RU2723612C1 - Нейрофизиологическая модель нервной системы, обладающая свойствами реверберации, и способ ее создания - Google Patents
Нейрофизиологическая модель нервной системы, обладающая свойствами реверберации, и способ ее создания Download PDFInfo
- Publication number
- RU2723612C1 RU2723612C1 RU2019102854A RU2019102854A RU2723612C1 RU 2723612 C1 RU2723612 C1 RU 2723612C1 RU 2019102854 A RU2019102854 A RU 2019102854A RU 2019102854 A RU2019102854 A RU 2019102854A RU 2723612 C1 RU2723612 C1 RU 2723612C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- model
- ganglion
- leech
- nervous
- reverberation
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B18/00—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body
- A61B18/04—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by heating
- A61B18/12—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by heating by passing a current through the tissue to be heated, e.g. high-frequency current
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
- A61N1/00—Electrotherapy; Circuits therefor
- A61N1/18—Applying electric currents by contact electrodes
- A61N1/32—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
- A61N1/36—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation
- A61N1/36014—External stimulators, e.g. with patch electrodes
-
- G—PHYSICS
- G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
- G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
- G09B23/00—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes
- G09B23/28—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for medicine
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Surgery (AREA)
- Public Health (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Otolaryngology (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Algebra (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Business, Economics & Management (AREA)
- Educational Administration (AREA)
- Educational Technology (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)
Abstract
Изобретение относится к медицине, а именно к экспериментальной нейрофизиологии, и может быть использовано для моделирования нервной системы, обладающей свойствами реверберации, представляющей собой ганглии, и для способа ее создания. Модель создана из брюшного мозга пиявки путем разрушения соединительнотканных капсул и глиальных оболочек при помощи проназы, при этом клетки и волокна в ганглии связаны между собой посредством щелевых контактов. Для создания модели используют брюшной мозг пиявки, при этом с помощью проназы разрушают соединительнотканные капсулы и глиальные оболочки, оставляя интактными нервные клетки, соединенные между собой, и сохраняя целостность нейрональной сетевой функции нервного ганглия пиявки. Способ обеспечивает создание нейрофизиологической модели нервной системы, обладающей свойствами реверберации, за счет создания биологической модели, выполненной на естественной нервной структуре – модифицированном нервном брюшном ганглии медицинской пиявки, включающей неповрежденные нервные клетки с отростками и плотными щелевыми контактами (электрическими синапсами), связывающими нейроны между собой в единые сети. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к моделям в нейробиологии и может быть использовано при физиологических исследованиях формирования ритмической импульсной реакции реверберации и диагностики патологических факторов, влияющих на нейроны.
Реверберация или возвратная повторная ритмическая длительная электрическая активность, характерна для многих структур мозга. Свойствами реверберации могут обладать нервные пути в гиппокампе, неокортексе, миндалина-гиппокамп-кортикальной оси и спинном мозге.
Реверберационная теория была выдвинута известным морфофизиологом Рафаэлем Лоренте-де-Но в начале прошлого века [1]. Она базировалась на существовании в структурах мозга замкнутых нейронных цепей, когда аксоны нервных клеток могут возвращаться обратно к телу клетки. В связи с чем появляется возможность циркуляции нервного импульса по ревербирирующим (постепенно затухающим) кругам возбуждения. Джон Экклс в середине прошлого века создал учение о синаптических "реверберационных кругах возбуждения", о повсеместном наличии "петель обратной связи" [2].
Основную роль в развитии механизма реверберации и в настоящее время отводят химическим синапсам [3]. Синаптическая реверберация рассматривается как вероятный механизм активного поддержания рабочей памяти [4, 5].
Сложность экспериментального доступ к ревербеционным путям мозга затрудняет исследование их электрофизиологических свойств с корреляцией этих свойств с анатомо-морфологическим строением. В связи с этим большинство исследований реверберации основаны на схемах, включающих в основном химические синапсы. Известны математические и созданные на их основе графические [6-11], а так же искусственно созданные биологические модели нервной системы [12], обладающие свойствами реверберации. Эти модели представляют собой нервные клетки, связанные между собой химическими синапсами и описывают предполагаемые (гипотетические) нервные процессы. Однако нет никаких исследований, демонстрирующих, экспериментально или теоретически, участие электрических синапсов в реализации реверберации в мозге.
Наиболее близкой к предлагаемой является модель Лао и Би [12], выполненная на нейронах гиппокампа эмбрионов крыс, представляющая собой систему одиночных нейронов в культуре ткани, предварительно лишенных всех нервных отростков, химических синапсов и мембранных контактов, включая щелевые контакты, то есть электрические синапсы. Исследование Лао и Би построено только на повторно развившихся регенирирующих химических синапсах, связывающих нейроны между собой в рефлекторную дугу. Эта модель используется для доказательства возникновения процесса реверберации с участием только химических синапсов.
Модель выполнена не на естественной нервной структуре, а на специально искусственно созданной культуральной сети из клеток гипокаммпа мозга крысы с редким расположением клеток без предшествующей анатомической специализации, что предполагает невозможность экспериментальной повторной воспроизводимости нервной сети. Исследуемые сети находились в питательной среде с присутствием телячьей сыворотки, состав которой невозможно точно учесть. Для того, чтобы предотвратить разрастание глиальных клеток в создаваемой культуре, авторы добавляли в среду циклоцин-арабинозид. О наличии химических синапсов судили по "шуму" синаптической передачи. В модели культуры клеток регистрировались случайные синхронные полисинаптические спайки. Таким образом, анализировалась реверберационная активность не компактного органа, а случайного набора нескольких неизвестных по функции нейронов, без учета электрических синапсов.
Математические и графические модели реверберации описывают теоретическую возможность возникновения и протекания этого процесса на основе химических или электрических синапсов. Стабильной биологической модели для получения реакции реверберации, в которой нервные клетки контактируют исключительно только через электрические синапсы, нет. Техническая проблема состоит в том, что в эксперименте на культуральной сети из нервных клеток невозможно получить сопоставимые сети, а, следовательно, сопоставимые электрофизиологические результаты по получению реакции реверберации и провести достоверную обработку экспериментальных данных.
Ставится техническая задача разработки биологической модели, представляющей собой нервные клетки и волокна в целостной структуре мозга, связанные электрическими синапсами, на основе которой можно получить реакцию реверберации, и способа ее создания.
Задача решается за счет того, что предлагается нейрофизиологическая модель нервной системы, обладающая свойствами реверберации, представляющая собой ганглии со связанными между собой нервными клетками и нервными волокнами, в которой клетки и волокна соединены между собой посредством щелевых контактов.
Для модели использован ганглий брюшной нервной цепочки медицинской пиявки с находящимися нервными клетками и их отростками, связанными между собой плотными щелевыми контактами, без глиального окружения.
Для создания модели с помощью проназы разрушают соединительнотканные капсулы и глиальные оболочки, денудируя нервные клетки, соединенные между собой отростками, и сохраняя целостность нейрональной сетевой функции нервного ганглия брюшного мозга пиявки, обеспечивая тем самым возникновение щелевых контактов между нервными волокнами и нервными клетками. В общей сложности создается нервный ганглий, обладающий новыми электрофизиологическими функциями.
Действие проназы состоит в том, что, являясь суммой многих протеолитических ферментов широкого круга действия, она в первую очередь действует на глиальные оболочки, окружающие нейроны и его отростки. Удаление глиальных оболочек приводит к сближению нейрональных мембран, их адгезионному взаимодействию, агрегации и образованию щелевых контактов, обладающих свойствами электрических синапсов.
Пиявок наркотизировали в холодной воде, вскрывали с брюшной стороны, извлекали часть брюшной нервной цепочки, состоящую из 7 ганглиев. Второй от головного нервный ганглий с подходящими к нему нервными коннективами помещали в пластиковую камеру и раскалывали на резиновой подложке за окружающие его ткани. Заливали препарат раствором Рингера для пиявки (130 мМ NaCl, 4 мМ KCl, 1.8 мМ CaCl, 48 Мм глюкозы, рН 7.4). На поверхности ганглия были видны два крупных нейрона - клетки Ретциуса. Экстраклеточный отводящий золотой микроэлектрод в стеклянной изоляции подводили к одному из них под контролем микроскопа МБС-10. Остальную часть нервной цепочки через вазелиновый мостик помещали во вторую камеру с биполярными раздражающими электродами. Нервную коннективу между четвертым и пятым ганглиями помещали на электроды и раздражали прямоугольными толчками электрического тока силой в два раза превышающей пороговую, длительностью равной 0.2 мс. Регистрировали спонтанную импульсную активность нейрона Ретциуса. Затем использованный раствор Рингера для пиявки заменяли на раствор Рингера, содержащий проназу в концентрации 0,2-0.4%. В растворе проназы ганглий находился в течение часа. После этого ганглий аккуратно промывали раствором Рингера для пиявки, удаляя проназу и отторгнутые глиальные оболочки. Вновь регистрировали частоту спонтанной импульсной активности и вызванную импульсную активность на одиночный стимул нейрона Ретциуса. Наиболее пригодны для создания моделей взрослые двухгодичные пиявки.
Стимуляцию нервного волокна проводили при помощи электростимулятора ЭСУ-1 (Россия), сигнал регистрировали при помощи усилителя УБП1-02 (Россия). Экспериментальные данные визуально анализировали на осциллографах С1-93 (Россия), цифровом осциллографе GDS-806S (GW Instek, Тайвань), записывали и сохраняли на компьютере.
На фиг. 1 представлены осциллограммы спонтанной импульсной активности нейрона Ретциуса: а - в контроле, где нейрон генерирует спонтанные одиночные импульсы, б - после действия проназы, где нейрон генерирует спонтанную пачечную ритмическую импульсную активность - реверберацией. Калибровка: 25 мкВ, 10 мс.
На фиг. 2 представлены осциллограммы вызванной импульсной активность нейрона Ретциуса: а - в контроле, где нейрон отвечает одиночным потенциалом действия на раздражающий стимул, б - после действия проназы, где нейрон отвечает вызванной пачечной ритмической импульсной активностью - реверберационный ответ. Калибровка: 25 мкВ, 10 мс. Точками обозначен артефакт (раздражающий импульс).
Электрофизиологическая регистрация импульсного ответа крупного нейрона (клетки Ретциуса), расположенного на поверхности модели, показывает, что после действия проназы спонтанная импульсная активность нейрона и вызванная импульсная активность нейрона приобретают признаки реверберации.
Технический результат состоит в том, что получена модель, выполненная на естественной нервной структуре - модифицированном нервном брюшном ганглии медицинской пиявки, включающая неповрежденные нервные клетки с отростками и плотными щелевыми контактами (электрическими синапсами), связывающими нейроны между собой в единые сети. Модель находится в растворе Рингера, состав которого соответствует стандартному для пиявки. Модель позволяет получить высокую экспериментальную воспроизводимость электрофизиологических результатов. На модели регистрировалась постоянная спонтанная импульсная активность по реверберационному типу. О наличии электрических синапсов судили по реверберационному импульсному ответу нейрона на раздражающее воздействие. Таким образом, регистрация импульсной активности позволяет анализировать реверберационную реакцию нейрона, находящегося в составе модели нервного ганглия, с преимущественным наличием электрических синапсов.
Список литературы
2. Экклс Д. Тормозные пути в центральной нервной системе. М., Наука, 1971. 168 с.
3. Compte A., Wang X.J. The dynamical stability of reverberatory neural circuits. // Biol Cybern. 2002. V. 87. N. 5-6. P. 471-481.
4. Ribeiro S., Nicolelis M.A. Reverberation, storage, and postsynaptic propagation of memories during sleep // Learn. Mem. 2004. V. 11. №6. P. 686-696.
5. Wang M., Gamo N.J., Yang Y. et al. Neuronal basis of age - related working memory decline // Nature. 2011. V. 476. №7359. P. 210-213.
6. Constantinidis C., Wang X.J. A neural circuit basis for spatial working memory // Neuroscientist. 2004. V. 10. №6. P. 553-565.
7. Rosin D P., Worlitzer V.M. et al. Pattern reverberation in networks of excitable systems with connection delays // Chaos. 2017. V. 27. №1: 013114.
8. Maciunas K., Snipas M., Paulauskas N. et al. Reverberation of excitation in neuronal networks interconnected through voltage-gated gap junction channels // J. Gen. Physiol. 2016. V. 147. №3. P. 273-288.
9. Sotnikov O.S., Chizhov F.V., Laktionova A.A., Pokrovsky A.N. Syncytial cytoplasmatic communication of neurons and model of electric activity of their population. // Europ. J. Biomed.. Life Sci. 2016. №4. P. 6-11.
10. Volman V., Perc M., Bazhenov M. Gap junctions and epileptic seizures - two sides of the same coin? // PLoS One. 2011. V. 6: e20572.
11. Wang X.J., Constantinidis C., Goldman-Rakic P.S. Division of labor among distinct subtypes of inhibitory neurons in a cortical microcircuit of working memory. // Proc Natl. Acad. Sci. USA. 2004. V. 101. №5. P. 1368-1373.
12. Lao P.M., Bi G.Q. Synaptic mechanisms of persistent reverberatory activity in neuronal networks. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2005. V. 102. №29. P. 10333-10338.
Claims (2)
1. Нейрофизиологическая модель нервной системы, обладающей свойствами реверберации, представляющая собой ганглии, отличающаяся тем, что она создана из брюшного мозга пиявки путем разрушения соединительнотканных капсул и глиальных оболочек при помощи проназы, при этом клетки и волокна в ганглии связаны между собой посредством щелевых контактов.
2. Способ создания нейрофизиологической модели нервной системы, обладающей свойствами реверберации, отличающийся тем, что для ее создания используют брюшной мозг пиявки, при этом с помощью проназы разрушают соединительнотканные капсулы и глиальные оболочки, оставляя интактными нервные клетки, соединенные между собой, и сохраняя целостность нейрональной сетевой функции нервного ганглия пиявки.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019102854A RU2723612C1 (ru) | 2019-02-01 | 2019-02-01 | Нейрофизиологическая модель нервной системы, обладающая свойствами реверберации, и способ ее создания |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019102854A RU2723612C1 (ru) | 2019-02-01 | 2019-02-01 | Нейрофизиологическая модель нервной системы, обладающая свойствами реверберации, и способ ее создания |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2723612C1 true RU2723612C1 (ru) | 2020-06-16 |
Family
ID=71095947
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019102854A RU2723612C1 (ru) | 2019-02-01 | 2019-02-01 | Нейрофизиологическая модель нервной системы, обладающая свойствами реверберации, и способ ее создания |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2723612C1 (ru) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5386497A (en) * | 1992-08-18 | 1995-01-31 | Torrey; Stephen A. | Electronic neuron simulation with more accurate functions |
JP2016513526A (ja) * | 2013-03-11 | 2016-05-16 | タイラートン インターナショナル ホールディングス インコーポレイテッドTylerton International Holdings Inc. | 自律神経系モデリング及びその使用 |
-
2019
- 2019-02-01 RU RU2019102854A patent/RU2723612C1/ru active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5386497A (en) * | 1992-08-18 | 1995-01-31 | Torrey; Stephen A. | Electronic neuron simulation with more accurate functions |
JP2016513526A (ja) * | 2013-03-11 | 2016-05-16 | タイラートン インターナショナル ホールディングス インコーポレイテッドTylerton International Holdings Inc. | 自律神経系モデリング及びその使用 |
Non-Patent Citations (6)
Title |
---|
LUCKEN L. et al. Pattern reverberation in networks of excitable systems with connection delays. Chaos. 2017, 27(1):013114, doi: 10.1063/1.4971971. * |
MACIUNAS K. et al. Reverberation of excitation in neuronal networks interconnected through voltage-gated gap junction channels. J Gen Physiol. 2016, 147(3),p.273-88. * |
TSENG S.H. et el. Induction of high-frequency oscillations in a junction-coupled network. J Neurosci. 2008, 28(28), p.7165-7173. RIBEIRO S. et al. Reverberation, storage, and postsynaptic propagation of memories during sleep. Learn Mem. 2004, 11(6), p.686-696. * |
ЗОСИМОВСКИЙ В.А. и др. Латентности повторных ответов на одиночную стимуляцию коллатералей шаффера, регистрируемых в поле са1 гиппокампа у крыс во время сна. Журн. высш. нервн. деят., 2015, 4, стр.456-470. * |
ЭЗРОХИ В.Л. и др. Реверберация возбуждения в переживающих срезах гиппокампальная формация-энторинальная кора крыс. Оптическая регистрация. Журн. высш. нервн. деят. 1999, 49(5), стр.830-838. * |
ЭЗРОХИ В.Л. и др. Реверберация возбуждения в переживающих срезах гиппокампальная формация-энторинальная кора крыс. Оптическая регистрация. Журн. высш. нервн. деят. 1999, 49(5), стр.830-838. ЗОСИМОВСКИЙ В.А. и др. Латентности повторных ответов на одиночную стимуляцию коллатералей шаффера, регистрируемых в поле са1 гиппокампа у крыс во время сна. Журн. высш. нервн. деят., 2015, 4, стр.456-470. LUCKEN L. et al. Pattern reverberation in networks of excitable systems with connection delays. Chaos. 2017, 27(1):013114, doi: 10.1063/1.4971971. TSENG S.H. et el. Induction of high-frequency oscillations in a junction-coupled network. J Neurosci. 2008, 28(28), p.7165-7173. RIBEIRO S. et al. Reverberation, storage, and postsynaptic propagation of memories during sleep. Learn Mem. 2004, 11(6), p.686-696. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Borgens | What is the role of naturally produced electric current in vertebrate regeneration and healing? | |
Kral et al. | What's to lose and what's to learn: development under auditory deprivation, cochlear implants and limits of cortical plasticity | |
Tseng et al. | Cracking the bioelectric code: Probing endogenous ionic controls of pattern formation | |
Sekirnjak et al. | Loss of responses to visual but not electrical stimulation in ganglion cells of rats with severe photoreceptor degeneration | |
Nusbaum et al. | Swim initiation in the leech by serotonin-containing interneurones, cells 21 and 61 | |
Landry et al. | Intracortical distribution of axonal collaterals of pyramidal tract cells in the cat motor cortex | |
Phillips et al. | A synaptic strategy for consolidation of convergent visuotopic maps | |
Rountree et al. | Differential stimulation of the retina with subretinally injected exogenous neurotransmitter: A biomimetic alternative to electrical stimulation | |
Koutsoumpa et al. | Short-term dynamics of input and output of CA1 network greatly differ between the dorsal and ventral rat hippocampus | |
Smith | Limb regeneration | |
Scheibel et al. | Inhibition and the Renshaw Cell A Structural Critique; pp. 73–93 | |
RU2723612C1 (ru) | Нейрофизиологическая модель нервной системы, обладающая свойствами реверберации, и способ ее создания | |
Buccelli et al. | A neuroprosthetic system to restore neuronal communication in modular networks | |
Shein et al. | Management of synchronized network activity by highly active neurons | |
Stoop et al. | Collective bursting in layer IV: synchronization by small thalamic inputs and recurrent connections | |
Berking | A model for budding in hydra: pattern formation in concentric rings | |
Marx | Electric Currents May Guide Development: Naturally generated electric currents have been linked to changes in developing embryos and in regenerating limbs | |
Tyner et al. | Interhemispheric influences on sensorimotor neurons | |
Giridhar et al. | Mechanisms and benefits of granule cell latency coding in the mouse olfactory bulb | |
Zhang et al. | Frequency tuning and firing pattern properties of auditory thalamic neurons: An in vivo intracellular recording from the guinea pig | |
Santos-Torres et al. | Electrophysiological and synaptic characterization of transplanted neurons in adult rat motor cortex | |
Kater | Dynamic regulators of neuronal form and connectivity in the adult snail Helisoma | |
Vadakkan | Semblance hypothesis of memory | |
Binzegger et al. | Cortical architecture | |
Potter | How should we think about bursts? |