Shamit Shrivastava, chercheur post-doctoral au Département des sciences de l'ingénieur, écrit sur une découverte récente qui a des conséquences de grande envergure pour la compréhension fondamentale de la physique du cerveau. La recherche a été menée en partenariat avec le professeur Matthias F Schneider à l'Université technique de Dortmund, Allemagne.

Les résultats, publié dans le Journal de l'interface de la société royale , fournissent la preuve expérimentale que les ondes sonores se propageant dans les systèmes lipidiques artificiels qui imitent la membrane des neurones peuvent s'annihiler lors d'une collision - une propriété remarquable des signaux se propageant dans les neurones qui était considérée comme inaccessible à un phénomène acoustique.

On pense que les impulsions nerveuses se propagent d'une manière similaire à la conduction du courant dans un câble électrique. Cependant, depuis aussi longtemps que la théorie électrique existe, les scientifiques ont également mesuré divers autres signaux physiques qui sont également caractéristiques d'une impulsion nerveuse, tels que les changements dans les propriétés mécaniques et optiques qui se propagent en synchronisation avec le signal électrique. Par ailleurs, plusieurs études ont rapporté des changements de température réversibles qui accompagnent une impulsion nerveuse, ce qui est incompatible avec la compréhension électrique d'un point de vue thermodynamique.

Pour remédier à ces incohérences, les chercheurs avaient précédemment proposé que la propagation des impulsions nerveuses résulte des mêmes principes fondamentaux qui provoquent la propagation du son dans un matériau et non le flux d'ions ou de courant. Dans ce cadre, la nature électromécanique de l'influx nerveux, aussi appelé potentiel d'action, émerge naturellement des propriétés collectives de la membrane plasmique, dans lequel se propage le son ou l'onde de compression. Ainsi, les caractéristiques de l'onde sont dérivées des principes de la physique de la matière condensée et de la thermodynamique, contrairement à l'accent mis sur la biologie moléculaire dans la théorie électrique.

La suggestion a été très controversée en raison de la nature bien acceptée et largement réussie de la base électrique de la propagation des impulsions nerveuses malgré ses quelques incohérences. En tant que phénomène ondulatoire, la propagation des impulsions nerveuses a des propriétés remarquables, comme un seuil d'excitation, propagation non dispersive (solitaire) et tout ou rien, et l'annihilation de deux impulsions qui subissent une collision frontale. De plus, les ondes sonores ne sont généralement pas associées à de telles caractéristiques, on sait plutôt que les ondes sonores se propagent, disperser, se dissiper, superposer et interférer, ce qui est contre-intuitif étant donné les propriétés de l'influx nerveux.

Par conséquent, la preuve expérimentale d'un tel phénomène était cruciale, qui nous a été fourni en 2014. Nous avons montré que les ondes sonores ou de compression peuvent en effet se propager au sein d'un film moléculaire mince de molécules lipidiques, imitant les potentiels d'action dans la membrane plasmique. Remarquablement, même dans un système aussi minimaliste qui est dépourvu de protéines et macromolécules autres que les lipides, ces ondes se comportent de manière étonnamment similaire à l'influx nerveux dans un neurone, y compris la propagation d'impulsions électromécaniques solitaires, la vitesse de propagation et l'excitation tout ou rien. Ces caractéristiques se sont avérées être une conséquence du changement de conformation ou d'une transition de phase dans les molécules lipidiques qui accompagnent l'onde sonore. Ainsi, uniquement lorsqu'une énergie suffisante est fournie pour provoquer un changement de phase dans les lipides (liquide à gel), toute l'impulsion se propage sinon rien ne se propage, la propagation dite tout ou rien.

Maintenant, dans les recherches publiées dans le Journal de l'interface de la société royale , nous avons montré que ces ondes peuvent même s'annihiler lors d'une collision, tout comme les impulsions nerveuses. Même d'un point de vue purement acoustique, c'est une découverte remarquable. Les amplitudes de deux impulsions sonores entrant en collision frontale se superposent généralement linéairement avant de se croiser sans être affectées. Même les impulsions sonores non linéaires, comme les solitons, ne sont généralement pas affectés en cas de collision, qui était une critique majeure de la théorie acoustique proposée de la propagation des impulsions nerveuses.

Avec l'observation de l'annihilation des impulsions sonores en collision dans le système lipidique modèle, nous avons montré que les caractéristiques qualitatives de l'ensemble des phénomènes de propagation des impulsions nerveuses peuvent être dérivées uniquement des principes de la physique de la matière condensée et de la thermodynamique sans avoir besoin de modèles moléculaires ou de paramètres d'ajustement de la théorie électrique. Nous avons mis en évidence un phénomène acoustique unique qui combine toutes les caractéristiques observables qui définissent la propagation de l'influx nerveux. Cela suggère fortement que la physique sous-jacente de la propagation des impulsions sonores et nerveuses est en effet une seule et même chose.