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海马CA1区和CA3区单个神经元放电的仿真研究

解楠  
【摘要】:研究目的: 海马属于边缘系统,海马区神经元的放电活动与学习记忆、情绪行为和癫痫发作是密切相关的[I-3]。目前对海马区的研究主要集中在CA1区和CA3区,海马区神经元不同的放电模式携带着不同的电信号,所以研究神经元的放电模式对研究神经元信息编码具有非常重要的意义。动作电位的发放频率以及每个爆发放电中峰放电的个数都是衡量放电模式的重要指标。本论文的研究目的是:通过对海马CA1区和CA3区单个神经元的建模仿真,分析单个神经元放电模式的变化。 研究方法: 1.海马CA1区单个锥体神经元建模:对Warmam等提出的模型进行改进,建立一个包括16个房室的海马CA1区单个锥体神经元的电缆模型。模型的胞体室含有五个离子通道(INa,INaP, IDR, IA,IM),其中不包括钙电流和由钙浓度调节的钾电流(ICa,ICT, IAHP),而包括一个持续钠电流(INap);树突室不含有源通道。 2.海马CA3区单个锥体神经元建模:本论文应用简化的Traub模型[29],该模型只含有胞体室和树突室两个房室。模型的胞体室包括两类离子电流:内向的钠离子电流INa和外向的延迟整流钾离子电流IK-DR;树突室包括三类离子电流:内向的钙离子电流ICa和两类外向钾离子电流,钙激活钾离子电流IK-C和Ik-AHP。 3.在海马CA1区单个神经元模型中,通过计算机仿真分析外界刺激,钾离子浓度以及离子通道电导对海马CA1区单个神经元放电模式的影响。 4.在海马CA3区单个神经元模型中,通过计算机仿真分析外界刺激以及耦合电导gc对海马CA3区单个神经元放电模式的影响。 研究结果: 1.海马CA1区单个神经元模型中,仿真结果显示:随着钾离子浓度[K+]。的增加,以及钠通道电导的增加和钾通道电导的减少,海马CA1区单个神经元的放电频率增加。海马CA1区单个神经元的放电行为以单峰或者每个簇内含有两个或三个峰的形式出现,伴随混合放电。快速钠电流INa对海马CA1区周期白发爆发性放电有重要影响,单独的INa足够维持胞体的自发性放电。INap是一个小电流,不足以维持胞体反复自发性放电。 2.海马CA3区单个神经元模型中,仿真结果显示:(1)海马CA3区单个神经元的放电模式大致分为五类:低频率爆发放电,包括非常低频率的爆发放电和低频率爆发放电;高频率节律放电,包括胞体节律放电和胞体一树突节律放电;非周期混合模式的放电。(2)当gc=0mS/cm2时,神经元无爆发放电行为。随着单独胞体输入电流Is的增加,海马CA3区单个神经元放电频率增加,神经元的放电模式表现为周期节律放电(somatic Na spike);随着单独树突输入电流Id的增加,神经元放电频率增加,神经元的放电模式表现为周期节律放电(Ca spike)。当gc=2.1mS/cm2时,随着胞体输入电流Is的增加,神经元的放电频率增加,神经元的放电模式由周期低频率爆发放电,到非周期混合放电,再到周期节律放电,当胞体的输入电流较高时,神经元放电达到一个稳定的去极化状态;随着树突输入电流Id的增加,神经元放电频率增加,神经元的放电模式表现为非常低频率的爆发放电,低频率爆发放电,非周期行为,最后达到稳定的状态。当gc=∞mS/cm2时,胞体室和树突室合并为一个房室,随Is(Id)的增加,放电频率增加,神经元的放电模式表现为节律放电(Na-Ca spike),无爆发放电行为。 研究结论: 1.海马CA1区单个神经元模型仿真结果中可见:海马CA1区单个神经元放电模式的变化与外界刺激、[K+]。以及离子通道电导有关。在一定范围内,随外界刺激电流密度、[K+]。和钠离子通道电导的增加以及钾离子通道电导的减少,海马CA1区单个神经元的放电频率增加,放电模式以单峰或者每个簇内含有两个或多个峰的形式出现,伴随混合放电。 2.海马CA3区单个神经元模型仿真结果中可见:海马CA3区单个神经元放电模式的变化与外界刺激和耦合电导gc的值密切相关。随外界刺激电流密度的增加,海马CA3区单个锥体神经元的放电频率增加,放电模式随gc值的不同而不同。当gc的值为0或无穷大时,随外界刺激电流密度的增加,海马CA3区单个锥体神经元的放电模式表现为节律放电,无爆发放电;只有gc的值在中间时才产生爆发放电。


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