Samkvæmt hinni nýju kenningu stafar taugaboð af sérstakri gerð hljóðbylgna, svonefnum solitónum. Þegar boðið fer í gegnum taugafrumuna myndast bylgja þar sem fruman fyrst þrýstist saman og víkkar síðan út áður en hún nær upprunalegu formi. Við að þrýstast saman eykst hitastig frumuhimnunnar og við útvíkkunina lækkar hitinn. Hljóðbylgjukenningin getur útskýrt þessar líkamlegu breytingar. Sá spennumunur sem unnt er að mæla við taugaboðið, er einungis aukaafurð hljóðbylgjunnar og orsakast af mismunandi áhrifum jónua og prótína í himnunni.

Samkvæmt tveimur vísindamönnum við Háskólann í Kaupmannahöfn eru taugaboð ekki rafboð heldur hljóðbylgjur sem fara um taugarnar. Kenningin útskýrir í fyrsta sinn hvers vegna svæfing virkar deyfandi. Þetta er afar umdeild kenning, en sífellt leggja fleiri læknar og líffræðingar lag sitt við hana.

Í öllum kennslubókum – allt frá grunnskóla til háskóla – segir að taugar eigi samskipti með spennumun sem fer um taugarnar. Þetta uppgötvuðu bresku læknarnir Alan Lloyd Hodgkin og Andrew Huxley þegar árið 1952. Uppgötvunin gat á þeim tíma loksins útskýrt mörg grundvallarferli líkamans í mönnum og öðrum dýrum. En allt frá því að hið svonefnda Hodgkin-Huxley líkan kom fram hafa ýmis vandkvæði fylgt því og aðrir fræðimenn hafa þurft að aðlaga líkanið að ósamrýmanlegum niðurstöðum úr tilraunum sínum.

Rafboðin eru aukaafurð

Nú segja eðlisfræðingarnir Thomas Heimburg og Andrew Jackson blátt áfram að þessi sígilda kenning sé röng. Það eru ekki rafboðin sem senda upplýsingarnar af stað. Þau eru einungis aukaafurð af raunverulegu taugaboði, er orsakast af hljóðbylgju sem fer um himnu frumunnar og þrýstir henni saman.

Þessi nýja kenning útskýrir fjölmörg vandamál sem voru fylgifiskar hinnar gömlu. Og eins er hún í grunninn mun einfaldari. Andrew Jackson líkir jafnframt sígilda taugalíkaninu við hina fornu heimsmynd manna þegar Jörðin var í miðju sólkerfisins. Þá voru fjölmargar athuganir sem ekki pössuðu inn í þá heimsmynd og með tímanum þurfti að laga hana, sem gerðist þegar Kóperníkus setti sólina í miðju árið 1543. Rétt eins og kirkjan vildi þá ekki samþykkja hina nýju heimsmynd, þá brugðust læknavísindin við birtingu á kenningu Heimburgs og Jacksons árið 2005 með miklum efasemdum. En þegar þeir opinberuðu einnig hvernig kenningin gæti útskýrt svæfingar tóku læknar og fræðimenn smám saman að taka þá alvarlega. Það er nefnilega að finna fjölda svæfingaefna sem eru ákaflega ólík að gerð, og til þessa hefur það verið ráðgáta hvernig efnin eru engu að síður fær um að slökkva á taugunum þannig að við kennum ekki sársauka við uppskurð.

Samkvæmt nýju kenningunni stafa taugaboð af sérstakri gerð hljóðbylgna sem nefnd eru solitónur. Venjulegar hljóðbylgjur dreifast í allar áttir og verða stöðugt veikari, en solitónur einkennast af hreyfingu í aðeins eina átt og viðhalda jafnframt styrk sínum áður en þær deyja skyndilega út. Hljóð dreifist nánast ætíð sem venjulegar bylgjur, en ef það fer í gegnum efni með tiltekna eiginleika getur það orðið að solitónum. Það eru einmitt þessir eiginleikar sem eru til staðar í fitulagi frumuhimnu tauganna þegar þær eru á mörkum þess að vera fastar og fljótandi.

Hitastigsfall má nú útskýra

Rétt eins og smjör og ólívuolía er fljótandi við stofuhita en storknar í ísskápnum hafa fituefni tauganna bræðslumark, sem liggur rétt ofan við líkamshita og þetta veitir þeim sérstaka solitón-eiginleika. Þegar taugaboð í formi þessarra sérstöku hljóðbylgna fara um taug, þrýstist frumuhimnan auðveldlega saman við jaðar bylgjunnar og nær aftur venjulegu formi sínu um leið og bylgjan er farin hjá. Það er einmitt við þennan samanþrýsting að rafboðin sem fylgja sérhverju taugaboði verða til sem aukaverkun. Í frumuhimnunni er nefnilega að finna aragrúa af hlöðnum prótínum, sameindum og jónum, og þegar fjarlægðin milli þeirra breytist vegna þrýstibylgju solitónanna myndast rafspenna.

Þessi nýja kenning útskýrir sum af þeim fyrirbærum taugaboða, sem til þessa hefur aldrei fundist góð útskýring á. Sem dæmi hafa menn um áraraðir vitað að taugaboði fylgir skammvinn hitastigshækkun, og síðan lækkun þegar taugafruman nær aftur upprunalegu formi. Hitastigsaukninguna er auðvelt að útskýra út frá gömlu kenningunni því mótstaða veldur ævinlega hita þegar straumur fer í gegn. En hitastigslækkunin sem fylgir í kjölfarið stríðir gegn lögmálum eðlisfræðinnar sem geta ekki útskýrt hvernig straumur veldur minnkandi hita. Þetta hefur verið einn helsti ókostur gömlu kenningarinnar. Ef taugaboð breiðast út þess í stað eins og hljóðbylgjur, eða solitónur, er hitastigslækkunin eðlileg afleiðing af skammvinnum samþrýstingi og útvíkkun frumuhimnunnar.

Vísindamenn hafa annars áður greint að þykkt tauganna breytist þegar boðin fara í gegnum þær. Þetta minnir einna helst á slöngu sem hefur gleypt mús og sjá má hvernig músin rennur niður í maga slöngunnar. Hin sígilda kenning Hodgkin-Huxley líkansins hefur heldur ekki getað útskýrt þessa líkamlegu breytingu. En hún er eðlileg afleiðing af hljóðbylgjulíkani Heimburgs og Jacksons.

Kenningin útskýrir verkun svæfinga

Besta röksemd fræðimannanna fyrir þessari umdeildu kenningu er hins vegar að hún útskýrir verkun svæfinga. Afar ólík efni eins og frumefnið xenon (Xe), einfalt ólífrænt efni eins og hláturgas (N2O), lítil lífræn sameind eins og eter (C4H10O) og flóknara efnasamband eins og ísóflúran (C3H2CIF5O), hafa sömu hamlandi verkun á taugarnar, þannig að þær geta ekki sent boð sín á milli. Það hefur verið ráðgáta hvernig stendur á þessu allt frá því að eter var notaður við fyrsta uppskurðinn með svæfinu árið 1846. Viðtekin skýring hefur verið að efnin tengist prótínum í frumuhimnu tauganna svo þær geti ekki myndað rafboð, en aldrei hefur tekist að staðfesta kenninguna með tilraunum.

Heimburg og Jackson hafa hins vegar afar eðlilega og einfalda skýringu á þessu vandamáli. Þeir benda á að menn hafi um áratugaskeið vitað að deyfandi virkni svæfingarefna samsvarar nákvæmlega hversu vel efnin leysast upp í ólívuolíu. Breski líffræðingurinn Charles Ernest Overton og þýski efnafræðingurinn Hans Meyer settu þegar árið 1901 svonefnda fitu-kenningu, sem kvað á um að virkni svæfingaefna felist í að leysa upp fituríka himnu tauganna, og þannig eyðileggi aðstæður til að mynda og viðhalda taugaboðum. Upphaflega kenningin útskýrði ekki hvað gerist eiginlega við frumuhimnuna, heldur gerði ráð fyrir að einhvers konar óreiða ætti sér stað. En nú kemur fitukenningin aftur í sviðsljósið þegar frumuhimna tauganna leysist upp vegna svæfingarefna, þar sem bræðslumark hennar fellur. Þar með verður bilið milli líkamshita og bræðslumarksins of lítið til að hinar sérstöku hljóðbylgjur, solitónurnar, geti myndast. Og fyrir vikið stöðvast taugaboðin.

Erfitt er að sanna kenninguna

Heimburg og Jackson birtu skýringu sína á þessum almennu eiginleikum svæfinga árið 2007 og síðan hafa læknar og líffræðingar litið mun jákvæðari augum á kenninguna um að taugaboð séu í raun hljóðbylgjur. Kenningin veitir nefnilega einnig skynsamlega skýringu á mörg önnur samhengi svæfinga, sem til þessa hafa ekki verið útskýrð. Reynslan sýnir að deyfing virkar ekki sérlega vel við háan þrýsting og að sjúklingar með alvarleg brunasár – sem oft eru meðhöndluð undir þrýstingi – þurfa meiri svæfingu en alla jafnan til að deyfa sársaukann. Tilraunir hafa ennfremur sýnt að dýr undir svæfingu vakna hreinlega upp þegar þrýstingurinn er nægjanlega mikill. Þessar niðurstöður komu því Thomas Heimburg og Andrew Jackson ekki á óvart. Þrýstingurinn hefur áhrif á bræðslumark frumuhimnanna og þeir hafa reiknað út að þetta passar ágætlega við muninn á virkni þrýstings á annars vegar bræðslumark og hins vegar virkni svæfingalyfja.

Með sama hætti veitir hljóðbylgjukenningin einnig skýringu á hvers vegna svæfing virkar illa á sýktan vef. Sýkingin sýrir vefinn og fræðimenn hafa sýnt að í hvert sinn sem pH-gildi fellur um eina einingu, hækkar bræðslumark himnunnar um 1,8° C. Þessi áhrif nægja til að útskýra samhengið milli sýkingar og minnkandi virkni deyfingar.

Heimburg og Jackson hafa því tromp á höndinni þegar þeir þurfa að verja kenningu sína um að taugaboð breiðist út í formi hljóðbylgna, en ekki sem rafboð. En í reynd getur reynst örðugara að sanna kenninguna. Frumuhimnur eru nefnilega afar breytilegar því hlutfall mismunandi fituefna breytist í þeim eftir því sem fjölmörg prótín, sölt og aðrar sameindir fara stöðugt um himnuna og einnig út og inn úr henni. Þessar breytingar hafa mikil áhrif á bræðslumark himnunnar og jafnframt möguleika solitóna á að myndast. Breytingarnar eru auk þess afar staðbundnar, þannig að bræðslumarkið er ekki hið sama á öllum stöðum einnar frumuhimnu, heldur getur breyst um nokkrar gráður innan fjarlægðar sem nemur aðeins brotabroti úr millimetra. Ekki er heldur að finna neina auðvelda aðferð á bræðslumarki taugafrumu án þess að eyðileggja hana og því getur reynst afar örðugt að sanna hvernig hljóðbylgjur í raun dreifast um í lifandi frumuhimnu tauga. Fram til þessa hefur kenning Heimburgs og Jacksons því grundvallast á fræðilegum ályktunum út frá tilraunum á einangruðum frumuhimnum, sem hafa því ekki verið lifandi.

Enn skortir svör

Önnur áskorun kenningarinnar felst í að útskýra hvers vegna taugafrumur eru búnar gríðarlegum fjölda af jónagöngum í himnunni. Jónagöngin stýra inn- og útstreymi rafhlaðinna natríum- og kalíumjóna, sem samkvæmt viðtekinni kenningu mynda rafboðin í taugum. Í tilraunum á lifandi taugafrumum hafa menn sýnt hvernig þessi jónagöng opnast og lokast í nákvæmlega samhæfðu mynstri, sem samsvarar fyllilega útbreiðslu taugaboða. Þriðja stóra áskorunin verður síðan að útskýra hvernig taugaboðin flytjast frá einni taug til annarra í svonefndum griplum. Á þessu sviði sækir viðtekin kenning styrk sinn í vísindalegar tilraunir sem sýna hlutverk jónaganganna í ferlinu.

Þessar tvær kenningar þurfa þó ekki nauðsynlega að útiloka hvor aðra. Það er óumdeilanlegt að rafboð myndast við útbreiðslu taugaboða, en eins og áður hefur verið nefnt má skýra þá virkni sem aukaafurð á þrýstingi hljóðbylgna í taugahimnunni og í slíku tilviki geta jónagöngin gegnt mikilvægu hlutverki í að jafna út þennan spennumun.