Model nöronların elektrokimyasal enerji tüketiminin diferansiyel denklem sistemleri kullanılarak incelenmesi

Abstract

Nöronlar tarafından aksiyon potansiyeli üretimi, enerji gerektiren yoğun bir süreçtir ve nöronların sinyal iletim aktivitesini korumak için ne kadar metabolik enerjinin gerekli olduğunu belirlemek, oldukça pratik öneme sahip bir problemdir. Diferansiyel denklem modelleri, gerçek nöronların dinamiklerini göstermek için yaygın olarak kullanılır, ancak bu dinamiklerin devam etmesini sağlamak için gereken elektrokimyasal enerji miktarını tahmin etmek için nadiren kullanılırlar. Kortikal piramidal hücreler, hem zaman alıcı hem de metabolik harcama açısından maliyetli olan gelen sinyalleri işleme konusunda olağanüstü yeteneklere sahiptir. Sinyal molekülleri, sinapslar ve iyon kanallarının tümü hücreler tarafından kullanılır ve her birinin çeşitli ölçeklerde nöronal anatomi ve fizyoloji üzerinde önemli bir etkisi vardır. Sonuç olarak, piramidal hücrelerde aksiyon potansiyelleri üretmek için metabolik enerjinin nasıl etkin bir şekilde kullanıldığını anlamak, bunların hesaplanması ve işleyişi hakkında kapsamlı bir anlayışkazanmak için kritik öneme sahiptir. Dendritler, kortikal piramidal hücrelerde sinyal alımı için başlıca yerlerdir ve ayrıca diğer nöronlara sinyallerin iletilmesinden sorumludurlar. Dendritik entegrasyonun çıktısı, aksiyon potansiyellerinin başlatılmasında doğrudan bir rol oynar ve nihai çıktı üzerinde bir etkiye sahiptir. Dendritler tarafından sağlanan doğrusal olmayan dönüşüm, piramidal nöron ağlarının matematiksel yeteneğini önemli ölçüde geliştirme potansiyeline sahiptir. Çalışmamız, dendritlerin somatik/aksonal aksiyon potansiyelinin metabolik verimliliğini nasıl etkilediğini matematiksel model ve analizler ile incelemektedir. Bu çalışmada, biyofiziksel ilkelere dayalı diferansiyel denklem modellerinin sayısal simülasyonları aracılığıyla soma-dendrit arasındaki enerji tüketimi analizi yapılmıştır. Pasif ve aktif dendritleri tanımlamak için iki bölmeli bir soma dendrit modeli geliştirilmiştir. Elektrokimyasal enerji tüketimi hesaplanmış ve hücrelerin dendritik ve somatik özellikleri araştırılmıştır. Pasif ve aktif dendritlerin, aksiyon potansiyeli oluşumu sırasındaki enerji verimliliğinde nasıl aktif bir rol oynadıkları açıklanarak kortikal piramidal nöronlardaki iletişimin enerji tüketimine nasıl katkıda bulunduğu gösterilmiştir. Sinaptik simülasyonun metabolik enerjiyi nasıl kullandığını anlamak için gerekli olan somadan dendrite akışla ilgili model parametrelerini değiştirerek iyonik akım dinamiklerinin soma-dendrit örtüşmesi üzerinde farklı etkileri olduğu araştırılmıştır.