Anais da Academia Brasileira de Ciências (Sep 2001)
Wave onset in central gray matter - its intrinsic optical signal and phase transitions in extracellular polymers
Abstract
The brain is an excitable media in which excitation waves propagate at several scales of time and space. ''One-dimensional'' action potentials (millisecond scale) along the axon membrane, and spreading depression waves (seconds to minutes) at the three dimensions of the gray matter neuropil (complex of interacting membranes) are examples of excitation waves. In the retina, excitation waves have a prominent intrinsic optical signal (IOS). This optical signal is created by light scatter and has different components at the red and blue end of the spectrum. We could observe the wave onset in the retina, and measure the optical changes at the critical transition from quiescence to propagating wave. The results demonstrated the presence of fluctuations preceding propagation and suggested a phase transition. We have interpreted these results based on an extrapolation from Tasaki's experiments with action potentials and volume phase transitions of polymers. Thus, the scatter of red light appeared to be a volume phase transition in the extracellular matrix that was caused by the interactions between the cellular membrane cell coat and the extracellular sugar and protein complexes. If this hypothesis were correct, then forcing extracellular current flow should create a similar signal in another tissue, provided that this tissue was also transparent to light and with a similarly narrow extracellular space. This control tissue exists and it is the crystalline lens. We performed the experiments and confirmed the optical changes. Phase transitions in the extracellular polymers could be an important part of the long-range correlations found during wave propagation in central nervous tissue.O encéfalo é um meio excitável no qual ondas de excitação se propagam em várias escalas de tempo e espaço. Potenciais de axônios ''unidimensionais'' (escala de milisegundos) ao longo da membrana axonal e ondas de depressão alastrante (segundos a minutos) nas três dimensões do neurópilo da substância cinzenta (complexo de membranas interagentes) são exemplos de ondas de excitação. Na retina, ondas de excitação têm um sinal óptico intrínseco proeminente (IOS). Este sinal óptico é criado pelo espalhamento da luz e tem componentes diferentes nos extremos azul e vermelho do espectro visível. Pudemos observar a erupcão da onda na retina e medir as mudanças ópticas na transição crítica da quiescência à onda propagada. Os resultados demonstram a presença de flutuações precedendo a propagação e sugerem uma transição de fase. Interpretamos estes resultados baseados em uma extrapolação dos experimentos de Tasaki com potenciais de ação e transições de fase volumétrica em polímeros. Assim, o espalhamento da luz vermelha parece ser uma transição de fase volumétrica na matriz extracelular que seria causada pelas interações entre o revestimento da membrana celular e os complexos extracelulares de carboidratos e proteínas. Se esta hipótese fosse correta, o forçar de um fluxo de corrente extracelular deveria criar um sinal semelhante em outro tecido, desde que tal tecido fosse também transparente à luz e tivesse um espaço extracelular similarmente reduzido. Este tecido controle existe e é a lente cristalina. A exceção dos experimentos confimou as mudanças ópticas. As transições de fase dos polímeros extra-celulares poderia ser uma parte importante das correlações a longa distância encontradas durante a propagação de ondas no sistema nervoso central.
Keywords
