含时变离子浓度与缓冲库的 Hodgkin-Huxley 模型中从秒到小时尺度的动力学
神经元与认知
2014-12-09 v2
摘要
经典的 Hodgkin-Huxley (HH) 模型忽略了尖峰动力学中离子浓度的时间依赖性。因此，其动力学局限于由膜电容乘以离子通道电阻以及门控时间常数所决定的毫秒级时间尺度。我们研究了一个扩展 HH 框架中的慢动力学，该框架包含了随时间变化的离子浓度、泵和缓冲器。跨神经元膜的通量改变了细胞内和细胞外的离子浓度，而后者也可通过与周围环境中的储库接触而发生变化。系统的离子增益与损耗被确定为一个分岔参数，其重要性在早期研究中未被认识到。我们对分岔结构及由此产生的相空间结构的系统研究，有助于理解此类扩展模型中出现的离子稳态新兴奋性的激活与抑制。调节尖峰频率的调制机制也可通过分岔来解释。三个不同慢时间尺度上的动力学分别由细胞体积与表面积之比及膜通透性（秒级）、缓冲时间常数（数十秒级）以及较慢的反向缓冲过程（分钟至小时级）决定。这种调制动力学和新出现的兴奋性动力学分别对应于在癫痫样爆发活动中观察到的病理条件，以及在偏头痛先兆和中风中观察到的扩散性抑制。
引用
@article{arxiv.1404.3031,
title = {Dynamics from seconds to hours in Hodgkin-Huxley model with time-dependent ion concentrations and buffer reservoirs},
author = {Niklas Hübel and Markus A. Dahlem},
journal= {arXiv preprint arXiv:1404.3031},
year = {2014}
}
备注
18 pages, 11 figures