Введение 3
Глава 1. Обзор существующих исследований в области синаптической пластичности 6
1.1 Исследования в области синаптической пластичности за рубежом. 6
1.2 Исследования в области синаптической пластичности в России. . 6
Глава 2. Строение, функции синапсов и синаптических связей 7
Глава 3. Разработка и применение модели 13
3.1 Изменение в синаптической эффективности, вызванные кальцием. 13
3.2 Влияние внутриклеточного кальция на кривые STDP 14
2.3 Исследование модели, с использованием иных протоколов
стимуляции 19
2.4 Взаимосвязь синаптической пластичности и частоты пульсации
нейрона 22
2.5 Модель с нелинейной динамикой кальция 25
Глава 4. Использованные инструменты и технологии 29
Заключение 30
Список литературы 32
Приложение
Было обнаружено, что множество протоколов стимуляции эффективны в изменении синаптической эффективности путем индукции долгосрочной потенциации или депрессии. Во многих из этих протоколов показано, что увеличение концентрации внутриклеточного кальция играет решающую роль. Однако до сих пор не ясно, как динамика внутриклеточного кальция влияет на другие аспекты синаптической связи, такие, к примеру, как синаптическая пластичность. Этим объясняется актуальность исследований, проводимых в дипломной работе, и её практическая ценность.
В ходе функционирования синапсы подвергаются различным функциональным и морфологическим изменениям. Естественно, что наиболее часто такие изменения возникают при высокочастотной импульсации нейрона, что приводит к высокой активности синапса. К примеру, частота импульсации нейронов в ЦНС порой достигает 1000-1200 Гц. Пластичность проявляется в увеличении (потенциации), либо в уменьшении (депрессии) эффективности синаптической передачи. В свою очередь, по продолжительности, выделяют два вида синаптической пластичности: кратковременный (длится секунды или минуты) и долговременный (может длится как несколько часов, так и несколько лет). Долговременные формы синаптической пластичности имеют прямое отношение к процессам обучения и памяти.
Дадим короткую трактовку к каждой форме:
• Потенциация (кратковременная) - процесс, связанный с повышением чувствительности постсинаптических рецепторов к нейромедиатору (химическому посреднику между контактирующими клетками).
• Депрессия (кратковременная) - процесс, связанный с истощением запаса нейромедиатора в пресинаптическом нервном окончании.
• Потенциация (долговременная) - быстро развивающееся устойчивое усиление синаптической передачи в ответ на высокочастотное раздражение.
• Депрессия (долговременная) - аналогично возникает в ответ на высокочастотное раздражение, однако проявляется в виде долгосрочного ослабления эффективности синаптической передачи.
Цель дипломной работы - с использованием графических и математических инструментов языка Python разработать модель, которая будет наглядно отображать влияние внутриклеточного кальция на синаптическую пластичность; рассмотреть зависимость, существующую между формами синаптической пластичности и частотой пульсации нейрона; реализовать вышеприведенные цели в линейном и нелинейном случае.
В разработанной модели потенциация и депрессия будут активироваться путем превышения соответствующих кальциевых порогов
Модель должна обеспечивать понимание того, как различные протоколы стимуляции отражаются на синаптических связях и как изменение концентрации и порогов кальция сказывается на аспекте синаптической пластичности нейронной связи.
Основной результат дипломной работы - модель, в которой наглядное представление влияния внутриклеточного кальция на различные аспекты синаптических связей дает нам возможность оценить его роль в процессе синаптической передачи.
В ходе исследовательской работы была доказана неоспоримая роль кальция в различных аспектах синаптических связей.
С использованием различных математических и графических средств языка Python, мы разработали модель, которая, оперируя различными параметрами, позволила нам осуществить все поставленные перед нами цели.
В первую очередь мы рассмотрели, как концентрация внутриклеточного кальция сказывается на базовом принципе долговременной памяти - STDP. Было обнаружено, что, варьируя параметры концентрации кальция и пороговых значений потенциации и депрессии, можно добиться необходимого баланса в работе синаптических связей. Был выявлен общий алгоритм влияния внутриклеточного кальция на кривые STDP. Впоследствии мы доказали, что данный алгоритм не зависит от выбранного протокола стимуляции синапсов.
Во-вторых, было исследовано влияние частоты пульсации нейрона на результаты синаптической пластичности. Как известно, увеличение концентрации внутриклеточного кальция увеличивает частоту производимых нейроном импульсов. Следовательно, мы должны учитывать это при изменении концентрации кальция. Мы выяснили, что чем выше частота, тем лучше это сказывается на результатах синаптической пластичности. Однако, стоит учесть одну из физиологических особенностей синаптических связей - утомляемость. При продолжительной работе на высоких частотах, синаптические связи могут перейти в это состояние, что выражается в снижении проводимости импульсов, и может перерасти в долговременную депрессию.
Заключительным этапом была цель установить, зависят ли от линейного выражения динамики кальция (использованного в предыдущих экспериментах) полученные ранее выводы. Рассмотрев два типа пар спайков - регулярные и нерегулярные, мы установили, что результаты, полученные в ходе работы модели с нелинейной динамикой кальция, совпадают с результатами нашей работы с линейной динамикой кальция. Из этого следует закономерный вывод - модель, построенная нами, не зависит от реализации динамики кальция.
Результаты нашего исследования могут быть использованы при изучении работы синаптических связей, для более глубокого и детального изучения всех аспектов влияния внутриклеточного кальция. Также, на основе полученных результатов, мы можем предположить, что с помощью нашей модели можно прогнозировать результаты синаптической эффективности и пластичности, но для подтверждения данного предположения необходимы лабораторные исследования с использованием специального оборудования.
В ходе работы мы рассматривали естественные пути стимуляции работы синаптических связей. Однако, как отмечалось выше, имея специальное оборудование и проведя ряд долгосрочных исследований, можно было бы рассмотреть, как увеличить синаптическую эффективность с использованием «внешних» протоколов стимуляции, таких как, например, электростимуляция определенных участков нейронных сетей.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
