Моделювання передачі сигналу через систему з двох синапсів
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe71.3.236Ключові слова:
iмпульс, синапс, медiатор, мембрана, рецептор, активацiяАнотація
У статтi пропонується модель, яка описує процес передачi нервового сигналу через систему, що складається з двох взаємодiючих синапсiв. Модель ґрунтується на нелiнiйних диференцiйних рiвняннях, якi описують активацiю рецепторiв на постсинаптичних мембранах двох синаптичних щiлин. Взаємодiя синапсiв в рамках моделi реалiзується так, що активацiя рецепторiв на першiй постсинаптичнiй мембранi визначає iнтенсивнiсть впорскування медiатора в другий синапс. Для такої системи вивчається питання щодо особливостей стацiонарного стану, який, як показано, є стiйким. Також в статтi дослiджується вплив iнтенсивностi впорскування медiатора в перший синапс системи на концентрацiю активованих рецепторiв у другому синапсi. Показано, що на якiсному рiвнi надiйнiсть усiєї системи не порушується, а характер процесу активацiї рецепторiв на постсинаптичнiй мембранi другого синапсу є стiйким щодо варiативностi вхiдного сигналу.
Посилання
1. Z.M. Bacq. Chemical Transmission of Nerve Impulses: A Historical Sketch (Pergamon, 1975).
https://doi.org/10.1016/B978-0-08-020512-0.50009-9
2. H.W. Davenport. Early history of the concept of chemical transmission of the nerve impulse. Physiologist 34, 129 (1991).
3. M.R. Bennett. History of the Synapse (Harwood Academic Publishers, 2001).
https://doi.org/10.1201/9781482284171
4. T.C. S¨udhof, R.C. Malenka. Understanding synapses: Past, present, and future. Neuron 60, 469 (2008).
https://doi.org/10.1016/j.neuron.2008.10.011
5. B. Wang, O.K. Dudko. A theory of synaptic transmission. eLife 10, e73585 (2021).
https://doi.org/10.7554/eLife.73585
6. A.L. Hodgkin, A.F. Huxley. A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve. J. Physiol. 4, 500 (1952).
https://doi.org/10.1113/jphysiol.1952.sp004764
7. J.C. Eccles. The Physiology of Synapses (Springer-Verlag, 1964).
https://doi.org/10.1007/978-3-642-64950-9
8. B. Katz, R. Miledi. The measurement of synaptic delay, and the time course of acetylcholine release at the neuromuscular junction. Proc. Roy. Soc. London B 161, 483 (1965).
https://doi.org/10.1098/rspb.1965.0016
9. R.W. Holz, S.K. Fisher. Synaptic transmission and cellular signaling: an overview. InBasic Neurochemistry (Elsevier, 2012).
https://doi.org/10.1016/B978-0-12-374947-5.00012-2
10. E.R. Kandel, J.D. Koester, S.H. Mack, S.A. Siegelbaum. Principles of Neural Science (McGraw-Hill, 2021).
11. A.V. Chalyi, L.M. Chernenko. Phase transition in finitesize systems and synaptic transmission. In: Dynamical Phenomena at Interfaces, Surfaces and Membranes (Nowa Science Publishers, 1993), p. 457.
12. A.V. Chalyi. Synergetic dialogue "physics-medicine": Hexagones in living and inanimate nature. J. Mol. Liq. 320, 114293 (2020).
https://doi.org/10.1016/j.molliq.2020.114293
13. A.V. Chalyi. What is Medicine?: Basic Principles of Physics in Medicine and Beyond (Springer Nature, 2025).
https://doi.org/10.1007/978-3-031-64979-0
14. O.V. Chalyi, O.V. Zaitseva. A kinetic model of synaptic transmission on intercell interaction. Ukr. J. Phys. 54, 366 (2009).
15. A.V. Chalyi, E.V. Zaitseva. Strange attractor in kinetic model of synaptic transmission. J. Phys. Stud. 11, 322 (2007).
https://doi.org/10.30970/jps.11.322
16. A.V. Chalyi, K.A. Chaliy, L.M. Chernenko, A.N. Vasil'ev. Critical phenomena in finite-size binary liquid mixtures with reduced geometry. J. Mol. Liq. 93, 1 (2001).
https://doi.org/10.1016/S0167-7322(01)00219-7
17. A.V. Chalyi, A.N. Vasilev, E.V. Zaitseva. Synaptic transmission as a cooperative phenomenon in confined systems. Condens. Matter Phys. 20, 13804 (2017).
https://doi.org/10.5488/CMP.20.13804
18. A.N. Vasilev, A.V. Chalyi. Cooperative operation mode of a synaptic channel. Ukr. J. Phys. 54, 1183 (2009).
19. O.M. Vasyliev, O.V. Zaitseva, O.V. Chalyi. Analysis of the synaptic signal transmission based on a kinetic model. Ukr. J. Phys. 69, 37 (2024).
https://doi.org/10.15407/ujpe69.1.37
20. S.I. Braichenko, A.N. Vasilev. Modeling of postsynaptic membrane activation. J. Phys. Stud. 16, 4802 (2012).
https://doi.org/10.30970/jps.16.4802
21. A.N. Vasilev, O.V. Kulish. Model of postsynaptic membrane deactivation. Ukr. J. Phys. 63, 919 (2018).
https://doi.org/10.15407/ujpe63.10.919
22. O.V. Kulish, A.N. Vasilev. Modeling the nerve impuls transmission in a synaptic cleft. J. Phys. Stud. 23, 1 (2019).
https://doi.org/10.30970/jps.23.1801
23. J. Trommershauser, R. Schneggenburger, A. Zippelius, E. Nehery. Heterogeneous presynaptic release probabilities: functional relevance for short-term plasticity. Biophys. J. 84, 1563 (2003).
https://doi.org/10.1016/S0006-3495(03)74967-4
24. S.O. Rizzoli, W.J. Betz. Synaptic vesicle pools. Nature Rev. Neurosci. 6, 57 (2005).
https://doi.org/10.1038/nrn1583
25. J. Lichtenberger, P. Fromherz. A cell-semiconductor synapse: transistor recording of vesicle release in chromaffin cells. Biophys. J. 92, 2266 (2007).
https://doi.org/10.1529/biophysj.106.096446
26. K. Zheng, A. Scimemi, D.A. Rusakov. Receptor actions of synaptically released glutamate: The role of transporters on the scale from nanometers to microns. Biophys. J. 95, 4584 (2008).
https://doi.org/10.1529/biophysj.108.129874
27. E. Neher. What is rate-limiting during sustained synaptic activity: Vesicle supply or the availability of release sites? Front. Synap. Neurosci. 2, 144 (2010).
https://doi.org/10.3389/fnsyn.2010.00144
28. A.N. Vasilev, S.V. Kislyak. Double-pool kinetic model of synapse activation. J. Phys. Stud. 14, 4801 (2010).
https://doi.org/10.30970/jps.14.4801
29. P.S. Kaeser, W.G. Regehr. Molecular mechanisms for synchronous, asynchronous, and spontaneous neurotransmitter release. Annu. Rev. Physiol. 76, 333 (2014).
https://doi.org/10.1146/annurev-physiol-021113-170338
30. D.H. Kweon, B. Kong, Y.K. Shin. Hemifusion in synaptic vesicle cycle. Front. Mol. Neurosci. 10, 65 (2017).
https://doi.org/10.3389/fnmol.2017.00065
31. M.V. Gramlich, V.A. Klyachko. Nanoscale organization of vesicle release at central synapses. Trends Neurosci. 42, 425 (2019).
https://doi.org/10.1016/j.tins.2019.03.001
32. A.N. Vasilev, O.M. Khvyl. A pool model of the mediator exocytosis into the synapse. Ukr. J. Phys. 64, 822 (2019).
https://doi.org/10.15407/ujpe64.9.829
33. A.K. Vidybida. Fast cl-type inhibitory neuron with delayed feedback has non-markov output statistics. J. Phys. Stud. 22, 4801 (2018).
https://doi.org/10.30970/jps.22.4801
34. A.K. Vidybida, O.V. Shchur. Relation between firing statistics of spiking neuron with delayed fast inhibitory feedback and without feedback. Fluct. Noise Lett. 17, 1850005 (2018).
https://doi.org/10.1142/S0219477518500050
35. A. Vidybida, O. Shchur. First passage time distribution for spiking neuron with delayed excitatory feedback. Fluct. Noise Lett. 19, 01 (2020).
https://doi.org/10.1142/S0219477520500054
36. A. Vidybida, O. Shchur. Moment-generating function of output stream of leaky integrate-and-fire neuron. Ukr. J. Phys. 66, 254 (2021).
https://doi.org/10.15407/ujpe66.3.254
37. O.V. Shchur, A.K. Vidybida. Distribution of interspike intervals of a neuron with inhibitory autapse stimulated with a renewal process. Fluct. Noise Lett. 22, 2350003 (2023).
https://doi.org/10.1142/S0219477523500037
38. O.M. Vasyliev. A model of the synaptic channel with a feedback. J. Phys. Stud. 29, 4801 (2025).
https://doi.org/10.30970/jps.29.4801
39. A.V. Chalyi, A.N. Vasil'ev. Correlation properties, critical parameters and critical light scattering in finite-size systems. J. Mol. Liq. 84, 2 (2000).
https://doi.org/10.1016/S0167-7322(99)00187-7
40. D.A. Gavryushenko, K.V. Cherevko, V.M. Sysoev. The influence of the chemical reactions on the diffusion phenomena in the cylindrical systems bounded with the membranes. J. Mol. Liq. 127, 71 (2006).
https://doi.org/10.1016/j.molliq.2006.03.018
41. K.V. Cherevko, L.A. Bulavin, V.M. Sysoev. Thermodynamic analysis of multifragmentation phenomena. Phys. Rev. C 84, 044603 (2011).
https://doi.org/10.1103/PhysRevC.84.044603
42. K.V. Cherevko, D.A. Gavryushenko, O.V. Korobko, V.M. Sysoev. Entropy production in the diffusion of a Margules solution in a flat-parallel pore. Ukr. J. Phys. 58, 10 (2013).
https://doi.org/10.15407/ujpe58.10.0988
43. L.A. Bulavin, K.V. Cherevko, D.A. Gavryushenko, V.M. Sysoev, T.S. Vlasenko. Radiation influence on the temperature-dependent parameters of fluids. Phys. Rev. E 93, 032133 (2016).
https://doi.org/10.1103/PhysRevE.93.032133
44. K.V. Cherevko, D.A. Gavryushenko, L.A. Bulavin. Entropy production in a model biological system with facilitated diffusion. Ukr. J. Phys. 66, 8 (2021).
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
