神经元模型中离子稳态兴奋性背后的双稳态动力学
神经元与认知
2015-06-17 v3 适应与自组织系统
摘要
当神经元发放动作电位时，自由能的耗散通常不被直接考虑，因为与神经跨膜离子梯度中储存的巨大储备以及通过化学能（即新陈代谢）满足的长期能量需求相比，自由能的变化往往可以忽略不计。然而，在偏头痛和中风等神经系统疾病以及从脑震荡到严重损伤的创伤性脑损伤中，这些梯度可能会暂时几乎消失。我们研究了基于 Hodgkin-Huxley (HH) 形式的生物物理神经元模型，并将其扩展以包含细胞内外随时间变化的离子浓度以及代谢能量驱动的泵。我们通过分岔分析揭示了自由能匮乏 (FES) 状态的基本机制，表明在没有接触离子浴的情况下，离子动力学在大范围的泵速率下是双稳态的。这被解释为一种新的“离子兴奋性”基本机制的阈值降低，该机制会导致病理状态下观察到的长期但短暂的 FES。我们特别得出结论，细胞外离子浓度与大型胶质 - 血管浴的耦合可以作为离子稳态中至关重要的抑制机制，而仅靠 Na/K 泵不足以从 FES 中恢复。我们的结果提供了 HH 形式与已成功用于模拟偏头痛表型的激活剂 - 抑制剂模型之间缺失的环节，因此将使我们能够验证以下假设：偏头痛症状是由离子通道亚基、Na/K 泵以及其他调节离子稳态的蛋白质功能紊乱引起的。
引用
@article{arxiv.1310.1941,
title = {Bistable dynamics underlying excitability of ion homeostasis in neuron models},
author = {Niklas Hübel and Eckehard Schöll and Markus A. Dahlem},
journal= {arXiv preprint arXiv:1310.1941},
year = {2015}
}
备注
14 pages, 8 figures, 4 tables