Χωρική και χρονική πληροφορία στην έξοδο του μεμονωμένου CA1 πυραμιδικού νευρώνα

Abstract

The scope of this thesis is to study the interference that takes place inside a single pyramidical neuron belonging to the CA1 region of hippocampus, between two neuronal signals with different spatiotemporal coordinates. The theoretical frame, on which this study was accomplished, is defined on a generic computational approach according to which the morphological components of the neuron have been compartmentalized into equivalent electrical circuits. The fundamental objectives of this study are the following two: that of the modulation of excitability of the modeled CA1 pyramidal neuron under the effect of synaptic incoming stimulations having different spatiotemporal characteristics; and, that of the study on the spatiotemporal information carried in the output signal of the neuron as a result of the specific features of the incoming synaptic stimulation. The study of the modulation of the excitability of the simulated CA1 neuron under the effect of synaptic stimulations of different spatiotemporal characteristics illustrates the role of the synaptic mechanism GABAB in the evolution of the spike blocking phenomenon. Specifically, the analysis of the results obtained, revealed the significant contribution of the anatomical microstructure in the occurrence of the spike blocking phenomenon. Furthermore, the hypothesis related to the capability of the neuron to perceive the number of the dendrites where synaptic clustering occurs, is established in correlation to the efficiency of the blocking spike phenomenon. The results related to the spatiotemporal study of the information contained during the final response of the CA1 neuron led to the conclusion that the spatiotemporal characteristics of the input signals leave their fingerprint on the final response of the neuron. In specific, the spatiotemporal characteristics of the input signal are mapped in the response of the system, while in general, the spatial characteristics of the stimulus can be attributed to the intra-burst activity, by employing a coding in the frequencies space. Moreover, the spectrum of the neuronal discharge varies between absolute silence and burst depolarization, depending upon the specific conditions of time delay that apply.

Ο σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη της συμβολής, δύο νευρικών σημάτων με διαφορετικές χωροχρονικές συντεταγμένες, η οποία λαμβάνει χώρα εντός ενός πυραμιδικού νευρώνα ο οποίος ανήκει στην περιοχή CA1 του ιπποκάμπου. Στην συγκεκριμένη μελέτη εφαρμόζεται η γενικότερη υπολογιστική προσέγγιση της μορφολογικής διαμέρισης του πρωτεύοντος πυραμιδικού νευρώνα σε ισοδύναμα ηλεκτρικά κυκλώματα, στην οποία κατάλληλα παθητικοί και βιοφυσικοί μηχανισμοί έχουν συμπεριληφθεί. Διερευνώνται δύο σχετικά προβλήματα: αυτό της διαμόρφωσης της διεγερσιμότητας του μοντελοποιημένου CA1 νευρώνα υπό την επίδραση ετερόκλητων εισερχόμενων συναπτικών ερεθισμάτων και, αυτό της μελέτης της χωρο-χρονικής συσχέτισης της πληροφορίας των εισερχόμενων σημάτων ερεθισμού η οποία εκφέρεται κατά την τελική απόκριση ενός μεμονωμένου νευρώνα. Η μελέτη της διαμόρφωσης της διεγερσιμότητας του προσομοιωμένου CA1 νευρώνα υπό την επίδραση συναπτικών ερεθισμάτων διαφορετικών χωροχρονικών χαρακτηριστικών, καταδεικνύει το ρόλο του συναπτικού μηχανισμού GABAB στην εξέλιξη του φαινομένου της φραγής δυναμικών ενεργείας. Ειδικότερα, η ανάλυση των αποτελεσμάτων αποκάλυψε την σημαντική συνεισφορά της ανατομικής μικροδομής στην εμφάνιση του φαινομένου της φραγής δυναμικών ενεργείας. Επιπλέον, εισάγεται η υπόθεση ότι κάτω από ορισμένες συνθήκες, ο νευρώνας δύναται να διαχωρίσει το πλήθος των δενδριτών το οποίο υφίσταται συναπτικό συνεντοπισμό με γνώμονα το μέτρο της αποτελεσματικότητας της φραγής δυναμικών ενεργείας. Τα αποτελέσματα της χωροχρονικής μελέτης της πληροφορίας η οποία εκφέρεται κατά την τελική απόκριση του CA1 νευρώνα, συμπυκνώνονται στο συμπέρασμα ότι τα χωροχρονικά χαρακτηριστικά των εισερχόμενων σημάτων αποτυπώνονται στην τελική απόκριση του νευρώνα. Λεπτομερώς, τα χωρικά και χρονικά χαρακτηριστικά του ερεθίσματος εμπεριέχονται στην απόκριση του συστήματος και εν γένει, τα χωρικά χαρακτηριστικά του ερεθίσματος μπορούν να αποδοθούν στην ενδο-δομή των ριπών χρησιμοποιώντας έναν κώδικα στον χώρο των συχνοτήτων. Περαιτέρω συμπεραίνεται ότι, το φάσμ της απόκρισης του νευρώνα κυμαίνεται μεταξύ απόλυτης φραγής και εκπόλωσης με ριπές, ανάλογα με τις συνθήκες χρονοκαθυστέρησης των ερεθισμάτων.