Modelling and analysis of neurons coupled by electrical synapses
Federico Davoine
Master thesis from Universidad de la República(Uruguay). Facultad de Ingeniería. IIE - Mar. 2014
Advisor: Pablo Monzón
Co-advisor: Sebastián Curti
Research Group(s): (unspecified)
Department(s): (unspecified)
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Resumen

El objetivo de esta tesis es analizar el rol de las propiedades intrínsecas de las neuronas en la comunicación a través de sinapsis eléctricas. Las neuronas del nervio trigeminal del mesencéfalo constituyen un excelente modelo experimental para estudiar la comunicación entre neuronas, debido a su fácil acceso experimental y su sencilla morfología. Sin embargo, el análisis de neuronas reales está limitado por restricciones experimentales que impiden explorar todos los aspectos del modelo. En el marco de esta tesis, se construye un modelo matemático basado en registros electrofisiológicos realizados por Sebastián Curti en la Facultad de Medicina de la Universidad de la República. El modelo consiste en un sistema de ecuaciones diferenciales, que puede ser representado por un circuito eléctrico con componentes no lineales. Algunas de las ecuaciones diferenciales son obtenidas de bibliografía y se realizan algunos ajustes menores de parámetros. Por otro lado, durante la tesis evaluamos que se necesitaba más información para reproducir algunas de las características más importantes del comportamientos de las neuronas, como la duración del potencial de acción. Por eso, se debieron realizar nuevos registros experimentales, que permitieron refinar el modelo. El modelo permite evaluar la respuesta de la neurona ante diferentes estímulos (corrientes o voltajes impuestos por un electrodo), posibilitando nuevos “experimentos” que no son posibles en un laboratorio. Se analizan diversas alternativas de modelado (variando corrientes iónicas y morfología) usando información experimental para validarlos. Luego, el modelo es utilizado para entender algunas características inusuales de la comunicación entre neuronas. En primer lugar, se estudia la transferencia subumbral (i.e.: sin potenciales de acción) entre neuronas acopladas por sinapsis eléctricas. Se utiliza un modelo reducido, que es linealizado para obtener una expresión analítica de la transferencia, cuyo comportamiento es coherente con los resultados experimentales. Asimismo, se realizan simulaciones numéricas para analizar el rol en la sincronización de las propiedades intrínsecas de las neuronas. Se muestra que las mismas propiedades que determinan el comportamiento subumbral son relevantes para mejorar la sincronización entre neuronas. Finalmente, esta tesis no sólo contribuye con nuevos modelos y respuestas, sino con nuevas preguntas, que deberán ser estudiadas usando modelos experimentales también. Esta tesis hace uso de diversas herramientas utilizadas por la ingeniería eléctrica (comportamiento en frecuencia de sistemas, ecuación del cable, cadenas de Markov, algoritmos evolutivos, etc) para modelar y analizar un sistema biológico. Se realizan diversos aportes, por ejemplo: modelado completo de las corrientes de sodio, así como de la modulación de otra corriente; explicación de la preferencia en frecuencia de la transferencia subumbral entre neuronas; estudio de la sincronización en función de las propiedades de los osciladores y de su acople.

Datos adicionales

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