ВВЕДЕНИЕ 3
1. МОДЕЛЬ ХОДЖКИНА-ХАКСЛИ 5
1.1. Процесс генерации потенциала действия 7
1.2. Распространение потенциала действия вдоль аксона 14
2. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СПОНТАННОЙ АКТИВНОСТИ
В БИОЛОГИЧЕСКИХ НЕЙРОНАХ 17
2.1. Реализация приложения 17
2.2. Описание работы приложения 22
3. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ 24
3.1. Схема возникновения потенциала действия 24
3.2. Моделирование процесса возникновения потенциала действия 27
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 32
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 34
ПРИЛОЖЕНИЕ
Компьютерное моделирование позволяет объединить знания нейробиологии и возможности вычислительной техники и построить комплексное изучение процессов, протекающих в нервных клетках.
Такое изучение дает возможность:
- разрабатывать новые методы лечения нейрологических заболеваний, например, эпилепсии;
- разрабатывать новые технологии, например, нейропротезирование;
- разрабатывать технологий машинного обучения.
Описание самих процессов, протекающих в нервных клетках, и их математическое представление было дано в 1952 году.
Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли описали модель генерации и передачи электрических импульсов в аксонах кальмаров. Открытие заключалось в том, что они объяснили с помощью эксперимента и математической модели, что генерация нервного импульса осуществляется за счет изменения концентрации ионов натрия и калия, проходящих через мембраны ионов [1]. Впоследствии оказалось, что данный механизм универсален для нейронов многих животных, включая человека.
Явление распространения нервного импульса было объяснено следующим образом: если между двумя точками существует ненулевая разность потенциалов, то вдоль мембраны возникает ток, подчиняющийся закону Ома. Ток направлен от точки с более высоким потенциалом действия к точке с более низким потенциалом действия. Вследствие этого потенциал на участках, прилегающих к области генерации спайка, растет и достигает порогового значения. В результате чего эти участки сами генерируют потенциалы действия. Таким образом, процесс распространяется вдоль аксона [4].
Целью данной работы было компьютерное моделирование спонтанной активности в биологических нейронах.
Для достижения цели необходимо было выполнить следующие задачи:
1. изучить модель Ходжкина-Хаксли генерации и передачи нервных импульсов в нейронах;
2. разработать приложение, моделирующее объемную модель нейрона в трехмерном пространстве;
3. реализовать взаимодействие пользователя с 36-моделью нейрона;
4. пронаблюдать генерацию и распространение спонтанного нервного импульса в аксонах нейрона;
5. систематизировать данные о процессах, протекающих в нервной клетке.
Что происходит с мозгом во время приступа эпилепсии?
Нужно представить человека, находящегося на концерте. Изначально все люди будут аплодировать в разном ритме, позднее неосознанно начнут аплодировать в одном общем ритме. В такой момент отдельно взятому человеку тяжело придерживаться своего ритма.
Тоже самое происходит в мозге человека во время приступа эпилепсии. Нейроны мозга сильно синхронизируются и начинают генерировать сигналы с одинаковой частотой. Затрагиваются целые области мозга, включая ту, что отвечает за движение. В этот момент начинается приступ эпилепсии.
Одним из методов лечения приступа является удаление участка мозга, в котором он зарождается. Изучение генерации и передачи нервных импульсов в нейронах, компьютерное моделирование нейронов мозга, систематизирование данных о процессах, протекающих в нервной клетке, дает возможность предложить другие эффективные и не такие радикальные методы лечения таких неврологических заболеваний, как эпилепсия, болезнь Паркинсона и др.
В данной работе удалось решить следующие задачи:
1. изучить модель Ходжкина-Хаксли генерации и передачи нервных импульсов в нейронах;
2. разработать приложение, моделирующее объемную модель нейрона в трехмерном пространстве;
3. реализовать взаимодействие пользователя с 36-моделью нейрона;
4. пронаблюдать генерацию и распространение спонтанного нервного импульса в аксонах нейрона;
5. систематизировать данные о процессах, протекающих в нервной клетке.
Огромное значение здесь имеет математическое моделирование, как метод косвенного исследования. Оно помогает понять, какие процессы могут происходить в нейронах, с целью последующего обнаружения этих явлений экспериментально.
