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[对底丘脑核投射神经元的动作电位的仿真] 神经元对于动作电位

来源:读后感 发布时间:2019-06-18 点击:

  摘要:目的:介绍了神经元的间室模型和底丘脑核投射神经元的动作电位的仿真方法。方法:将神经元分成一个个间室,每个间室分列微分方程。具体实验中利用“Neuron”这个神经元仿真计算平台对底丘脑核投射神经元的动作电位进行仿真。结果:当神经元结构比较复杂,膜的特性具有电压依从性,膜上有突触后电流的时候,间室模型能很好地反映了复杂神经元的电学特性。底丘脑核投射神经元的动作电位仿真结果和真正的动作电位结果非常相似。结论:间室模型很好地反映了复杂神经元的电学特性。底丘脑核投射神经元的动作电位仿真结果和真正的动作电位结果非常吻合。
  关键词:动作电位;间室模型;底丘脑核;投射神经元
  中图分类号:TP301文献标识码:A文章编号:1672-7800(2012)010-0028-03
  作者简介:陈国斌(1971-),男,海南医学院生理学教研室讲师,研究方向为神经元的处理与神经元的仿真。
  0引言
  上个世纪90年代,计算神经科学异军突起,其中,仿真研究非常深入,实验计算平台也越来越成熟。随着该方面研究的深入,对单个神经元的仿真实验逐步进入欧美研究者的视野,他们对一些神经元进行了仿真,但我国这个方面的研究相对滞后。
  本文介绍的单个神经元仿真的理论原理,主要是介绍神经元的间室模型(CompartmentalModel),接着用“Neuron”这个神经元仿真计算平台,对底丘脑核投射神经元的动作电位进行仿真。
  1神经元的间室模型(compartmentalmodel)
  上世纪六七十年代发展出了神经元的电缆模型。这种模型有它一定优点,但当引入突触,系统被突触电流打乱的时候,这种算法就变得非常复杂而且很不经济。当膜的特性是电压依赖性的时候,例如,膜表现出整流特性或支持产生动作电位的时候,用线性电缆理论这种分析方法就不再有效。就像Rall指出的这种复杂情况必须用间室模型来解决而不能用分析模型来解决。
  间室的方法是用一组常微分方程代替分析模型的偏微分方程,也就是将连续的神经元分成一个个足够小的小片段(间室)。在容许可忽略的小误差的情况下,假定每个小间室都是等电位的,并且假定它们的特性在空间分布上是均匀的。不同间室之间可以存在不同的电压以及不均匀的物理特性,如直径、特殊电学特性,但绝对不会存在于间室内部。
  一小片细胞膜的等效电路是间室模型的基础。图1可以看一小片细胞膜的等效电路(这是一个只有被动特性的膜)。在J间室中,电阻r-{mj}代表静息状态下开放的膜通道,电容c-{mj}代表脂质双分子层所具有的电容特性。如果为了方便把静息电位取0,那么和通道串连的电池可以忽略。所有的细胞外的液体可以认为等电位的,把它们当作电位。细胞内的液体是导体,可以用间室之间的电阻r-j表示。
  2底丘脑核投射神经元的动作电位
  介绍完间室模型后,在个人电子计算机上利用神经元和神经计算仿真平台“Neuron”仿真底丘脑核投射神经元的动作电位。
  步骤如下:
  (1)Neuron软件包的下载和安装。
  从神经元仿真器Neuron的主页www.neuron.yale.edu下载软件安装包;双击安装包进行安装。安装完后会在桌面生成一个Neuron文件夹。
  (2)仿真器的打开和关闭。
  双击桌面Neuron文件夹里的nrngui图标,打开仿真器。会看见一个Neuron主菜单(图3)和一个终端。终端里有欢迎语,后跟提示符oc>。单击终端右上角的关闭按钮就可以关闭仿真器。
  (3)神经元动作电位的仿真。
  ①神经元胞体的创建和设置:
  在oc>提示符后输入createsoma,创建神经元胞体。
  在oc>提示符后输入:
  accesssoma
  somanseg=1
  somadiam=18.8
  somaL=18.8
  somaRa=123.0
  设置胞体片段数目为1;胞体直径为18.8μm;胞体长度18.8μm;胞体胞浆电阻123.0ohmcm。
  ②在神经元胞体膜上添加离子通道:
  在oc>提示符后输入“somainserthh”,向胞体膜上添加Hodgkin-Huxley离子通道群。这一通道群包括:
  电压门控钠通道:最大电导0.120S/cm2,反转电位50mV;
  电压门控钾通道:最大电导0.036S/cm2,反转电位-77mV;
  漏电通道:最大电导0.0003S/cm2,反转电位-54.3mV。
  ③在胞体片段上的一点引入电流钳并设置电流参数:
  在oc>提示符后输入“objectvarstim”,创建对象变量stim。
  在oc>提示符后输入“somastim=newIClamp(0.5)”,在胞体片段的中间引入电流钳。
  在oc>提示符后输入:
  stim.del=100
  stim.dur=100
  stim.amp=0.1
  设置参数。
  刺激延迟100ms;刺激时程100ms;刺激幅度0.1nA。
  ④设置仿真时间:
  在oc>提示符后输入“tstop=300”,设置整个仿真过程时间为300ms。
  ⑤进行仿真:
  选择Neuron主菜单(图3)上的Graph菜单上的Voltageaxis子菜单,打开电压时间坐标平面。
  选择Neuron主菜单上的Tools菜单上的RunControl子菜单,打开RunControl面板。左键单击“Init&Run”键,可以发现电压时间坐标平面上出现七个动作电位(如图4)。
  参考文献:
  [1]TUCKWELLHC.Introductiontotheoreticalneurobiology[M].Vol.2,Nonlinearandstochastictheories.Cambridge:CambridgeUniversityPress.
  [2]HOLMESWRA.continuouscablemethodfordeterminingthetransientpotentialinpassivedendriteictreesofknowngeometry[J].Biol.Cybern.55:115-124.
  [3]RALLW.Theoreticalsignificanceofdendritictreesforneuronalinput-outputrelations[C].In:Neuraltheoryandmodeling,ed.R.F.Reiss,pp.73-94.Stanford,CA:StanfordUniversityPress.
  [4]HOLMESWR,RALLW.Electrotoniclengthestimatesinneuronswithdendritictaperingorsomaticshunt[J].J.Neurophysiol.68:1421-1437.
  [5]PERKELDH,MULLONEYB,BUDELLIRW.Quantitativemethodsforpredictingneuronalbehavior[J].Neurosci,6:823-837.
  [6]HINESML,CARNEVALENT.TheNEURONsimulationenvironment[C].In:TheHandbookofBrainTheoryandNeuralNetworks,2nded,editedbyM.A.Arbib.Cambridge,MA:MITPress,2003:769-773.
  (责任编辑:余晓)

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