基于细胞特性的单极刷细胞房室模型研究

发布时间：2020-03-28 00:27

【摘要】：随着脑科学的深入研究与发展,小脑在认知、记忆以及运动控制等方面的功能已逐渐被人们所了解。最新研究表明小脑颗粒层中的单极刷细胞在控制和巩固小脑运动学习中发挥关键作用,单极刷细胞突触的响应能力与放电模式取决于细胞的内在电响应特性,因此通过建立单极刷细胞计算模型来研究其电响应特性,有助于进一步理解小脑功能。本文主要针对单极刷细胞计算模型及电响应特性进行深入研究,研究内容包括:(1)结合细胞离子通道特征,通过拟合单极刷细胞的生理实验数据,提出针对单极刷细胞的完整单房室模型和最小单房室模型,并基于这两个模型实现细胞稳态及电响应特性分析。首先,研究单极刷细胞的稳态特性,通过对比两种模型探究离子通道内在特性对细胞动力学的影响。研究结果表明T型钙通道和内向整流钾通道对于维持静息电位的稳定性具有重要作用。然后,研究单极刷细胞的回返式放电特性,测试两个模型在输入抑制性mGluR2电流时的电压响应,结果表明T型钙通道是诱发回返式放电的主要离子通道。最后,研究细胞的共振特性,结果表明当模型输入ZAP电流时可以产生阈下共振。模型的实验结果均与生理实验结果一致,且符合单极刷细胞的生理特性。(2)由于上述提出的单房室模型未考虑细胞形态结构对电响应特性的影响,为更好地反映单极刷细胞的电生理学特性,本文进一步提出基于形态结构的单极刷细胞详细房室模型。该模型根据生理学中离子通道的分布重构细胞几何结构,同时构建多种类型的刺激序列。实验结果表明单极刷细胞详细房室模型,当输入去极化阶跃电流刺激时可产生规律的尖峰脉冲;当输入超极化阶跃电流刺激时产生凹陷之后的尖峰;当输入线性或非线性频率的正弦电流刺激时可产生阈下共振,且共振幅度小于单房室模型,电位趋稳过程较平缓;当输入泊松刺激时产生普通尖峰,且输出尖峰频率与输入泊松刺激频率及突触数量均呈现近似正相关。模型电响应特性与生理实验结果一致,与细胞生理特性相符。综上所述,本文基于单极刷细胞的离子通道及形态结构,提出了单极刷细胞的单房室和详细房室模型。所提出的两类模型,在重构细胞离子通道及形态结构的基础上保持了细胞原有的生理特性,有效实现了单极刷细胞电响应特性的模拟。
【图文】：

序列,泊松,尖峰,序列

参数组合共为 75 种。泊松刺激的尖峰序列时间随着刺激频率增大而增多，如图 4.11所示。图4.11 泊松刺激尖峰序列为了更为清晰地显示不同参数下响应尖峰的频率变化，需要计算不同频率和突触数量情况下响应尖峰的频率。本节设置电压阈值为-50mV，当响应电压值大于阈值时，认为产生了尖峰。响应尖峰的频率数值等于响应电压中产生尖峰的数量除以总时间，总时间设置为 20s，由于从开始刺激到第 1s 时间内模型处于初始化阶段，其结果可能存在偏差，不具有参考价值，因此在计算时忽略第 1s 内的尖峰数量，只计算之后的1s~19s 内的数量。模型的响应尖峰频率与刺激频率和突触数量的函数关系如图 4.12

关系图,响应频率,关系图,突触

第四章基于细胞形态的单极刷细胞详细房室模型49图4.12 刺激频率与模型响应频率关系图图 4.13 中横轴为突触数量，纵轴为响应尖峰频率。可以观察到响应尖峰频率与突触数量之间也存在着一定的关系。在突触数量为 1—4 时，，响应尖峰频率与突触数量表现出极强的线性正相关，而突出数量为 5 时，这种关系较为平缓。基于单极刷细胞与其它细胞形成的的突触数量一般较少的考虑，可以认为模型响应尖峰的频率与突触数量呈现线性正相关，即在其它参数相同时，突触数量越大，响应尖峰频率值越大。图4.13 突触数量与模型响应频率关系图综上，单极刷细胞详细房室模型响应尖峰频率与泊松刺激频率呈现近似正相关，与突触数量呈现近似线性正相关。本章模型所得到的这种响应频率和突触数量的依赖?
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R338

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