretiske beregninger giver nøjagtigt de samme resultater: Nerveimpulser er lyd-pulser. 

Bedøvelse af lyd
Hvordan bedøver man så en nervebane, så følelsen slås fra og man kan operere uden at patienten mærker det? I mere end 100 år har man kendt til bedøvelsesmidler som æter, lattergas, kloroform, octanol, procain og ædelgassen xenon. Stoffernes molekyler har forskellige størrelser, og erfaringen viser, at man skal docere efter deres opløsningsgrad i olivenolie. Ekspertisen er i dag så stor, at man kan beregne præcist, hvor meget en person skal have af et bestemt stof. Men stadig er der ingen, der ved, hvad det egentlig er, der sker. Hvordan slås følelsen i nerven fra?

Med udgangspunkt i teorien om, at nervesignaler er lydpulser, begyndte Thomas Heimburg og Andrew Jackson at forske i bedøvelse. Bedøvelsesmidlerne er alle meget forskellige, og alligevel gør de det samme - besynderligt!

Men det besynderlige viste sig at være simpelt. For at lydpulsen kan transporteres og sende signalet i nerven, skal membranen have de specielle omstændigheder, der gør, at smeltepunktet forrykkes præcist i forhold til den omgivende temperatur og tryk. Det, som bedøvelsesmidlerne gør, er simpelthen at ændre smeltepunktet – og sådan, når smeltepunktet ændres, kan der ikke sendes en lydpuls. Der er slukket for lyden. Nerven er sat på stand-by, og der kommer ingen nerveimpulser, ingen følelser igennem. Patienten er bedøvet, og mærker ingenting.

Links:

Biophysical Journal:
http://www.biophysj.org/cgi/rapidpdf/biophysj.106.099754v1

arXiv.org:
http://arxiv.org/PS_cache/physics/pdf/0610/0610147.pdf