【摘要】：隨著腦科學的深入研究與發(fā)展,小腦在認知、記憶以及運動控制等方面的功能已逐漸被人們所了解。最新研究表明小腦顆粒層中的單極刷細胞在控制和鞏固小腦運動學習中發(fā)揮關鍵作用,單極刷細胞突觸的響應能力與放電模式取決于細胞的內(nèi)在電響應特性,因此通過建立單極刷細胞計算模型來研究其電響應特性,有助于進一步理解小腦功能。本文主要針對單極刷細胞計算模型及電響應特性進行深入研究,研究內(nèi)容包括:(1)結(jié)合細胞離子通道特征,通過擬合單極刷細胞的生理實驗數(shù)據(jù),提出針對單極刷細胞的完整單房室模型和最小單房室模型,并基于這兩個模型實現(xiàn)細胞穩(wěn)態(tài)及電響應特性分析。首先,研究單極刷細胞的穩(wěn)態(tài)特性,通過對比兩種模型探究離子通道內(nèi)在特性對細胞動力學的影響。研究結(jié)果表明T型鈣通道和內(nèi)向整流鉀通道對于維持靜息電位的穩(wěn)定性具有重要作用。然后,研究單極刷細胞的回返式放電特性,測試兩個模型在輸入抑制性mGluR2電流時的電壓響應,結(jié)果表明T型鈣通道是誘發(fā)回返式放電的主要離子通道。最后,研究細胞的共振特性,結(jié)果表明當模型輸入ZAP電流時可以產(chǎn)生閾下共振。模型的實驗結(jié)果均與生理實驗結(jié)果一致,且符合單極刷細胞的生理特性。(2)由于上述提出的單房室模型未考慮細胞形態(tài)結(jié)構(gòu)對電響應特性的影響,為更好地反映單極刷細胞的電生理學特性,本文進一步提出基于形態(tài)結(jié)構(gòu)的單極刷細胞詳細房室模型。該模型根據(jù)生理學中離子通道的分布重構(gòu)細胞幾何結(jié)構(gòu),同時構(gòu)建多種類型的刺激序列。實驗結(jié)果表明單極刷細胞詳細房室模型,當輸入去極化階躍電流刺激時可產(chǎn)生規(guī)律的尖峰脈沖;當輸入超極化階躍電流刺激時產(chǎn)生凹陷之后的尖峰;當輸入線性或非線性頻率的正弦電流刺激時可產(chǎn)生閾下共振,且共振幅度小于單房室模型,電位趨穩(wěn)過程較平緩;當輸入泊松刺激時產(chǎn)生普通尖峰,且輸出尖峰頻率與輸入泊松刺激頻率及突觸數(shù)量均呈現(xiàn)近似正相關。模型電響應特性與生理實驗結(jié)果一致,與細胞生理特性相符。綜上所述,本文基于單極刷細胞的離子通道及形態(tài)結(jié)構(gòu),提出了單極刷細胞的單房室和詳細房室模型。所提出的兩類模型,在重構(gòu)細胞離子通道及形態(tài)結(jié)構(gòu)的基礎上保持了細胞原有的生理特性,有效實現(xiàn)了單極刷細胞電響應特性的模擬。
【圖文】：

參數(shù)組合共為 75 種。泊松刺激的尖峰序列時間隨著刺激頻率增大而增多，如圖 4.11所示。圖4.11 泊松刺激尖峰序列為了更為清晰地顯示不同參數(shù)下響應尖峰的頻率變化，需要計算不同頻率和突觸數(shù)量情況下響應尖峰的頻率。本節(jié)設置電壓閾值為-50mV，當響應電壓值大于閾值時，認為產(chǎn)生了尖峰。響應尖峰的頻率數(shù)值等于響應電壓中產(chǎn)生尖峰的數(shù)量除以總時間，總時間設置為 20s，由于從開始刺激到第 1s 時間內(nèi)模型處于初始化階段，其結(jié)果可能存在偏差，不具有參考價值，因此在計算時忽略第 1s 內(nèi)的尖峰數(shù)量，只計算之后的1s~19s 內(nèi)的數(shù)量。模型的響應尖峰頻率與刺激頻率和突觸數(shù)量的函數(shù)關系如圖 4.12

第四章 基于細胞形態(tài)的單極刷細胞詳細房室模型49圖4.12 刺激頻率與模型響應頻率關系圖圖 4.13 中橫軸為突觸數(shù)量，縱軸為響應尖峰頻率�？梢杂^察到響應尖峰頻率與突觸數(shù)量之間也存在著一定的關系。在突觸數(shù)量為 1—4 時，，響應尖峰頻率與突觸數(shù)量表現(xiàn)出極強的線性正相關，而突出數(shù)量為 5 時，這種關系較為平緩�；趩螛O刷細胞與其它細胞形成的的突觸數(shù)量一般較少的考慮，可以認為模型響應尖峰的頻率與突觸數(shù)量呈現(xiàn)線性正相關，即在其它參數(shù)相同時，突觸數(shù)量越大，響應尖峰頻率值越大。圖4.13 突觸數(shù)量與模型響應頻率關系圖綜上，單極刷細胞詳細房室模型響應尖峰頻率與泊松刺激頻率呈現(xiàn)近似正相關，與突觸數(shù)量呈現(xiàn)近似線性正相關。本章模型所得到的這種響應頻率和突觸數(shù)量的依賴?
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：R338

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本文編號：2603629