面向 DMC 的突触信道建模：三方突触中的神经递质摄取与溢出
亚细胞过程
2020-11-26 v2 信息论
math.IT
摘要
在扩散分子通信 (DMC) 中，信息由扩散分子传输。突触信号传递作为该范式的自然实现，包含一旦理解便可促进合成 DMC 系统开发的功能组件。然而，要释放此潜力，需要基于生物物理原理对突触通信信道有透彻理解。由于突触传递也关键依赖于非神经细胞，此种理解需考虑所谓的三方突触。本文中，我们开发了三方突触的综合信道模型，涵盖突触间隙的三维有限尺寸空间模型、在突触前神经元与胶质细胞的分子摄取、在突触后神经元个体受体上的可逆结合，以及向外突触空间的溢出。基于此模型，我们推导了突触 DMC 系统信道冲激响应 (CIR) 以及在突触前神经元与胶质细胞摄取分子数量的解析时域表达式。这些表达式揭示了宏观物理信道参数对 CIR 衰减率与再摄取率的影响，并揭示了由化学反应动力学与信道几何诱发的突触信号传输基本极限。适配真实参数后，与实验和仿真研究相比我们的模型产生合理结果，并且我们提供基于粒子的计算机仿真结果以进一步验证解析模型。所提出的综合信道模型支持广泛突触构型，使其适于研究许多实际相关问题，如胶质细胞摄取与溢出对三方突触中信号传输的影响。
引用
@article{arxiv.2005.09108,
title = {Synaptic Channel Modeling for DMC: Neurotransmitter Uptake and Spillover in the Tripartite Synapse},
author = {Sebastian Lotter and Arman Ahmadzadeh and Robert Schober},
journal= {arXiv preprint arXiv:2005.09108},
year = {2020}
}
备注
42 pages, 8 figures, 1 table. Accepted for publication in IEEE Transactions on Communications. This article is the extended version of the conference paper arXiv:1912.04025