Моделирование развития распространяющейся деполяризации и ее влияния на фоновую электрическую активность нейронов коры мозга крысы

Список сокращений 3
Введение 4
Основная часть 6
1 Распространяющаяся депрессия 6
2 Типы моделей 10
2.1 Нарушение гомеостаза сосудисто-нервного узла во время РД 11
2.2 Диффузия калия и глутамата может влиять на распространение РД 15
2.3 Электро-диффузия 16
2.4 Механизмы восстановления 16
2.5 Na / K-насос и удаление глиального калия 17
2.6 Синаптический сбой 17
2.7 Роль набухания клеток и синаптических взаимодействий в РД 18
2.7.1 Набухание клеток 18
2.7.2 Синапсы 18
2.8 Моделирование распространяющейся депрессии 19
I. Модели на основе проводимости с динамическими концентрациями ионов. 20
II. РД-модели активаторно-ингибиторного типа 23
3 Дополнения экстраклеточного модуля системы NEURON 27
3.1 Методы 27
3.2 Детали реализации 29
3.3 Результаты 30
4 Вычисление локального потенциала поля 36
Заключение 42
Список использованных источников 44

Весь текст будет доступен после покупки

Распространяющаяся депрессия (РД) представляет собой стереотипную реакцию нервной ткани в виде кратковременной самораспространяющейся интенсивной клеточной деполяризации. Было показано, что развитие РД связано с множеством обратимых изменений состояния нервной ткани, которые включают локальную деполяризацию клеток, нарушение ионного гомеостаза, падение мембранного сопротивления, депрессию спонтанной и вызванной активности нейронов и др. Внеклеточная концентрация калия во время РД быстро и многократно повышается (с 3 до 30-50 мМ), одновременно падают внеклеточные концентрации натрия, хлора и кальция. При этом вода из внеклеточного пространства начинает активно проникать в клетки, вызывая их набухание и сокращение объёма внеклеточного пространства. Сильнее всего происходит набухание дендритов и сомы нейронов. Считается, что во время РД происходит почти полная деполяризация клеточных мембран. Корковая РД вызывает депрессию ЭЭГ, а также спонтанную и вызванную активности нейронов, которая продолжается несколько минут. Во время волны РД локальный кровоток увеличивается вдвое (распространяющаяся гиперемия), а после РД наблюдается его длительное (в течение 1-2 часов) снижение (распространяющаяся олигемия). Хотя входное сопротивление мембраны нейронов во время РД падает, общее электрическое сопротивление ткани нарастает из-за набухания клеток и уменьшения объёма межклеточного пространства.

Весь текст будет доступен после покупки

Распространяющаяся депрессия (РД) или деполяризация, представляет собой медленно бегущую волну (мм / мин), характеризующуюся деполяризацией нейронов и перераспределением ионов между внутри- и внеклеточным пространством, что временно снижает электрическую активность (рисунок 1) [1]. Это явление встречается при многих неврологических состояниях, таких как мигрень с аурой, ишемический инсульт, черепно-мозговая травма и эпилепсия [2].

Рисунок 1 – Нарушение концентрации ионов и подавление электрической активности нейронов. Концентрация внеклеточного калия (верхний рисунок) и внеклеточный потенциал (нижний рисунок) во время РД в фиксированном положении (кора головного мозга крыс in vivo). Внезапный выброс нейронального K+ во внеклеточное пространство наблюдается при t = 7.7 мин. Перераспределение ионов (K+, Na+, Cl-, Ca++) между внутри- и внеклеточным пространствами приводит к временной дисфункции нейронов и прекращению внеклеточной электрической активности. В этих нормоксических условиях восстановление [K+] (через 1 минуту) и электрической активности (через 2-3 минуты) происходит относительно быстро. Наблюдалось, что нарушение распространяется по коре со скоростью несколько мм/мин.

Экспериментально РД может быть вызвана различными стимулами, включая ишемию, интенсивную электрическую стимуляцию, механическое повреждение (укол иглой) или применение K+ или глутамата. Все это стимулы, которые прямо или косвенно увеличивают возбудимость нейронов или деполяризуют мембраны нейронов. Подобно потенциалу действия, однажды запущенная РД распространяется полностью, независимо от типа или интенсивности стимула.
Существуют четыре гипотезы, объясняющие распространение РД. Гипотезы калия и глутамата утверждают, что РД распространяется посредством диффузии внеклеточного калия или глутамата соответственно. Гипотеза нейронных щелевых соединений утверждает, что РД распространяется путем открытия нейрональных щелевых соединений, тогда как глиальная гипотеза предполагает, что РД вызывается передачей через глиальные щелевые соединения. Но ни одна из гипотез не может полностью объяснить экспериментальные наблюдения, и распространение, вероятно, осуществляется комбинацией этих механизмов [3].
Считается, что для возникновения РД необходимо локальное повышение концентрации ионов калия во внеклеточной среде, ведущее к деполяризации нейронов и их терминалей. Вызванный этим выброс глутамата и других медиаторов еще больше деполяризует нейроны и запускает авторегенеративный процесс РД. На срезах гиппокампа показано, что деполяризация всегда начинается в области апикальных дендритов и позже распространяется к соме нейронов. НМДА рецепторы играют критическую роль в генерации волны РД. Перед началом массивной нейронной деполяризации и развития негативного сдвига постоянного потенциала наблюдается кратковременное возбуждение пирамидных нейронов гиппокампа и новой коры. Оно регистрируется в виде пачки популяционных спайков и предположительно отражает активацию механизмов электротонического взаимодействия пирамидных нейронов на переднем фронте волны РД.
Внеклеточно волна РД регистрируется как высокоамплитудный негативный сдвиг постоянного потенциала, который является наиболее надежным индикатором ее развития в нервной ткани. Амплитуда РД отражает число нейронов, участвующих в деполяризации, а длительность волны РД – скорость реполяризации клеточных мембран. Так как восстановление ионных градиентов после волны РД является энергозависимым процессом, требующим активной работы натрий-калиевой-АТФазы, длительность деполяризации (волны РД) определяется главным образом энергетическим статусом нервной ткани. При сильной гипоксии, гипогликемии, остановке сердца не происходит реполяризации, и в этом случае говорят о терминальной деполяризации.
Метод вызова РД с помощью поверхностной аппликации или микроинъекции хлористого калия получил наиболее широкое распространение в экспериментальных исследованиях. Однако РД также возникает при многих патологических и экспериментальных ситуациях, ведущих к деполяризации нейронов, таких как прямое механическое воздействие на нервную ткань, тетаническая стимуляция, аппликация ряда химических агентов, гипертермия, повышение внеклеточного уровня калия, ацетилхолина или глутамата, судорожная активность, гипогликемия, гипоксия, локальная ишемия, микроэмболия каротидной артерии. Сначала считали, что способность к генерации РД характерна только для мозга, находящегося в патологических условиях. Однако позже было показано, что РД может возникать в здоровом мозге с хорошим снабжением и оксигенацией, у анестезированных и неанестезированных животных.

Весь текст будет доступен после покупки

-

Весь текст будет доступен после покупки