АВТОНОМНАЯ И НЕАВТОНОМНАЯ ДИНАМИКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ МОДЕЛИ СЕРОТОНЭРГИЧЕСКОГО НЕЙРОНА


Образец для цитирования:

Постнов Д. Д., Сосновцева О. В., Постнов Д. Э. АВТОНОМНАЯ И НЕАВТОНОМНАЯ ДИНАМИКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ МОДЕЛИ СЕРОТОНЭРГИЧЕСКОГО НЕЙРОНА // Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика.2011 Т. 19, вып. 3. С. 26-44. DOI: 10.18500/0869-6632-2011-19-3-26-44


Серотонин является одним из основных модуляторов нейронной активности как на системном уровне, так и на уровне локальных (на малых расстояниях) взаимодействий. Однако в отличие от синаптически связанных нейронных ансамблей, математические модели, на качественном уровне описывающие серотонин­управляемые нейронные схемы, практически отсутствуют. В данной работе мы предлагаем относительно простую модель серотонэргического (серотонин­генерирующего и серотонин­чувствительного) нейрона. Показано, что учет наличия слабого деполяризующего потенциал­независимого тока нейрона, а также наличия авторецепторов к серотонину во многом определяет особенности как автономной, так и неавтономной динамики модели. Приведенные в работе модель и результаты вычислительного эксперимента направлены на формирование типовой вычислительной модели серотонэргического нейрона, которая заняла бы ту «экологическую нишу», которую для «обычного» нейрона играет, например, модель ФитцХью–Нагумо.

DOI: 
10.18500/0869-6632-2011-19-3-26-44
Литература

1. Kravitz E.A. Serotonin and aggression: Ingsights gained from a lobster model system and speculations on the role of amine neurons in a coplex behavior // J. Comp. Physiol. A. 2000. Vol. 186. P. 221.

2. Lesch K.P. and Merschdorf U. Impulsivity, agression, and serotonin: A molecular psychobiological perspective // Behav. Sci. Law. 2000. Vol. 18. P. 581.

3. Sakurai A. and Katz P.S. Spike timing-dependent serotonergic neuromodulation of synaptic strength intrinsic to a central pattern generator circuit // J. Neurosci. 2003. Vol. 23. 10745.

4. Satterlie R.A. and Norekian T.P. Modulation of swimming speed in the pteropod mollusc, Clione limacina: Role of a compartmental serotonergic system // Invert. Neurosci. 1996. Vol. 2. P. 157.

5. Nusbaum M.P., Friesen W.O., Kristian W.B. Jr., and Pierce R.A. Neural mechanisms generating the leech swimming rhythm // J. Comp. Physiol. A. 1987. Vol. 161. P. 355.

6. Ursin R. Serotonin and sleep // Sleep Med. Rev. 2002. Vol. 6. P. 55.

7. Hull E.M., Lorrain D.S., Du J., Matuszewich L., Lumley L.A., Putnam S.K., and Moses J. Hormone-neurotransmitter interactions in the control of sexual behavior // Behav. Brain Res. 1999. Vol. 105. P. 105.

8. Graeff F.G., Guimaraes F.S., De Andrade T.G., and Deakin J.F. Role of 5-HT in stress, anxiety, and depression // Pharmacol. Biochem. Behav. 1996. Vol. 54. P. 129.

9. Jobe P.C., Dailey J.W., and Wernicke J.F. A noradrenergic and serotonergic hypothesis of the linkage between epilepsy and affective disorders // Crit Rev. Neurobiol. 1999. Vol. 13. P. 317.

10. Whitaker-Azmitia P.M. and Peroutka S.J. The neuropharmacology of serotonin. New York: Academic Sciences, 1990.

11. Pineyro G. and Blier P.  ̃ Autoregulation of serotonin neurons: Role in antidepressant drug action // Pharmacol. Rev. 1999. Vol. 51, P. 533.

12. Stahl S.M., Grady M.M., and Briley M. SNRIs: their pharamocology, clinical efficacy, and tolerability in comparison with other classes of antidepressants // CNS Spectr. 2005. Vol. 10. P. 732.

13. Johnson K.W., Phebus L.A., and Cohen M.L. Serotonin in migraine: theories, animal models and emerging therapies // Prog. Drug Res. 1998. Vol. 51. P. 219.

14. Anderson I.M. Selective serotonin reuptake inhibitors versus tricyclic antidepressants: a meta-analysis of efficacy and tolerability // J. Affect. Disord. 2000. Vol. 58. P. 19.

15. Kish S.J., Furukawa Y., Ang L., Vorce S.P. and Kalasinsky K.S. Striatal serotonin is depleted in brain of a human MDMA (Ecstasy) user // Neurology. 2000. Vol. 55. P. 294.

16. Hornung J.P. The human raphe nuclei and the serotonergic system // J. Chem. Neuroanat. 2003. Vol. 26. P. 331.

17. Schwartz J.H. and Shkolnik L.J. The giant serotonergic neuron of Aplysia: A multi-targeted nerve cell // J. Neurosci. 1981. Vol. 1. P. 606.

18. Kristian M.B. and Nusbaum M.P. Jr. The dual role of serotonin in leech swimming // J. Physiol. 1983. Vol. 78. P. 743.

19. Sahley C.L. What we have learned from the study of learning of the leech // J. Neurobiol. 1995. Vol. 27. P. 434.

20. Kristan W.B.Jr., Calabrese R., Friesen W.O. Neuronal control of leech behavior // Prog. in Neurobiol. 2005. Vol. 76. P. 279.

21. Roth B.L. The Serotonin receptors: From molecular pharmacology to human therapeutics. Humana Press, 2006.

22. Marder E., Calabrese R.L. Principles of rhythmic motor pattern generation // Physiol. Rev. 1996. Vol. 763. P. 687.

23. Special issue on computational models of neuromodulation // Neural Networks. 2002. Vol. 15.

24. Baxter D.A., Canavier C.C., Clark J.W. Jr., and Byrne J.H. Computational model of the serotonergic modulation of sensory neurons in Aplysia // J. of Neurophysiol. 1999. Vol. 82. P. 2914.

25. Fellous J.-M. and Linster Ch. Computational models of neuromodulation // Neural computation. 1998. Vol. 10. P. 771.

26. FitzHugh R.A. Impulses and physiological states in theoretical models of nerve // Biophys. J. 1961. Vol. 1. P. 445.

27. Keener J., and Sneyd J. Mathematical Physiology. New York: Springer, 1998.

28. Lindner B., Garcia-Ojalvo J., Neiman A. and Schimansky-Geier L. Effects of noise in excitable systems // Phys. Rep. 2004. Vol. 392. P. 321.

29. Касаткин Д.В. Эффекты фазовой переустановки в ансамблях взаимодействующих нейронов ФитцХью–Нагумо // Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2009. Т. 17, No 1. С. 79.

30. Некоркин В.И., Артюхин Д.В. Регулярные и хаотические колебания в системе двух взаимосвязанных, динамически различных элементов ФитцХью–Нагумо // Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2001. Т. 9, No 6. С. 45.

31. Acebron J.A., Bulsara A.R., Rappel W.J. Динамика глобально связанных нейронных элементов ФитцХью–Нагумо в присутствии шума // Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2003. Т. 11, No 3. С. 110.

32. Крюков А.К., Осипов Г.В., Половинкин А.В. Мультистабильность синхронных режимов в ансамблях неидентичных осцилляторов: цепочка и решетка связанных элементов // Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2009. Т. 17, No 2. С. 29.

33. Binczak S., Jacquir S., Bilbault J.-M., Kazantsev V.B. and Nekorkin V.I. Experimental study of electrical FitzHugh–Nagumo neurons with modified excitability // Neural Networks. 2006. Vol. 19, No 5. P. 684.

34. Aghajanian G.K. and Vandermaelen C.P. Intracellular recordings from serotonergic dorsal raphe neurons: Pacemaker patentials and the effect of LSD // Brain Res. 1982. Vol. 238. P. 463.

35. Mnie-Filalia O., El Mansaria M., Espana A., Sanchez C., and Haddjeri N.  ́ Allosteric modulation of the effects of the 5-HT reuptake inhibitor escitalopram on the rat hippocampal synaptic plasticity // Neuroscience letters. 2006. Vol. 395. P. 23.

36. Wang R.Y. and Aghajanian G.K. Correlative firing patterns of serotonergic neurons in rat dorsal raphe nucleus // J. Neurosci. 1982. Vol. 2. P. 11.

37. Berry M.S. and Pentreath V.W. Properties of a symmetric pair of serotonin-containing neurons in the cerebral ganglia of planorbis // J. Exp. Biol. 1976. Vol. 65. P. 361.

38. Moss B.L., Fuller A.D., Sahley C.L., and Burrell B.D. Serotonin modulates axoaxonal coupling between neurons critical for learning in the leech // J. Neurophysiol. 2005. Vol. 94. 2575-25-89.

39. De Miguel F.E. and Trueta C. Synaptic and extrasynaptic secretion of serotonin // Cell. Mol. Neurobiol. 2005. Vol. 25. P. 297.

40. Norekian T.P. and Satterlie R.A. Serotonergic neural system not only activates swimming but also inhibits competing neural centers in a pteropod mollusc // Amer. Zool. 2001. Vol. 41. P. 993.

41. Zhang H., Wainwright M., Byrne J.H., and Cleary L.J. Quantitation of contacts among sensory, motor, and serotonergic neurons in the pedal ganglion of Aplysia // Learning and Memory. 2003. Vol. 10. P. 387.

42. Izhikevich E.M. Resonate-and-fire neurons // Neural Networks J. 2001. Vol. 14. P. 883.

43. Izhikevich E.M. Dynamical systems in Neuroscience: The geometry of excitability and bursting. MIT Press, 2007.

44. Rinzel J. and Ermentrout G.B. Analysis of neural excitability and oscillations // Methods in Neuronal Modeling / Eds C. Koch, I. Segel. Cambridge: MIT Press, 1989.

45. Hodgkin A.L. The local electric changes associated with repetitive action in a nonmedulated axon // J. Physiol. 1948. Vol. 107. P. 165.

46. Izhikevich E.M. Neural Excitability, Spiking, and Bursting // Int. J. Bifur. Chaos. 2000. Vol. 10. P. 1171.

47. Morris C. and Lecar H. Voltage oscillations in the barnacle giant muscle fibre // Biophys. J. 1981. Vol. 35. P. 193.

48. Kopell N., Ermentrout G.B., Whittington M.A., and Traub R.D. Gamma rhythms and beta rhythms have different synchronization properties // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 2000. Vol. 97. P. 1867.

49. Hamon M., Gerschenfeld H.M., and Paupardin-Tritsch D. Release of endogenous serotonin from two identified serotonin-containing neurones and the physiological role of serotonin re-uptake // J. Physiol. 1978. Vol. 274. P. 265.

50. Казанцев В.Б., Некоркин В.И., Велардэ М.Г. Модель нейрона с осцилляторной активностью ниже порога возбуждения // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 1998. Т. 41, No 12. С. 1623.

51. Анищенко В.С., Астахов В.В., Вадивасова Т.Е. Регулярные и хаотические авто-колебания. Синхронизация и влияние флуктуаций. Учебник-монография. М.: Изд-во «Интеллект», 2009. 312 с.

52. Pikovsky A. and Kurths J. Coherence resonance in a noise-driven excitable systems // Phys. Rev. Lett. 1997. Vol. 78. P. 775.

53. Han S.K., Yim T.G., Postnov D.E. and Sosnovtseva O.V. Interacting coherence resonance oscillators // Phys. Rev. Lett. 1999. Vol. 83. P. 1771.

54. Ranganathan R., Cannon S.C., and Horvitz H.R. MOD-1 is a serotonin-gated chloride channel that modulates locomotory behaviour in C. elegans // Nature. 2000. Vol. 408. P. 470.

55. Ali D.W., Catarsi S., and Drapeau P. Ionotropic and metabotropic activation of a neuronal chloride channel by serotonin and dopamine in the leech Hirudo medicinalis // J. Physiol. 1998. Vol. 509. P. 211.

 

Статус: 
одобрено к публикации
Краткое содержание (PDF): 
Текст в формате PDF: 

BibTeX

@article{ Postnov-IzvVUZ_AND-19-3-26,
author = {Дмитрий Дмитриевич Постнов and Ольга Владимировна Сосновцева and Дмитрий Энгелевич Постнов },
title = {АВТОНОМНАЯ И НЕАВТОНОМНАЯ ДИНАМИКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ МОДЕЛИ СЕРОТОНЭРГИЧЕСКОГО НЕЙРОНА},
year = {2011},
journal = {Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика},
volume = {19},number = {3},
url = {http://andjournal.sgu.ru/ru/articles/avtonomnaya-i-neavtonomnaya-dinamika-funkcionalnoy-modeli-serotonergicheskogo-neyrona},
address = {Саратов},
language = {russian},
doi = {10.18500/0869-6632-2011-19-3-26-44},pages = {26--44},issn = {0869-6632},
keywords = {Серотонэргический нейрон,функциональная модель,слабый деполяризующий ток,пачечная активность.},
abstract = {Серотонин является одним из основных модуляторов нейронной активности как на системном уровне, так и на уровне локальных (на малых расстояниях) взаимодействий. Однако в отличие от синаптически связанных нейронных ансамблей, математические модели, на качественном уровне описывающие серотонин­управляемые нейронные схемы, практически отсутствуют. В данной работе мы предлагаем относительно простую модель серотонэргического (серотонин­генерирующего и серотонин­чувствительного) нейрона. Показано, что учет наличия слабого деполяризующего потенциал­независимого тока нейрона, а также наличия авторецепторов к серотонину во многом определяет особенности как автономной, так и неавтономной динамики модели. Приведенные в работе модель и результаты вычислительного эксперимента направлены на формирование типовой вычислительной модели серотонэргического нейрона, которая заняла бы ту «экологическую нишу», которую для «обычного» нейрона играет, например, модель ФитцХью–Нагумо. }}