Численною моделирование влияния переменного электрического поля на транспорт ионов через мембрану нейрона
Исследование влияния внешних электромагнитных полей различных конфигурации на компьютерную модель нейрона. Анализ механизма проводимости нервного импульса и созданного программного продукта, позволяющего проводить численную симуляцию нервных клеток.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 30.07.2017 |
| Размер файла | 222,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru
Волгоградский Государственный Технический Университет
Численное моделирование влияния переменного электрического поля на транспорт ионов через мембрану нейрона
М.В. Грецов,
Н.В. Грецова,
П.Р. Попов,
О.Ю. Соловьева,
Н.В. Асанова,
Т.Е. Кожанова
Волгоград
Аннотация
В работе представлено проведенное численное исследование влияния внешних электромагнитных полей различных конфигурации на компьютерную модель нейрона; кратко описан созданный программный продукт, позволяющий проводить численную симуляцию нервных клеток, механизма проводимости нервного импульса.
Ключевые слова: нейрон, аксон, биологический эффект, моделирование, микроволновое излучение, потенциал аксона.
электромагнитный нейрон нервный импульс
В настоящее время исследование и моделирование биологических систем различных типов является важнейшей задачей для применения в самых различных областях [1 - 3].
Процессы жизнедеятельности клетки как открытой системы, на порядок сложнее процессов, происходящих, например, в твердых телах. В современной биологической физике существует несколько групп компьютерных продуктов, моделирующих биологические объекты. Например, это платформа geppetto[4], Blue Brain и Human Brain[5], моделирующие клетки простого червя, а также связи между нейронами и мышцами. Ядро приложения работает на базе алгоритма PSPH и NeuroML, имеет большое количество биологической информации и описанные структуры некоторых клеток.
В настоящей работе модель «нейрон» состоит из тела сферической формы, радиусом 3 мкм, которое не деформируется в процессе моделирования. В нейроне отсутствуют дендриты, а также внутренние органы. Мембрана нейрона состоит из слабопроницаемого (задается вероятностью диффузии) для ионов диэлектрика с диэлектрической проницаемостью и толщиной 20 нм. К нейрону прикреплен аксон. Получены результаты моделирования как с миелиновой оболочкой, так и без нее. Активное движение ионов через мембрану моделировалось как возможное только по ионным каналам и при заданном потенциале.
Расположение каналов и аксона взято из библиотеки gepetto. Нейрон покрыт 1486 натриевыми каналами, а на 1 мкм2 аксона приходится 500 натриевых каналов. Ионный насос - это модельный объект, вблизи которого возможен обмен ионов. В том случае, если мембранный потенциал соответствует потенциалу активации насоса и вблизи (расстояние 5 нм) находится определенное количество ионов, то на следующем шаге расчета происходит смена координат у данных ионов. Ионный канал в модели представляется как объект с ненулевой проницаемостью для ионов. В случае если этот параметр равен нулю, то данный канал закрыт [6,7] и представляет собой часть мембраны. При наложении потенциала «отпирания» канал открывается, и на следующем шаге расчета область местоположение канала считается обычным пространством для ионов. На границах расчетного пространства концентрация всех типов ионов во много раз больше (примерно в 106), чем концентрация внутри расчетного пространства.
Потенциал рассчитывался по определению, распределение потенциала в мембране считается линейным. Для уменьшения времени симуляции потенциал рассчитывается в текущем положении ионов и положении соседних шагов.
Возбуждение нейрона из-за отсутствия дендритов задается искусственным путем: открываются все ионные каналы на аксонном холмике, вследствие чего происходит накачка ионов внутрь клетки. Через 6 шагов каналы закрываются. За данный промежуток времени большая часть частиц попадает внутрь клетки при максимальном значении коэффициента пропускания ионного канала. В случае низкого значения коэффициента пропускания возбуждение нейрона определяется по модели Ходжкина - Хаксли и составляет около сотни шагов.
Численная модель калибровалась на экспериментальных данных, а также на модели Ходжкина - Хаксли [8].
Рис. 1 - Мембранный потенциал, полученный путем симуляции (слева) и рассчитанный по модели Ходжкина- Хаксли (справа)
На рис. 1 показан мембранный потенциал, полученный с помощью моделирования методом «частица - частица» (слева) и мембранный потенциал, полученный по модели Ходжкина-Хаксли (справа). Пик в модели Ходжкина-Хаксли составляет 25 мВ, рост потенциала более пологий. В методе «частица - частица» потенциал покоя является осью осцилляции, вокруг которой мембранный потенциал меняет свое значение, что, обусловлено учетом пассивного транспорта. Наблюдается концентрирование заряда у поверхности мембраны [9].
С учетом переменного поля частотами ниже 1 кГц наблюдается 3 максимума функции средней скорости ионов: это 82 Гц, 340 Гц и 801 Гц (рис. 2). При воздействии полей более высоких частот от 1 кГц и до 900 кГц сильных изменений в скоростях и токах не происходит (рис. 3). Возможно, что в этом диапазоне частот поле не успевает изменить модуль скорости относительно тяжелых ионов, но на частоте 970 кГц наблюдается резкое увеличение средней скорости ионов, связанное, скорее всего, с влиянием миелиновой оболочки, так как при удалении ее из численного эксперимента максимум не наблюдается.
Рис. 2 - Зависимость тока через сечение аксона и средней скорости ионов от частоты внешнего поля в диапазоне 0…1200 Гц
Рис. 3 - Зависимость тока через сечение аксона и средней скорости ионов от частоты внешнего поля в диапазоне 0…1,2 МГц
На базе данной модели планируется также учет взаимодействия между нейронами [10]. При воздействии переменного поля можно выделить 4 «резонансные» частоты, причина наличия которых в данной работе не установлена. Этот вопрос требует дополнительного исследования. Значения таких физических характеристик, как ионный ток, средняя скорость ионов, концентрации ионов, позволяют качественно оценить влияние внешних раздражителей на компьютерную модель клетки.
Литература
1. Колосов М.С., Дузь Е.В., Яценко В.К. Техника микроинъекций в аксоны нервных клеток, окруженные плотной глиальной оболочкой, с использованием ультразвуковых колебаний микрокапилляра //Инженерный вестник Дона, 2013, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2044/.
2. Шпак А.А., Куликова И.В. Методика расчета эквивалентных механических параметров мембран сложной топологии для элементов микросистемной техники. Инженерный вестник Дона, 2013, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1648
3. Pignatello R, Guccione S, Castelli F, Sarpietro MG, Giurato L, Lombardo M, et al. Enhancement of drug affinity for cell membranes by conjugation with lipoamino acids. II. Experimental and computational evidence using biomembrane models. Int J Pharm. 2006;310: pp.53-63.
4. Szigeti B. OpenWorm: an open-science approach to modeling Caenorhabditis elegans. Frontiers in computational neuroscience. 2014. V.8. p. 137.
5. Варфоломеев С.Д., Гуревич К.Г. Биокинетика: практический курс. М.: Фаир-пресс. 1999. Т. 720. С. 18.
6. Зефиров А.Л., Ситдикова Г.Ф. Ионные каналы возбудимой клетки (структура, функция, патология). Монография. Казань: Арт-кафе. 2010. С. 164-201.
7. Гелетюк В.И., Казаченко В.Н. Кластерная организация ионных каналов. - М.: Наука, 1990. - 224 с.
8. Муратова Г.В., Белоус М.А. Моделирование активности головного мозга на основе модели Ходжкина - Хаксли. Инженерный вестник Дона, 2016, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3871.
9. Popov P.R. Modeling the behavior of a neuron in the external field by the particle method / P.R. Popov, M.V. Gretsov, N.V. Gretsova// Information Innovative Technologies (I2T) : materials of the International Scientific-Practical Conference (Prague, Czech Republic, April 24-28, 2017) / ed. by S.U. Uvaysov, I.A. Ivanov ; Moscow Technological Univ. (MIREA), Russian Centre of Science and Culture in Prague, Association of graduates and employees of AFEA named after prof. Zhukovsky [et al.]. - Moscow, 2017. - pp. 258-261.
10. Д.Ю. Душенин Численное моделирование функционирования ансамбля нейронов коры головного мозга. Инженерный вестник Дона, 2011, №4. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2011/533
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Применение электрических полей для воздействия на процессы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). История открытия метода СВС, его преимущества по сравнению с традиционными технологиями. Рентгенофазовый анализ продуктов СВС.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 19.02.2016Исследование характеристик свариваемых материалов и технологических параметров сварки. Расчет температурного поля, размеров зон термического влияния с помощью персонального компьютера. Построение изотерм температурного поля и кривых термического поля.
курсовая работа [245,4 K], добавлен 10.11.2013Исследование влияния различных видов сушильных агентов на эффективность сушки формовочных смесей и стержней. Расчет сушильного агрегата в процессе сушки стержня воздухом, проходимым через сушило. Теплотехнические основы сушильного процесса, теплообмен.
курсовая работа [4,5 M], добавлен 04.11.2011Теория рабочего процесса одновинтовых гидравлических машин с точки зрения влияния упругих свойств эластичной обкладки статора. Определение напряженно-деформированного состояния рабочих органов с использованием пакетов прикладных программ SolidWorks.
научная работа [2,0 M], добавлен 11.04.2013Выбор трассы и конструкции кабельной линии связи. Определение конструкции кабеля и способы связи. Размещение регенерационных пунктов по трассе кабельной линии. Защита электрических кабелей связи от влияния внешних полей, расчет опасных магнитных влияний.
курсовая работа [2,8 M], добавлен 06.08.2013Исследования влияния на nt и рt различных параметров циклов для комбинированного двигателя. Анализ значения КПД и давления при исходных данных. Оценка влияния степени предварительного расширения, степени повышения давления и степени сжатия на значение Pz.
контрольная работа [4,0 M], добавлен 11.06.2012Исследование влияния скорости печати на качество оттисков по совмещению красок при многокрасочной флексографской печати. Математическое моделирование как приближённое описание реальных объектов с помощью математических выражений, его главные этапы.
контрольная работа [44,1 K], добавлен 14.04.2011Построение двумерной расчетной геометрической модели отливки и литейной формы, генерация конечноэлементной сетки. Моделирование температурно-фазовых полей в отливке и температурных полей в литейной форме. Расчет микро- и макропористости в отливке.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 15.06.2015Анализ существующих устройств для регистрации и измерения параметров пульсовой волны. Разработка принципиальной схемы устройства, позволяющего проводить измерение скорости распространения пульсовой волны кровотока. Исследование особенностей сфигмограммы.
курсовая работа [574,9 K], добавлен 08.05.2015Общее описание устройства дуговой электропечи переменного тока. Шихтовые материалы для печей переменного тока. Дуговые печи постоянного тока и их преимущество. Регуляторы электрического режима при плавке в ДСП. Основные тенденции развития дуговых печей.
курсовая работа [325,4 K], добавлен 17.04.2011Расчетное исследование влияния основных параметров топочного процесса на полноту сгорания топлива в котле. Математическое моделирование горения движущейся коксовой частицы. Расчет движения частицы в заданном поле скоростей и горения коксового остатка.
курсовая работа [2,1 M], добавлен 27.08.2012Структурный анализ шарнирно-рычажного механизма. Построение планов положений, скоростей и ускорений. Диаграмма перемещения выходного звена механизма, графическое дифференцирование. Силовое исследование механизма. Проектирование кулачкового механизма.
курсовая работа [528,0 K], добавлен 20.01.2015Исследование влияния разных радиусов на гибку листового материала. Анализ системы моделирования технологических процессов, предназначенных для анализа трехмерного поведения металла при различных процессах обработки давлением. Расчет длины заготовки.
контрольная работа [30,4 K], добавлен 08.01.2014Система с распределенными параметрами, особенности ее описания с помощью дифференциальных уравнений в частных производных. Моделирование на макро- и микроуровне. Математическая модель колебания круглой мембраны. Исследование гидравлической системы.
курсовая работа [1,8 M], добавлен 28.04.2013Промышленный технологический быстропроточный лазер ТЛ-5М. Расчет приведенной напряженности электрического поля в рабочей камере лазера. Определение кинетических параметров плазмы. Расчет уточненного значения приведенной напряженности электрического поля.
курсовая работа [310,9 K], добавлен 14.12.2012Структурный, динамический и кинетостатический анализ плоского рычажного механизма. Определение угловых скоростей его звеньев; внешних сил и моментов инерции, действующих на каждое звено и кинематическую пару. Проектный расчет механизма на прочность.
курсовая работа [104,7 K], добавлен 23.12.2010Процесс биологической очистки. Условие формирования и функционирования активного ила. Влияние внешних факторов на кинетику окисления загрязнений. Методы интенсификации седиментации иловой смеси. Оценка динамики концентрации растворенного кислорода.
дипломная работа [5,5 M], добавлен 13.10.2017Построение плана положений, ускорений и скоростей механизма, основных параметров годографа, кинематических диаграмм. Силовой расчет различных групп Ассура. Определение уравновешивающей силы по методу Жуковского. Проектирование кулачкового механизма.
курсовая работа [627,0 K], добавлен 28.12.2015Физические особенности лазерной сварки титановых сплавов. Моделирование процесса воздействия лазерного излучения на металл. Исследование влияния энергетических и временных характеристик и импульсного лазерного излучения на плавление титановых сплавов.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 11.01.2014Расчет механизма подъема тележки мостового электрического крана. Выбор кинематической схемы механизма, крюковой подвески, каната. Установка верхних блоков, барабана и уравнительного балансира. Выбор двигателя, редуктора, тормоза, соединительной муфты.
курсовая работа [367,5 K], добавлен 17.10.2013
