电扩散建模与树突棘几何在神经元动作电位传播中的作用

大脑中的电信号对我们的存在至关重要，但其传播的基本机制尚未被破解。在数值建模补充相关实验发现方面取得了显著进展。基于电缆理论的模型在理解神经元轴突中电信号传播机制方面取得了重大突破。然而，电缆理论对于薄几何结构（如神经元的树突棘或树突）会失效，这是其诸多限制之一。最近，利用泊松-能斯特-普朗克（PNP）电扩散理论对神经元轴突和树突棘中的时空传播进行了精确建模。膜片钳和电压成像实验已广泛用于研究动作电位在神经元轴突中的传播，但由于其薄几何结构带来的挑战，尚未用于树突棘。在超分辨率显微镜和电压染色实验的帮助下，现在可以精确测量树突棘中的电压。这促成了能够充当数字孪生的高保真数值框架的需求。在这里，我们利用 PNP 理论，将树突棘、胞体和轴突区域整合起来，对完整神经元几何结构中的兴奋性突触电位传播进行数值建模，突触输入位于树突棘上，电位在轴丘处起始并沿神经元轴突传播。该模型输出动作电位沿神经元轴突的正向传播以及向树突棘的反向传播。我们指出了树突棘复杂几何结构（即树突棘颈长度和半径）以及轴丘处离子通道密度对动作电位起始和传播的重要性。