Fasåterställning i neuroner

Neuroner som avfyrar synkront i cirkadiska pacemakerceller

Fasåterställning i neuroner är ett beteende som observeras i olika biologiska oscillatorer och spelar en roll för att skapa neural synkronisering såväl som olika processer i kroppen. Fasåterställning i neuroner är när det dynamiska beteendet hos en oscillation ändras. Detta inträffar när en stimulans stör fasen inom en oscillerande cykel och en förändring i period inträffar. Perioderna för dessa oscillationer kan variera beroende på det biologiska systemet, med exempel som: (1) neurala svar kan ändras inom en millisekund för att snabbt vidarebefordra information; (2) I hjärt- och andningsförändringar som inträffar under dagen, kan det ske inom några sekunder; (3) dygnsrytmer kan variera under en serie dagar; (4) rytmer som viloläge kan ha perioder som mäts i år. Detta aktivitetsmönster av neuroner är ett fenomen som ses i olika neurala kretsar i hela kroppen och ses i enstaka neuronmodeller och inom kluster av neuroner. Många av dessa modeller använder fassvarskurvor (återställning) där svängningen av en neuron störs och effekten störningen har på en neurons fascykel mäts.

Historia

Leon Glass och Michael Mackey (1988) utvecklade teorin bakom gränscykeloscillatorer för att observera effekterna av störande oscillerande neuroner under antagandet att stimulansen endast påverkade fascykeln och inte amplituden av respons.

Fasåterställning spelar en roll för att främja neural synkronisering i olika vägar i hjärnan , från reglering av dygnsrytm och hjärtslag via pacemakerceller till att spela betydande roller i minnet , pankreasceller och neurodegenerativa sjukdomar som epilepsi . Utbrott av aktivitet i beteendemönster uppstår genom kopplade oscillatorer som använder pulserande signaler, mer kända som pulskopplade oscillatorer.

Studiemetodik

Fassvarskurva

Förändringar i fas (eller beteende hos neuroner) orsakade på grund av en störning (en extern stimulans) kan kvantifieras inom en fassvarskurva (PRC) för att förutsäga synkronisering i kopplade och oscillerande neuroner. Dessa effekter kan beräknas, i fallet med framsteg eller förseningar på svar, för att observera förändringarna i det oscillerande beteendet hos neuroner, i avvaktan på när en stimulans applicerades i fascykeln för en oscillerande neuron. Nyckeln till att förstå detta ligger i neuronernas beteendemönster och de vägar neural information färdas. Neurala kretsar kan kommunicera effektivt och effektivt inom millisekunder efter att de upplevt en stimulans och leder till spridning av information i hela det neurala nätverket. Studiet av neuronsynkroni skulle kunna ge information om skillnaderna som uppstår i neurala tillstånd såsom normala och sjuka tillstånd. Neuroner som är signifikant involverade i sjukdomar som Alzheimers sjukdom eller Parkinsons sjukdom har visat sig genomgå fasåterställning innan de startar in i faslåsning där kluster av neuroner kan börja skjuta snabbt för att snabbt kommunicera information.

Fasen för pågående oscillerande aktivitet återställs .

En fassvarskurva kan beräknas genom att notera förändringar av dess period över tid beroende på var i cykeln ingången appliceras. Störningen som lämnas av stimulansen flyttar den stabila cykeln inom oscillationen följt av en återgång till den stabila cykelgränsen. Kurvan spårar mängden avancemang eller fördröjning på grund av ingången i den oscillerande neuronen. Kina antar vissa beteendemönster i skottmönster såväl som nätverket av oscillerande neuroner för att modellera svängningarna. För närvarande existerar endast ett fåtal kretsar som kan modelleras med hjälp av ett antaget avfyrningsmönster.

För att modellera beteendet hos avfyrande neurala kretsar, beräknas följande för att generera en PRC-kurva och dess bana. Perioden $T_{0}$ definieras som den opåverkade perioden för en oscillator från fascykeln definierad som 0≤ ∅ ≤1 och cykeln som har genomgått en störning är känd som $T_{1 }$ som visas i följande ekvation. En fasförskjutning inträffar när rörelsens bana förskjuts i rörelseriktningen på grund av en förkortning av perioden medan en fasfördröjning inträffar när förskjutningen sker i motsatt rörelseriktning.

F(\varnothing )={\frac {(T_{1}-T_{0})}{T_{0}}}

Typer av fassvarskurvor

Om störningen till oscillationscykeln är oändligt liten är det möjligt att härleda en svarsfunktion hos neuraloscillatorn. Denna svarsfunktion kan klassificeras i olika klasser (typ 1 och typ 2) baserat på dess respons.

Typ I fassvarskurvor är icke-negativa och strikt positiva, så störningar kan bara förstärka en spik i fas, men aldrig fördröja den. Detta sker genom en lätt depolarisering, såsom postsynaptiska potentialer som ökar excitationen av ett axon. Typ I PRC har också visat sig skjuta långsammare mot början av skjutningen. Exempel på modeller som uppvisar typ I PRC i svagt kopplade neurala oscillatorer inkluderar Connor- och Morris-Lecar-modellen .
Typ II fassvarskurvor kan ha negativa och positiva regioner. På grund av denna egenskap kan PRC av typ II flytta fram eller fördröja förändringar i fas i avvaktan på tidpunkten för störningen som inträffar. Dessa kurvor kan också få plötslig skjutning och på grund av detta kan de inte skjuta under sin tröskel. Ett exempel på en typ II PRC ses inom Hodgkin-Huxley-modellen .

Antaganden om fassvarskurvor

Många forskningar har föreslagit två primära antaganden som gör det möjligt att använda PRC för att förutsäga förekomsten av synkronisering inom neural oscillation . Dessa antaganden fungerar för att visa synkroni inom kopplade neuroner som är kopplade till andra neuroner. Det första antagandet hävdar att kopplingen mellan neuroner måste vara svag och kräver en oändligt liten fasförändring som svar på en störning.

Det andra antagandet förutsätter att kopplingen mellan neuroner är pulserande där störningen för att beräkna PRC endast bör inkludera de ingångar som tas emot inom kretsen. Detta leder till en begränsning av att varje fas fullbordas inom en återställning innan ytterligare en störning kan tas emot.

Huvudskillnaden mellan de två antagandena är för pulserande effekterna av alla ingångar måste vara kända eller mätas tidigare. Vid svag koppling behöver endast storleken på svaret på grund av en störning mätas för att beräkna fasåterställning. Den svaga kopplingen inducerar också påståendet att många cykler måste inträffa före konvergens av oscillatorer till faslåsning för att leda till synkronisering.

Villkor för fasresponskurvans giltighet

Mycket argument finns fortfarande i huruvida antagandena bakom fasåterställning är giltiga för analys av neural aktivitet som leder till synkronisering och andra neurala egenskaper. Event-related Potential (ERP) är ett vanligt förekommande mått på hjärnans svar på olika händelser och kan mätas via elektroencefalografi (EEG). EEG kan användas för att mäta elektrisk aktivitet i hela hjärnan noninvasivt. Fassvarskurvan fungerar under följande kriterier och måste ske för att bevisa att fasåterställning är orsaken till beteendet:

En svängning måste redan inträffa innan den kan återställas i sin fas. Detta innebär att återställning som svar på ett stimulus endast kan ske om oscillationen existerade före återställningen.
Om på grund av återställning av oscillation leder till bildandet av ERP, måste ERP uppvisa liknande egenskaper.
De neurala källorna som är ansvariga för genereringen av ERP måste vara desamma som pågående oscillation för att betraktas som fasåterställning.

Argument för och emot fasåterställningsmodell

Argument som hävdar att aktivitetsmönstret som observeras i neuroner inte är fasåterställning, utan kan istället vara svaret på framkallade potentialer (ERP), inkluderar:

Om ERP genererades på grund av fasåterställning är det inte tillräckligt att mäta faskoncentrationen enbart för att bevisa att fasåterställning sker. Ett exempel på detta är mätning under filtrering av data eftersom detta faktiskt kan inducera en artificiell oscillation som svar på störning. Det har föreslagits att detta argument kan övervinnas om det inte finns någon ökning av effekten av fasåterställningen från förstimulus till poststimulus.
Amplituden och fasen för pågående svängningar vid den tidpunkt då en stimulans appliceras bör påverka ERP:n när den väl genereras av nuvarande svängningar. Detta argument övervinns om amplituden eller fasen av strömsvängningar påverkas och skapar ett ERP, och kan inte antas vara en oberoende händelse.

Biologiska händelser

Epilepsi

Epilepsi ses traditionellt som en sjukdom som beror på hypersynkron neural aktivitet . Forskning har visat att specifika förändringar i topologin hos neurala nätverk och deras ökning av synaptisk styrka kan flytta till hyperexciterade tillstånd. Normala nätverk av neuroner eldar i synkrona mönster som leder till kommunikation; om detta beteende upphetsas ytterligare kan det leda till att "sprängas" och avsevärt öka denna kommunikation. Denna ökning leder sedan till överaktivering av neurala nätverk och slutligen till anfall. Sjukdomar som epilepsi visar hur synkronisering mellan neurala nätverk måste regleras mycket för att förhindra asynkron aktivitet. Studiet av neural reglering skulle kunna bidra till att skissera metoder för att minska symtom på asynkron aktivitet som den som observeras vid epilepsi.

Neuron i hippocampus hos en epileptisk patient

Minne

Fasåterställning är viktig för bildandet av långtidsminnen. På grund av synkronisering inom gamma-frekvensområdet har det visat sig följas av fasåterställning av theta-svängningar när de är faslåsta av en stimulans. Detta visar ökad neural synkronisering , på grund av anslutningar inom neurala nätverk, under bildandet av minnen genom att återaktivera vissa nätverk kontinuerligt.

Under minnesuppgifter som krävde snabb bildning av minnen, ökade fasåterställning inom alfaaktiviteten styrkan på minnen.

Hippocampus

Theta- fasprecession är ett fenomen som observeras i hippocampus hos råttor och relaterar till tidpunkten för neurala spikar. När råttor navigerar runt sin omgivning finns det vissa neuroner i hippocampus som brinner (spetsar) när djuret är nära ett välbekant landmärke. Varje neuron är inställd på ett speciellt unikt landmärke, och av den anledningen kallas dessa neuroner platsceller . ^{[ citat behövs ]}

Märkligt nog visar det sig att när en plats bränder bestäms av hur långt djuret är från landmärket. Det finns en bakgrundssvängning i hippocampus i thetabandet ( 4 – 8 Hz). När djuret närmar sig landmärket, rör sig spikningen av platscellen tidigare i fas i förhållande till bakgrundens thetaoscillation, så att fasförskjutningen i huvudsak mäter eller representerar avståndet. Denna fasförskjutning i förhållande till det rumsliga avståndet kallas fasprecession.

Se även