Введение 4
2. Постановка задачи 6
3. Нейробиологические основы 8
3.1 Нейробиология 8
3.2 Строение нейрона 11
4. Гиппокамп 14
4.1 Анатомия гиппокампа 14
4.2 Функции гиппокампа 16
4.3 Роль в памяти 18
4.4 Пирамидальные нейроны 19
5. Модель нейрона Ходжкина-Хаксли 22
5.1 Каналы с ионными напряжениями 25
5.1.1 Калиевые каналы 28
5.1.2 Натриевые каналы 29
5.1.3 Каналы утечки 31
6. Процесс GDP 33
7. Реализация в программной среде NEURON 35
7.1 NEURON 35
7.1.1 Построение нейрона с помощью конструктора в NEURON 36
7.2 Первоначальная модель 38
7.3 Модифицированная модель 40
7.3.1 Цель работы 40
7.3.2 NAP-канал 41
7.3.3 Основная программа 43
7.3.4 Концентрация хлора 45
8. Заключение 47
9. Приложение 50
9.1 Код канала NAP 50
9.2 Код файла develop.hoc 53
9.3 Код файла develop.ses 60
10. Словарь терминов 62
11. Список литературы
В настоящее время мы живём в период нейробиологической революции, считается, что нейробиологию и нейроинформатику нужно рассматривать как основу для автономных систем. Успехи исследований в комплексе наук о мозге вызвали большой интерес в сфере информационных технологий.
На данный момент существует множество методов компьютерного моделирования работы мозга. В качестве примера можно привести следующие симуляторы, которые направлены на работу с отдельным нейроном или их сетями:
• NEURON,
• NEST,
• Brian,
• Brainlab,
• SPLIT
Целью данной работы является изучение процесса гигантских деполяризующих потенциалов, или по-другому GDP (Giant depolarizing potentials), исследование выпуска гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК) при различной внутриклеточной концентрации хлора, а также построение модели гиппокампа крысы.
Гиппокамп - это часть лимбической системы головного мозга, которая отвечает за множество важных функций, такие как: кратковременная память, её консолидация, формирование эмоций, генерация тета-ритма, пространственная память. Каким образом происходят данные процессы до сих пор не установлено. Ввиду того что изучение гиппокампа очень трудоёмкий процесс, возникают сложности со вскрытием головного мозга, компьютерная симуляция намного облегчает исследования. Модель гиппокампа помогла бы учёным лучше понимать процессы и делать выводы на основе изученного.
Giant depolarizing potential (GDP) - тип спонтанной активности, который наблюдается на ранних стадиях развития в развивающемся мозге. Одним из самых главных условий для развития процесса GDP является то, что действие тормозящего нейромедиатора - гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК) должно быть возбуждающим, а не тормозным.
В вычислительной машине нет нейронов, она может только воспроизводить вычислительный процесс. Но данные, которые получены с помощью машины можно соотнести с реальными. Было решено моделировать гиппокамп крысы, так как мощности компьютера не хватит для построения модели человеческого мозга. Вследствие сходства гиппокампа млекопитающих и человека, адаптация модели для человеческого мозга может быть воспроизведена без особых трудностей.
Результатом дипломной работы является компьютерная модель нейрона зоны CA3 гиппокампа. Также были проведены эксперименты с внутриклеточной концентрацией хлора, результаты которых представлены в виде графиков.
Эксперименты с концентрацией хлора показывают, что при малых значениях внутриклеточного хлора, то есть, когда гиппокамп во взрослом состоянии, ГАМК оказывает тормозящее действие. А при высокой концентрации внутриклеточного хлора, то есть гиппокамп в растущем состоянии, нейромедиатор оказывает возбуждающее действие, а, следовательно, наблюдается спонтанная активность - Giant depolarization potentials.
Значения, которые вводились в качестве внутриклеточной концентрации:2, 4, 10, 18,50,75. Результаты показаны на рисунках 17, 18, 19 ниже (для 4, 30,75) при частоте 20 Гц.
Рисунки 17-19 подтверждают, что чем ниже концентрация внутриклеточного хлора, тем меньше активность ГАМК. При концентрации хлора 75 ммоль/л реверсивный потенциал равен -31,41 и наблюдается большая активность. При концентрации хлора 30 ммоль/л реверсивный потенциал равен -87,76, наблюдается средняя активность ГАМК. При концентрации хлора 4 ммоль/л реверсивный потенциал -211, ГАМК выполняет тормозящую функцию.
