神经传导中的热：一个热力学框架
生物物理
2020-02-19 v1
摘要
早期对神经传导的记录揭示了与电信号相关的显著热特征。所观察到的热的产生及随后的吸收，源于动作电位传导过程中在细胞膜层面发生的物理化学过程。特别是，如“电容器理论”所提出的，跨细胞膜的电位差所储存的电能的可逆释放，似乎是对热产生的一个简单而一致的解释。然而，电容器理论一直未被超越细胞膜与平行板电容器（即冷凝器）之间类比的分析，而该类比无法解释热特征的幅度。在本工作中，我们使用细胞膜的详细静电模型重新审视电容器理论。我们推导了由动作电位引起的膜去极化相关的自由能与熵变表达式，其给出了神经元产生和吸收热的直接度量。我们展示了膜两侧表面电荷密度如何影响能量变化。最后，考虑一个典型的动作电位，我们表明若膜具有表面电荷偏置，使得膜内侧比外侧负 0.05 C m，则模型预测的热大小达到实验值范围。基于我们的研究，我们确定膜电能的变化是神经传导中神经元热产生与吸收的主要机制。
引用
@article{arxiv.1908.03223,
title = {The Heat of Nervous Conduction: A Thermodynamic Framework},
author = {Aymar C. L. de Lichtervelde and J. Pedro de Souza and Martin Z. Bazant},
journal= {arXiv preprint arXiv:1908.03223},
year = {2020}
}