Аналіз синаптичної передачі сигналів на основі кінетичної моделі
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe69.1.37Ключові слова:
синапс, медiатор, рецептор, екзоцитоз, iмпульсАнотація
У статтi аналiзуються особливостi передачi нервових сигналiв через синаптичну щiлину (контакт мiж двома нейронами). Вiдповiдний аналiз виконується з використанням кi-нетичної моделi, яка ґрунтується на системi нелiнiйних диференцiальних рiвнянь першого порядку i дозволяє вiдстежувати кiлькiсть активованих рецепторiв на постсинаптичнiй мембранi та кiлькiсть медiатора в синаптичнiй щiлинi. Модель поєднує в собi вiдносну простоту та функцiональнiсть, що дозволяє отримувати якiснi результати, спiвставнi з наявними експериментальними даними та результатами iнших теоретичних дослiджень. Показано, що модель на якiсному рiвнi коректно описує процес проходження сигналу через синаптичну щiлину. Отримано та проаналiзовано точнi (числовi) та наближенi (аналiтичнi) розв’язки для кiлькостi активованих рецепторiв на постсинаптичнiй мембранi та кiлькостi медiатора в синаптичнiй щiлинi. Доведено стiйкiсть стацiонарних станiв в рамках моделi, що свiдчить про самоузгодженiсть останньої i можливiсть її використання для моделювання проходження сигналiв через синапс.
Посилання
A.L. Hodgkin, A.F. Huxley. A quantitative description of membrane current and its application to conduction and 507 excitation in nerve. J. Physiol. 117, 500 (1952).
https://doi.org/10.1113/jphysiol.1952.sp004764
B. Katz, R. Miledi. The measurement of synaptic delay, and the time course of acetylcholine release at the 516 neuromuscular junction. Proc. R. Soc. Lond. B Bio. 161, 483 (1965).
https://doi.org/10.1098/rspb.1965.0016
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
H.W. Davenport. Early history of the concept of chemical transmission of the nerve impulse. Physiologist 34, 129 (1991).
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.
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
M.R. Bennett. History of the Synapse (Harwood Academic Publishers, 2001).
https://doi.org/10.4324/9780203302545
S.O. Rizzoli, W.J. Betz. Synaptic vesicle pools. Nature Rev. Neurosci. 6, 57 (2005).
https://doi.org/10.1038/nrn1583
B. Wang, O.K. Dudko. A theory of synaptic transmission. eLife 10, e73585 (2021).
https://doi.org/10.7554/eLife.73585
D.G. Aronson, H.F. Weinberger. Nonlinear diffusion in population genetics, combustion and nerve pulse propagation. In: Partial Differential Equations and Related Topics. Edited by J.A. Goldstein (Springer, 1975), p. XXXXX.
https://doi.org/10.1007/BFb0070595
P. Grindrod. The Theory and Applications of ReactionDiffusion Equations (Clarendon Press, 1996).
D.A. Gavryushenko, K.V. Cherevko, V.M. Sysoev. The influence of the chemical reactions on the diffusion phenomena in the cylincrical systems bounded with the membranes. J. Mol. Liq. 127, 1 (2006).
https://doi.org/10.1016/j.molliq.2006.03.018
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
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).
https://doi.org/10.15407/ujpe66.8.714
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
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
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
E. Neher. What is rate-limiting during sustained synaptic activity: Vesicle supply or the availability of release sites. Frontier. Synapt. Neurosci. 2, 144 (2010).
https://doi.org/10.3389/fnsyn.2010.00144
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
D.H. Kweon, B. Kong, Y.K. Shin. Hemifusion in synaptic vesicle cycle. Frontier. Mol. Neurosci. 10, 65 (2017).
https://doi.org/10.3389/fnmol.2017.00065
M.V. Gramlich, V.A. Klyachko. Nanoscale organization of vesicle release at central synapses. Trend. Neurosci. 42, 425 (2019).
https://doi.org/10.1016/j.tins.2019.03.001
R.W. Holz, S.K. Fisher. Synaptic transmission and cellular signaling: An overview. In: Basic Neurochemistry (Elsevier, 2012), p. 235.
https://doi.org/10.1016/B978-0-12-374947-5.00012-2
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
O.V. Chalyi, O.V. Zaitseva. A kinetic model of synaptic transmission on intercell interaction. Ukr. J. Phys. 54, 366 (2009).
A.N. Vasilev, A.V. Chalyi. Cooperative operation mode of a synaptic channel. Ukr. J. Phys. 54, 1183 (2009).
O.M. Vasiliev, S.V. Kyslyak. Two-pool kinetic model of synapse activation. J. Phys. Res. 14, 4801 (2010).
https://doi.org/10.30970/jps.14.4801
SI. Braychenko, O.M. Vasiliev. Modeling the activation of the postsynaptic membrane. J. Phys. Res. 16, 4802 (2012).
https://doi.org/10.30970/jps.16.4802
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
O.M. Vasiliev, O.M. Hvyl. Pool model of mediator exocytosis into the synapse. Ukr. J. Phys. 64, 9 (2019).
https://doi.org/10.15407/ujpe64.9.829
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
S.Yu. Ushcats, M.V. Ushcats, V.M. Sysoev, D.A. Gavryushenko. Approximation of cluster integrals for various lattice-gas models. Ukr. J. Phys. 63, 12 (2019).
https://doi.org/10.15407/ujpe63.12.1066
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, 3 (2016).
https://doi.org/10.1103/PhysRevE.93.032133
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
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).
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}
