Harakat potentsialining miqdoriy modellari - Quantitative models of the action potential

Yilda neyrofiziologiya, ning bir nechta matematik modellari harakat potentsiali ikkita asosiy turga bo'linadigan ishlab chiqilgan. Birinchi tur eksperimental ma'lumotlarni miqdoriy ravishda modellashtirishga, ya'ni tok va kuchlanish o'lchovlarini aniq ko'paytirishga intiladi. Taniqli Xojkin-Xaksli modeli aksonning Loligo kalmar bunday modellarga misol keltiradi.^[1] Sifatida to'g'ri bo'lsa-da, H-H modeli har qanday qo'zg'aluvchan membranani aniq ta'riflab bermaydi, chunki u faqat ikkita ionni (natriy va kaliy) hisobga oladi, ularning har biri voltajga sezgir kanalga ega. Biroq, kabi boshqa ionlar kaltsiy muhim bo'lishi mumkin va barcha ionlar uchun juda xilma-xil kanallar mavjud.^[2] Misol tariqasida yurak faoliyatining potentsiali kuchlanishga sezgir kaltsiy kanallari va har xil natriy / kaliy kanallari bo'lgan membranalarda har xil shakldagi ta'sir potentsiallari qanday hosil bo'lishi mumkinligini ko'rsatadi. Matematik modelning ikkinchi turi - bu birinchi turni soddalashtirish; Maqsad eksperimental ma'lumotlarni ko'paytirish emas, balki asabiy davrlarda harakat potentsialining rolini sifat jihatidan tushunishdir. Bunday maqsadda batafsil fiziologik modellar keraksiz darajada murakkablashishi va "daraxtlar uchun o'rmon" ni yashirishi mumkin. The FitzHugh-Nagumo modeli uchun o'rganiladigan ushbu sinfga xosdir qiziqish harakati.^[3] O'qish odatda kuzatiladi tabiatda, masalan, ning sinxronlashtirilgan yoritilishida o't pashshalari, bu harakat potentsialining portlashi bilan muvofiqlashtirilgan;^[4] individual neyronlarda tutilish ham kuzatilishi mumkin.^[5] Kichkintoylarning xatti-harakatlarini tushunish uchun ikkala turdagi modellardan ham foydalanish mumkin biologik neyron tarmoqlari kabi markaziy naqsh generatorlari ba'zi bir avtomatik refleksli harakatlar uchun javobgardir.^[6] Bunday tarmoqlar mushaklar qisqarishini muvofiqlashtirish uchun ishlatiladigan, masalan, yirtqichlardan qochish uchun nafas olish yoki tez suzish bilan shug'ullanadigan harakat potentsialining murakkab vaqtinchalik naqshini yaratishi mumkin.^[7]

Xojkin-Xaksli modeli

Harakat potentsialining Xodkin-Xaksli modeli uchun ekvivalent elektr zanjiri. Men_m va V_m mos ravishda membrananing kichik bo'lagi orqali oqim va kuchlanishni ifodalaydi. The C_m membrana yamog'ining sig'imini anglatadi, to'rttasi esa g 'lar vakili o'tkazuvchanlik to'rt turdagi ionlardan. Kaliy (K) va natriy (Na) uchun chap tomondagi ikkita o'tkazuvchanlik strelkalar bilan ko'rsatilgan bo'lib, ular qo'llaniladigan kuchlanish bilan o'zgarishi mumkin, mos keladigan kuchlanish sezgir ion kanallari.

1952 yilda Alan Lloyd Xodkin va Endryu Xaksli eksperimental kuchlanish-qisqich ma'lumotlarini aksonal membranaga moslashtirish uchun tenglamalar to'plamini ishlab chiqdi.^[1][8] Model membrana sig'imini nazarda tutadi C doimiy; Shunday qilib, transmembran kuchlanishi V umumiy transmembran oqimi bilan o'zgaradi Men_to'liq tenglamaga muvofiq

${ displaystyle C { frac {dV} {dt}} = I _ { mathrm {tot}} = I _ { mathrm {ext}} + I _ { mathrm {Na}} + I _ { mathrm {K}} + I _ { mathrm {L}}}$

qayerda Men_Na, Men_Kva Men_L mahalliy natriy kanallari, kaliy kanallari va "oqish" kanallari (mos ravishda) orqali uzatiladigan oqimlar. Dastlabki muddat Men_ext kabi tashqi manbalardan keladigan oqimni ifodalaydi qo'zg'atuvchi postsinaptik potentsiallar dendritlardan yoki olim elektrodidan.

Model bundan keyin berilgan ion kanali to'liq ochiq yoki yopiq deb hisoblaydi; agar yopiq bo'lsa, uning o'tkazuvchanlik nolga teng, agar ochiq bo'lsa, uning o'tkazuvchanligi doimiy qiymatga ega g. Demak, ion kanali orqali aniq oqim ikki o'zgaruvchiga bog'liq: ehtimollik p_ochiq kanalning ochilishi va uning ionning muvozanat kuchlanishidan farqi, V − V_tenglama. Masalan, kaliy kanali orqali oqim quyidagicha yozilishi mumkin

${ displaystyle I _ { mathrm {K}} = g _ { mathrm {K}} chap (V-E _ { mathrm {K}} o'ng) p _ { mathrm {ochiq, K}}}$

ga teng bo'lgan Ohm qonuni. Ta'rifga ko'ra, aniq oqim oqimi yo'q (Men_K = 0) transmembranali kuchlanish ushbu ionning muvozanat kuchlanishiga teng bo'lganda (qachon V = E_K).

O'zlarining ma'lumotlariga aniq mos kelish uchun Xodkin va Xaksli ion kanallarining har bir turida bir nechta "eshiklar" bo'lgan deb taxmin qilishdi, shuning uchun kanal faqat barcha eshiklar ochiq va yopiq holda ochiq edi. Ular, shuningdek, eshikning ochilish ehtimoli boshqa eshiklarning ochiq bo'lishidan mustaqil deb taxmin qilishgan; bu taxmin keyinchalik inaktivatsiya eshigi uchun tasdiqlangan.^[9] Xodkin va Xaksli voltajga sezgir kaliy kanalini to'rtta eshikli qilib modellashtirishdi; ruxsat berish p_n bitta bitta eshikning ochilish ehtimolini bildiring, butun kanalning ochilish ehtimoli shunday to'rtta ehtimollikning hosilasi, ya'ni. p_{ochiq, K} = n⁴. Xuddi shu tarzda, voltajga sezgir bo'lgan natriy kanalining ehtimoli uchta shunga o'xshash ehtimollik eshiklari sifatida modellashtirilgan m va inaktivatsiya bilan bog'liq to'rtinchi eshik, ehtimollik h; shunday qilib, p_{ochiq, Na} = m³h. Har bir darvoza uchun ehtimolliklar bo'ysunadi deb taxmin qilinadi birinchi darajali kinetika

${ displaystyle { frac {dm} {dt}} = - { frac {m-m _ { mathrm {eq}}} { tau _ {m}}}}$

bu erda ham muvozanat qiymati m_tenglama va bo'shashish vaqti doimiy constant_m oniy kuchlanishga bog'liq V membrana bo'ylab. Agar V vaqt o'lchovida τ ga qaraganda sekinroq o'zgaradi_m, m ehtimollik har doim taxminan uning muvozanat qiymatiga teng bo'ladi m_tenglama; ammo, agar V tezroq o'zgaradi, keyin m orqada qoladi m_tenglama. Hodgkin va Xaksli o'zlarining kuchlanish-qisqich ma'lumotlarini o'rnatish orqali ushbu muvozanat qiymatlari va vaqt konstantalari harorat va transmembran kuchlanish bilan qanday o'zgarishini modellashtirishga muvaffaq bo'lishdi.^[1] Formulalar murakkab va eksponent ravishda voltaj va haroratga bog'liq. Masalan, natriy kanalining faollashish ehtimoli uchun vaqt doimiysi h 3 sifatida o'zgaradi^{(− − 6.3) / 10} Selsiy harorati with va kuchlanish bilan V kabi

${ displaystyle { frac {1} { tau _ {h}}} = 0.07e ^ {- V / 20} + { frac {1} {1 + e ^ {3-V / 10}}}. }$

Xulosa qilib aytganda, Xojkin-Xaksli tenglamalari murakkab, chiziqli emas oddiy differentsial tenglamalar to'rtda mustaqil o'zgaruvchilar: transmembran kuchlanishi Vva ehtimolliklar m, h va n.^[10] Ushbu tenglamalarning umumiy echimi topilmagan. Bunday noaniq dinamik tizimlarni o'rganish uchun kamroq ambitsiyali, ammo umuman qo'llaniladigan usul bu ularning xatti-harakatlarini sobit nuqta.^[11] Ushbu tahlil Xojkin-Xaksli tizimi barqaror tinchlikdan -ga o'tishni ko'rsatmoqda yorilish tebranishlar rag'batlantiruvchi oqim sifatida Men_ext asta-sekin oshiriladi; diqqatga sazovor tomoni shundaki, akson stimulyator oqimi yanada oshgani sayin yana barqaror ravishda tinchlanadi.^[12] Xodkin-Xaksli tenglamalari bashorat qilgan aksonlarning sifatli xatti-harakatlari turlarini yanada umumiy o'rganish amalga oshirildi.^[10]

FitzHugh-Nagumo modeli

FHN-rasm: Harakat potentsialini taqlid qilish uchun FitzHugh-Nagumo modeli va uning qarindoshlari funktsiyadan foydalanadilar g(V) bilan salbiy differentsial qarshilik (bo'yicha salbiy nishab Men va boshqalar V fitna). Taqqoslash uchun normal qarshilik ijobiy nishabga ega bo'ladi Ohm qonuni I = GV, qaerda o'tkazuvchanlik G ning teskari tomoni qarshilik G=1/R.

Xojkin-Xaksli tenglamalari murakkabligi sababli, sifat jihatidan o'xshash xulq-atvorni namoyish etadigan turli xil soddalashtirishlar ishlab chiqilgan.^[3][13] The FitzHugh-Nagumo modeli bunday soddalashtirilgan tizimning odatiy namunasidir.^[14][15] Asosida tunnel diodasi, FHN modeli faqat ikkita mustaqil o'zgaruvchiga ega, ammo to'liq Hodkin-Xaksli tenglamalariga o'xshash barqarorlikni namoyish etadi.^[16] Tenglamalar

${ displaystyle C { frac {dV} {dt}} = I-g (V),}$

${ displaystyle L { frac {dI} {dt}} = E-V-RI}$

qayerda g (V) kuchlanishning funktsiyasi V o'rtada salbiy nishab mintaqasiga ega, uning yon tomoni bitta maksimal va bir minimal bilan chegaralangan (FHN-rasm). FitzHugh-Nagumo modelining juda ko'p o'rganilgan oddiy holati - bu tenglama bilan tavsiflangan Bonxeffer-van der Pol asab modeli.^[17]

${ displaystyle C { frac {dV} {dt}} = I- epsilon chap ({ frac {V ^ {3}} {3}} - V right),}$

${ displaystyle L { frac {dI} {dt}} = - V}$

bu erda ε koeffitsienti kichik deb qabul qilinadi. Ushbu tenglamalarni ikkinchi darajali differentsial tenglamaga birlashtirish mumkin

${ displaystyle C { frac {d ^ {2} V} {dt ^ {2}}} + epsilon left (V ^ {2} -1 right) { frac {dV} {dt}} + { frac {V} {L}} = 0.}$

Bu van der Pol tenglama chiziqli bo'lmagan matematikada ko'plab tadqiqotlarni rag'batlantirdi dinamik tizimlar. Op-amp harakat potentsialining FHN va van der Pol modellarini amalga oshiradigan sxemalar Keener tomonidan ishlab chiqilgan.^[18]

Xodkin-Xaksli va FitzHyu-Nagumo modellarining duragaylari 1981 yilda Morris va Lekar tomonidan ishlab chiqilgan va muskul tolasi barnaklar.^[19] Barnak fiziologiyasiga muvofiq, Morris-Lekar modeli Hodkin-Xaksli modelidagi voltajli natriy tokini kuchlanishga bog'liq kaltsiy oqimi bilan almashtiradi. Harakatsizlik yo'q (yo'q h o'zgaruvchan) va kaltsiy oqimi bir zumda muvozanatlashadi, shuning uchun yana vaqtga bog'liq bo'lgan ikkita o'zgaruvchi mavjud: transmembran kuchlanishi V va kaliy eshigi ehtimolligi n. Ushbu modelning yorilishi, mashq qilish va boshqa matematik xususiyatlari batafsil o'rganildi.^[20]

Harakat potentsialining eng sodda modellari bu "yuvish va to'ldirish" modellari ("integratsiya va olov" modellari deb ham ataladi), ularda kirish signali chegaraga yetguncha ("to'ldirish" bosqichi) yig'ilib, puls va summani nolga qaytarish ("yuvish" bosqichi).^[3][21][22] Ushbu modellarning barchasi namoyish etilishi mumkin qiziqish, bu odatda kuzatiladi asab tizimida.^[3]

Hujayradan tashqari potentsiallar va oqimlar

Yuqoridagi modellar transmembrananing kuchlanishi va oqimini bitta membrana yamog'ida simulyatsiya qilgan bo'lsa, boshqa matematik modellar neyronni o'rab turgan ion eritmasidagi kuchlanish va oqimlarga taalluqlidir.^[23] Bunday modellar hujayra ichidagi yozuvlarni amalga oshirishga imkon beradigan shisha pipet elektrod ixtiro qilinishidan oldin keng tarqalgan hujayradan tashqaridagi elektrodlardan ma'lumotlarni izohlashda yordam beradi.^[24] Hujayradan tashqari muhit odatdagi izotrop sifatida modellashtirilishi mumkin ionli eritma; bunday echimlarda oqim quyidagilarga amal qiladi elektr maydon chiziqlari, ning doimiy shakliga ko'ra Ohm qonuni

${ displaystyle mathbf {j} = sigma mathbf {E}}$

qayerda j va E ni ifodalovchi vektorlardir joriy zichlik va elektr maydoni navbati bilan va qaerda σ bu o'tkazuvchanlik. Shunday qilib, j dan topish mumkin E, bu o'z navbatida yordamida topilishi mumkin Maksvell tenglamalari. Maksvell tenglamalarini nisbatan oddiy masalaga keltirish mumkin elektrostatik, ion kontsentratsiyasi juda sekin o'zgarganligi sababli (ga nisbatan yorug'lik tezligi ) uchun magnit ta'sir muhim bo'lishi. The elektr potentsiali φ (x) har qanday hujayradan tashqari nuqtada x yordamida hal qilish mumkin Yashilning o'ziga xosliklari^[23]

${ displaystyle phi ( mathbf {x}) = { frac {1} {4 pi sigma _ { mathrm {tashqarida}}}} oint _ { mathrm {membrana}} { frac { qisman} { qisman n}} { frac {1} { chap | mathbf {x} - { boldsymbol { xi}} o'ng |}} chap [ sigma _ { mathrm {tashqarida}} phi _ { mathrm {tashqarida}} ({ boldsymbol { xi}}) - sigma _ { mathrm {ichida}} phi _ { mathrm {ichida}} ({ boldsymbol { xi}} ) o'ng] dS}$

bu erda integratsiya membrananing to'liq yuzasi ustida joylashgan; ${ displaystyle { boldsymbol { xi}}}$ membranadagi holat, σ_ichida va φ_ichida membrana ichidagi o'tkazuvchanlik va potentsial, va_tashqarida va φ_tashqarida mos keladigan qiymatlar membranadan tashqarida. Shunday qilib, membranadagi ushbu σ va φ qiymatlarni hisobga olgan holda hujayradan tashqari potentsial φ (x) har qanday pozitsiya uchun hisoblanishi mumkin x; o'z navbatida, elektr maydoni E va oqim zichligi j ushbu potentsial maydondan hisoblash mumkin.^[25]

Shuningdek qarang

• Biologik neyron modellari
• GHK joriy tenglamasi
• Asabiy hisoblash modellari
• Tuzli o'tkazuvchanlik
• Bioelektronika
• Kabel nazariyasi

Adabiyotlar

Qo'shimcha o'qish

• Glass L, Mackey MC (1988). Soatlardan tartibsizlikka: hayot ritmlari. Prinston, Nyu-Jersi: Prinston universiteti. ISBN  978-0-691-08496-1.