Theoretical analysis of membrane properties underlying action potential phase-locking in noise-driven cells

Abstract

Wie funktioniert das Gehirn? Dies ist eine sehr breite, allerdings fundamentale Fragestellungen die Wissenschaftler aus verschiedenen Bereichen anspricht. Die Tatsache, dass die Funktionalität eines Systems von Neuronen nicht ohne die Zusammenarbeit verschiedener Felder verstanden werden kann führte zu der multidisziplinären Natur der Neurowissenschaften. Für alle Neurowissenschaftler ist die fundamentale Fragestellung wie ein einzelnes Neuron zur Funktion der Gesamtheit beiträgt. Wenn man das Hirn als Rechenmaschine betrachtet, wird es zu der Frage über die Funktionalität des einzelnen Neurons als informationsverarbeitende Einheit.Der Fokus dieser Promotionsarbeit ist das Verständnis der Mechanismen, die zu Aktionspotentials führen, welche den Kommunikationsmechanismus in einem neuralen Netwerk darstellen, und wie diese mit den characteristischen Beobachtungen in echten Neuronen, wie dem rapiden Anstieg des Aktionspotentials usammenhängen. Diese Characteristika hängen mit den Antwort-Eigenschaften der Neuronen zusammen: Zum Beispiel können die ersten hundert Mikrosekunden des Potential Informationen zur Frage enthalten, wie das Neuron effizient auf sich schnell ändernde Eingaben reagiert.Diese Arbeit besteht aus drei Teilen: Im ersten Teil werden die Grundlagen des Projekts erläutert. Informationen von der makroskopischen Skala (z.B. die Umgebung in der das Neuron operiert) zu der mikroskopischen Skala (z.B. die molekulare Struktur des Initiationsorts des Aktionspotentials im Neuron) sowie eine kurze Einführung in die neurale Transfer-Funktion und Neuronenmodelle finden sich dort. Die Informationen in diesem Teil sind sehr generell, detailliertere Einführungen finden sich in jedem der folgenden Teile.Im zweiten Teil wird ein Multi-Segment-Modell und die Methode wie es genutzt werden kann um den Effekt der 'Schwellenwert Variabilität' auf die somatische spike-getriggerte Statistik zu charakterisieren. Das Modell wurde von Rall s Ball-und-Stab-Modell abgeleitet und seine Antwort auf verrauschte Eingaben beschrieben über die spike-getriggerten Mittel und Varianz.Im dritten Teil wird die Existenz und der Einfluss kollaborativer Na+-Kanal-Kinetik im erste Axon-Segment des Neurons auf die neurale Antwortfunktion und die Aktionpotentials-Wellenform diskutiert. Diese Hypothese wurde mit zwei Modellen untersucht: Ein Ein-Segment-Modell und ein Multi-Segment-Modell. Beide Modelle sind leitungsbasiert und das Multi-Segment-Modell wurde konstruiert auf Basis morphologischer Daten von kortikalen Neuronen. Die kollaborative Gating-Kinetik wurde in beiden Modellen implementert.Die Ergebnisse der Modelle werden jeweils am Ende des entsprechenden Teils diskutiert. Am Ende der Arbeit wird ein Überblick über die Perspektiven des Projekts und mögliche zukünftige Forschungs-Richtungen gegeben.