Введение к работе
Актуальность темц. Наряду с экспериментальными (нейрофизиологаческнми) методами исследования нейронных систем большое развитие за последи» годы получили также теоретические методы. Одним из основных методов теоретического исследования, позволяющих решать прикладные задачи, является метод математического моделирюваняя, состоящий в изучении объекта, явле.шя.процесса путем построения математических моделей и нх исследования.
За последние несколько десятилетий были разработаны математические модели как нервной клетки и ее структурных элементов, так н нейронных ансамблей и сетей. Были, созданы теории и модели, описывающие функционирование нервной клетки н па ноппо-молекулярном и на структурио-функциональпом уровне. Исследования переходных процессов в нейроне основаны па анализе схем замещения, осиовными элемеитймп которых являются модели мембраны н снпаптического входа. Схожесть электрических н структурных свойств кабеля и нервного волокна позволяла примененить математический аппарат теории кабеля к нервным волокнам, что стало общепринятым подходом при моделировании переходных процессов' а нейроне. Кабельная модель обеспечивает правильное в- качественном аспекте описание основных особенностей электрической активности нейрона, я в большинстве случаев демонстрируют хорошее согласив расчетных данных с экспериментом. Проблемы,
птом возникают,
гнйтдны г*^лтттПтГИ обпязом с трудностями
параметров схем замещения. * . .
Нервная клетка является образованней, где имеет место суммацш. электрической активности других клеток. Выход клетки - распространяющийся по аксону спайк - считается дискретной величиной, подчиняющейся закону "все или ничего". Преобразование этих декретннх величия, нх обработка и взаимодействие происходит на акцепторном нейроне за счет различного распределения синаптачес/иx окончаний на сомдецАритнЫ» мембране. Поэтому определение
точного местовахождеиия данного синаптвческого входа шрает важную роль в выяснении поведения клеток при различных паттернах входных воздействий.
В современной нейрофизиологии продолжает оставаться актуальной проблема механизмов генеза отдельвых компонентов вызванной суммарной элех-трической активиоств, генерируемых в различных областях нервной системы и являющихся в большинстве случаев комплексным отражением сложного взаимодействия нейронных и не^ронис-глиалышх комплексов.
Исходя из вышесказанного, разработка и апробирование эффективных
методов идентификации элехтротояических оараметров моделей нейрона и ней
ронных или иейрояно-глиальиых популяций во эксперимеитальным кривым
постсинаптичесхих или вызвонвых потенциалов является, на сегодняшний день,
актуальной задачей, Осиоваыма 1ребо8аннями, предъявляемыми к таким мето»
дам, являются способность адекватной оценки реальных параметров исследуе-
мых систем и возмавюосягих ^пользованиа иепосредственио в ходе н|йрЬфц-
энологнческого эксоеримейта. ;
Ц*лк и *,й,»„. ш**»^««* Осиоакпй ^мп кастоящей работы является разработка метсдев чигленвого решения и кдентификацин параметров динами-ческих моделей, прсдназначецных ^определения электротонических парамет-ров нейронных и иейронночтшалышх систем по экспериментальным данным. В соответствйи с этим были постаилены следующие задачи:
-
разработка эффективных методов идентификации параметров модели для различных частных случаев модели нейрона в частотной области;
-
проверка одекватиости нетсдаки моделирования и идентификации параметров при модалироввнин реальных нейронных систем; *
'3) применение разработашш'х методик для оценки электротонических параметров реальных нейронов и вейроино-глиальных популяций по экспериментальным данным.
Научная вовизиа-
t. Впервые при моделировании нейрона яспользуется схема замещения в виде кабеля с согласованной «агруэкой. что, наряду с хорошим опясанием экспериментальных данных, позволяет построить сравнительно простую и эффективную прочедуру расчета параметров модели по выходным частотным характеристикам.
-
Для более точной оценка электротоническнх параметров реальной исследуемой системы впервые применена комбинированная методика, сочетающая расчет начальных значений параметров по экспериментальным кривым с последующим уточнением этих значений с помощью оптимизационной процедуры.
-
Для исследования взаимодействия сниаптическвх входов нейрона, имеющих различную пространственио-временную локализацию на сомадендритиой мембране, разработана "двухвходовая' компартментальная модель, параметры которой идентифицируются одновременно по двум кривым постсинаптических потенциалов, регистрируемым в ответ ва раэдражение двух разных входов ре-ального нейрона.
4. Получены электротоннческив параметры популяции Мюллеровских
(гллалышх) клеток сетчатки, ответственных за генеэ Ь-волны элегтроретино-
граммы.
ценность. Разработанные методики моделнровагия и идентификации параметров могут быть использованы в качестве мощного инструмента в экспериментальных исследованиях различных нейронов, а также нейронных популяций, обуславливающих генерацию отдельных компонентов вызванных потенциалов. Методики реализованы в виде пакета прикладных программ для компьютеризованных электрофиэиологических установок на базе IBM PC. Эффективность работы разработанных алгоритмов и компьютерных программ дает возможность использовать нх непосредственно в ходе экспери-мента для оценки электротонических параметров исследуемого нейрона. Применение разряботанных метолик при анализе вызванных потенциалоа позволяет
оценивать параметры и свойства отдельных леиронно-глиальных структур, участвующих в генезе вызванных потендиалов. В частвосги, использование их п электроретннографичаскнх псследованиях для дифференцирования параметров Ь-волиы электроретинограммы при различных патологиях зрительной системы ножет способствовать решению различных диагностических задач.
Апробация. Материалы диссертационной работы докладывались иа: V конференции молодых ученых Закавказья, Баку, ISS6; iV съезде Армянского физиологического общества, Ереван, 1937; Научной сессии, посвященной 50-летию ниститута физнологии им.Л.А.Ор6ели, Ереван, 1S93; V съезде Армянского физиологического общества, Ереван, 1994; Международной конференции по обработке информации в клетках и тканях, Ливерпуль, 1995; 11 конференции по ней-ронаукам в Греции, Мецово. 1395; 29 Ежегодной конференции общества математической психологии. Северная Каролина, 1996.
Публикация. Основноо содержанке диссертацпи отражено а 13 печатных работах.
рбъеи работц. Диссертация изложена на 134 страницах, иллюстрирована
20 рнсуккамп, состоит из введения, 4 глав, заключения, выводов и списка лите
ратуры из 201 иаименования. ' ,