نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا (بیوالکتریک)، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، پردیس دانشکده‌های فنی، دانشگاه تهران

2 استادیار، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، قطب کنترل و پردازش هوشمند، پردیس دانشکده های فنی، دانشگاه تهران

3 استاد، مرکز تحقیقات علوم اعصاب و گروه فیزیولوژی، دانشکده پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی شهید بهشتی

10.22041/ijbme.2010.13330

چکیده

در این مقاله، به مدلسازی عملکردی نقش آستروسیت‌ها که دسته مهمی از سلول‌های گلیال به شمار می‌روند به عنوان تنظیم کننده‌های سیناپسی در همزمان شدن فعالیت سلول‌های عصبی پرداخته می‌شود. ایده اصلی استفاده همزمان از مدل‌های جمعیت نورونی کورتیکال و تالاموکورتیکال ارائه شده توسط سافژینسکی و همکاران (2004) با در نظر گرفتن ایده بازخورد داخلی مطرح شده به‌وسیله آیزمیدیسو همکاران (2009) از یک سو و گنجاندن مدل محاسباتی آستروسیت‌ها در این مدل‌ها، از سوی دیگر است. در همین راستا با گنجاندن نقش آستروسیت‌ها در تنظیم و کنترل فعالیت سیناپس؛ مدل‌های کورتیکال و تالاموکورتیکال منطبق بر واقعیت فیزیولوژی توسعه داده شده و تکمیل می‌شوند. به این ترتیب عملکرد آستروسیت‌ها در حالت طبیعی (سالم) و بیماری (نقص درانجام عملکرد خود) در همزمان‌سازی فعالیت جمعیت‌های نورونی بررسی می‌شود. نتایج شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد که آستروسیت‌های سالم با پایش درست فعالیت سیناپسی و اعمال سیگنال کنترلی مناسب می‌توانند تغییرات ورودی تحریکی به سلول‌های عصبی را تا حد زیادی جبران کنند. در حالی که آستروسیت‌های بیمار نمی‌توانند در تنظیم فعالیت سیناپسی وظیفه خود را به درستی انجام دهند و در نتیجه نمی‌توانند از بروز همزمان شدن غیرطبیعی و بیش ازحد سلول‌های عصبی جلوگیری کنند. بنابراین با توجه به نتایج مدل‌های تکمیل شده، پیشنهاد می‌شود که امکان استفاده از مواد مؤثر بر آستروسیت‌ها به عنوان یک کاندید جدید در درمان بیمارهای مرتبط با همزمان شدن غیرطبیعی سلول‌های عصبی (همچون بیماری صرع) مورد بررسی بیشتر و عمیق‌تر قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Functional Modeling of Astrocytes in Synchronization of Neuronal Cells

نویسندگان [English]

  • Mahmoud Amiri 1
  • Fariba Bahrami 2
  • Mahyar Janahmadi 3

1 PhD Candidate, School of Electrical and Computer Engineering, College of Engineering, University of Tehran

2 Assistant Professor, CICPE, School of Electrical and Computer Engineering, College of Engineering, University of Tehran

3 Professor, Neuroscience Research Center, School of Medicine, Shahid Beheshti University of Medical Sciences

چکیده [English]

Based on the neurophysiologic findings, astrocytes provide not only structural and metabolic supports for the nervous system but also they are active partners in neuronal activities and synaptic transmissions. In the present study, we improved two biologically plausible cortical and thalamocortical neural population models (CPM and TCPM), which were developed previously by Suffczynski and colleagues, by integrating the functional role of astrocytes in the synaptic transmission in the models. In other words, the original CPM and TCPM are modified to integrate neuronastrocyte interaction considering the idea of internal feedback proposed by Iasemidis and collaborators. Using the modified CPM and TCPM, it is demonstrated that healthy astrocytes provide appropriate feedback control for regulating the neural activities. As a result, we observed that the astrocytes are able to compensate for the variations in the cortical excitatory input and maintain the normal level of synchronized behavior. Next, it is hypothesized that malfunction of astrocytes in the regulatory feedback loop can be one of the probable causes of seizures. That is, pathologic astrocytes are not any more able to regulate and/or compensate the excessive increase of the cortical excitatory input. Consequently, disruption of the homeostatic or signaling function of astrocytes may initiate the hypersynchronous firing of neurons. Our results confirm the hypothesis and suggest that the neuronastrocyte interaction may represent a novel target to develop effective therapeutic strategies to control seizures.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Astrocyte
  • Functional modeling
  • Epilepsy
  • cortical and thalamocortical models
  • Neural synchronization

[1]      Santello M., Volterra A., Synaptic modulation by astrocytes via Ca2+-dependent glutamate release, Neuroscience, 2009; 158 (1): 253-259.

[2]      Hertz L., Zielke H.R., Astrocytic control of glutamatergic activity: astrocytes as stars of the show, Trends in Neuroscience., 2004; 27(12): 735-743.

[3]      Volterra A., Steinhäuser C., Glial modulation of synaptic transmission in the hippocampus, GLIA, 2004; 47: 249-257.

[4]      Fellin T., Carmignoto G., Neuron-to-astrocyte signaling in the brain represents a distinct multifunctional unit, J. Physiology. 2004; 55: 3-15.

[5]      Haydon P.G., Araque A., Astrocytes as modulators of synaptic transmission. In: The tripartite synapse: glia in synaptic transmission, New York: Oxford UP, 2002: 185-198.

[6]      Fellin T., Pascual O., Haydon P.G., Astrocytes coordinate synaptic networks: balanced excitation and inhibition, J. Physiology, 2006; 21: 208-215.

[7]      Lehnertz K., Bialonski S., Horstmann M.T., Krug D., Rothkegel A., Staniek M., Wagner T., Synchronization phenomena in human epileptic brain networks, J Neuroscience Methods, 2009; 183 (1): 42-48.

[8]      De Keyser J., Mostert J.P., Koch M.W., Dysfunctional astrocytes as key players in the pathogenesis of central nervous system disorders, J. Neurolog. Sci., 2008; 267: 3-16.

[9]      Binder D.K., Steinhäuser C., Role of astrocytes in Epilepsy. Astrocytes in (Patho) Physiology of the Nervous System, Springer, 2009; 649-671. 

[10]   Nadkarni S., Jung P., Dressed neurons: modeling neural-glial interactions, Phys. Biol. 2004; 1: 35-41.

[11]   Nadkarni S., Jung P., Levine H., Astrocytes optimize the synaptic transmission of information, PLoS Comput. Biol. 2008; 4(5): 1-11.

[12]   Postnov D.E., Koreshkov R.N., Brazhe N.A., Brazhe A.R., Sosnovtseva O.V., Dynamical patterns of calcium signaling in a functional model of neuron–astrocyte networks, J Biol Phys, 2009; 35: 425-445.

[13]   Postnove D.E., Ryazanova L.S., Sosnovtseva O.V., Functional modeling of neural-glial interaction, BioSystems, 2007; 89: 84-91.

[14]   Garbo A.D., Dynamics of a minimal neural model consisting of an astrocyte, a neuron, and an interneuron, J Biol. Phys. 2009; 35: 361-382.

[15]   Garbo A.D., Barbi M., Chillemi S., Alloisio S., Nobile M., Calcium signaling in astrocytes and modulation of neural activity, BioSystems, 2007; 89: 74-83.

[16]   Iasemidis L.D., Shiau D.S., Sackellares J.C., Pardalos P.M., Prasad A., Dynamical resetting of the human brain at epileptic seizures: application of nonlinear dynamics and global optimization techniques, IEEE Trans Bio-Med Eng 2004; 51(3): 493-506.

[17]   K. Tsakalis, N. Chakravarthy, S. Sabesan, L.D. Iasemidis, P.M. Pardalos A feedback control systems view of epileptic seizures. Cybern. Syst. Anal. 2006; 42(4): 483-495.

[18]   Tsakalis K., Iasemidis L.D., Control aspects of a theoretical model for epileptic seizures, Int. J. Bifurc. Chaos. 2006; 16(7): 2013-2027.

[19]   Chakravarthy N., Sabesan S., Iasemidis L.D., Tsakalis K., Modeling and controlling synchronization in a neuron level population model, Int. J. Neural Systems, 2007; 17 (2): 123-138.

[20]   Chakravarthy N., Tsakalis K., Sabesan S., Iasemidis L.D., Homeostasis of Brain Dynamics in Epilepsy: A Feedback Control Systems Perspective of Seizures, Ann. Biomed. Eng., 2009; 37(3): 565-585.

[21]   Chakravarthy N., Sabesan S., K. Tsakalis, L.D. Iasemidis, Controlling epileptic seizures in a neural mass model, J. Combin. Optim. 2009; 17(1): 98-116.

[22]   Suffczynski P., Kalitzin S., Lopes da Silva F.H., Dynamics of non-convulsive epileptic phenomena modeled by a bistable neuronal network, Neuroscience, 2004; 126 (2): 467-484.

[23]   Suffczynski P., Wendling F., Bellanger J.J.,  Lopes da Silva F.H., Some insights into computational models of (patho) physiological brain activity, Proc IEEE, 2006; 94 (4): 784-804.

Suffczynski P., Kalitzin S., Lopes da Silva F.H., A. neuronal network model of corticothalamic oscillations: the emergence of epileptiform absence seizures, Computational Neuroscience in Epilepsy, 2009: 403-418.

[24]    Newman E.A., New roles for astrocytes: regulation of synaptic transmission, Trends in Neuroscience, 2003; 26: 536-542.

[25]   Silchenko A.N., Tass P.A., Computational modeling of paroxysmal depolarization shifts in neurons induced by the glutamate release from astrocytes, Biol. Cybernetics, 2008; 98: 61–74.

[26]   Steriade M., Contreras D., Spike-wave complexes and fast components of cortically generated seizures. Role of neocortex and thalamus, J Neurophysiol, 1998; 80: 1439-1455.

[27]   Destexhe A., Corticothalamic feedback: a key to explain absence seizures, Computational Neuroscience

 in Epilepsy, 2009: 184-211.

[28]   Frohlich F., Timofeev I., Sejnowski T.J., M. Bazhenov, Extracellular potassium dynamics and epileptogenesis, Computational Neuroscience in Epilepsy, 2009: 419-439.

[29]   Wetherington J., Serrano G., Dingledine R., Astrocytes in the epileptic brain, Neuron, 2008; 58: 168-178.

[30]   Seifert G., Carmignoto G., Steinhäuser C., Astrocyte dysfunction in epilepsy, Brian Res. Rev. 2009; In press.

[31]   Rogawski M.A, Astrocytes get in the act in epilepsy, Nat Med. 2005; 11(9): 919-920.

[32]   D’Ambrosio R., The role of glial membrane ion channels in seizures and epileptogenesis, Pharmacology & Therapeutics, 2004; 103: 95-108.