自突触的CA1海马神经元中钠、钾、钙离子的动力学研究

It has been proposed that the sodium, potassium, and calcium ion channels play an important role in excitability of neuron, synaptic function, memory formation. Considering the role of calcium ion in the endoplasmic reticulum of the autaptic CA1 hippocampal pyramidal neuron and the extracellular sodium and potassium concentration, we will refine the given model with the latest experimental datas. We investigate detailedly the role of sodium, potassium, and calcium ions on responding to various stimuli in a CA1 hippocampal pyramidal neuron, and find the effect of the random sources on the dynamical behavior of neuron. Compared the numerical results with the experimental data, the complex interactions between the calcium in the endoplasmic reticulum and the electrical signal on the membrane of neuron are revealed, and the role of sodium, potassium, and calcium ions on dection of valuable information is explored..In our project, we try to answer some questions which are difficult to handle in the experimental science of neuron. For example, how do the calcium in the endoplasmic reticulum interactes the electrical signal on the membrane ofneuron? This project is meaningful for comprehending of the biological function of neural system, and shed an improved light on our understanding of the complex neural.dynamics.

神经细胞膜上各种离子通道开关所产生的电脉冲信号，对于控制神经元的兴奋性、调节突触功能，促进大脑记忆的形成等至关重要。本研究的主要内容是以自突触的CA1海马锥形神经元为主要模拟对象，考虑内质网中的钙离子与细胞外的钠、钾离子库，建立细胞膜脉冲电信号和钠、钾、钙离子相互作用的神经元模型，系统地研究各种离子与自突触对神经元的兴奋性与对外界刺激的响应影响，以及随机性对CA1海马锥形神经元的动力学行为的影响。通过模型数值结果和相关实验数据的比较，揭示内质网中钠、钾、钙离子化学信号和细胞膜上的电信号之间的复杂的相互作用，探索神经元侦测外界有用信息的机制。本项目的实施，将回答一些神经实验科学目前难于研究的前沿问题，如胞内钙离子与神经元的电脉冲如何相互作用，离子通道随机动力学对信号处理的积极作用。这些问题的回答有助于促进我们对神经元复杂动力学的理解，拓展和加深我们对理解神经系统对信息加工具有重要的意义。

神经细胞膜内外的动态变化的离子浓度和细胞尺寸，在理解病理动力学，如癫痫发作和扩散性抑郁症方面起着重要作用。本项目研究内容是一个类似于CA1锥形神经元模型为模拟对象，考虑动力变化的钠、钾、氯离子的作用，系统地研究神经元的兴奋性与对外界刺激的响应的影响。我们研究发现，不同的刺激会导致不同的外部的钾离子积累，从而形成了不同的放电模式，包括：抑制性扩散（Spreading depression）和癫痫（Seizure）的簇放电，多种不同的抑制性扩散（Spreading depression）和癫痫（Seizure）混合态，紧张性放电（tonic firing）。此外，我们发现神经元细胞的体积在神经元的放电模式中起着至关重要的作用。我们的工作揭示了微环境，包括动态变化的离子浓度和细胞的尺寸大小，在理解病理动力学方面起着重要作用，例如癫痫发作和扩散性抑郁症。. 自突触广泛地存在于80%的皮质锥体细胞中。科学家对自突触的不同生物学功能也进行了研究。例如，ATP酶的形成机制与神经元的损伤有关，它可以增强对刺激的自适应性。自突触的的形成机制与神经元的损伤有关，能增强神经元对刺激的自适应能力。但是对自突触的生物学功能并不完全了解。我们在单个Hodgkin-Huxley神经元模型和神经元网络中研究了化学自突触和电自突触对神经元刺激的响应和在神经元网络中信号传播的作用。相比较与兴奋性自突触和电突触，我们发现抑制性自突触能加强信号在神经网络中的传播和神经细胞对弱信号的响应。我们的研究表明，抑制性自突触可能在检测神经网络或单个神经元中的微弱信号方面发挥重要作用。抑制性自突触增信号检测是一个很有意义的研究课题，它将有助于我们理解具有自反馈的生物系统的动力学。