Theoretical Studies of the Dynamics of Action Potential Initiation and its Role in Neuronal Encoding

Abstract

In dieser Arbeit wurden analytisch lösbare Neuronenmodelle entwickelt, um den Einfluß der Auslösegeschwindigkeit und Auslösestelle von Aktionspotentialen (AP) auf die dynamische Antwort der neuronalen Population zu studieren. Vor kurzem durchgeführte Experimente haben enthüllt, daß die Grenzfrequenz der dynamischen Antwort von kortikalen Neuronen auf ein zeitlich moduliertes verrauschtes Signal mehr als eine Größenordnung größer ist, als durch biophysikalische Standardmodelle vorhergesagt. Neben der Membranzeitkonstante und der mittleren Feuerrate wird gezeigt, daß die AP-Auslösegeschwindigkeit eine zentrale Rolle in der Festlegung der Grenzfrequenz der dynamischen Antwort spielt. Besonderer Augenmerk wird auf die Separation und Entfernung von Artefakten, induziert durch die absorbierenden Randbedingungen, gelegt. Im Weißes-Rauschen-Limes ist die Grenzfrequenz proportional zur AP-Auslösegeschwindigkeit für ein rauschkodiertes Signal, während diese für ein stromkodiertes Signal durch die Membranzeitkonstante beschränkt wird. Unter Einbezug der endlichen synaptischen Korrelationszeit, kann eine hohe Grenzfrequenz in beiden Kodierungsparadigmen erreicht werden. Der Einfluß einer räumlichen Anordnung von AP-Auslösestellen wird durch die Kombination des Gauß-Neuronenmodells mit einer Zweikomponenten-Kabelgleichung untersucht. Der Einfluß der passiven Eigenschaften des AP-Auslösesegments (AIS) auf die dynamische Antwort wird theoretisch charakterisiert. Eine Reduktion des Membranwiderstands im AIS führt zu einer signifikanten Verstärkung der dynamischen Antwort auf hochfrequente Signale, welche eine mögliche Funktion von Chandelier-Zellen, die besonders an das AIS andocken, vorhersagt.