Hodgkin-Huxley-Neuron, das bei Strömen über dem Schwellenwert nicht konstant spitzt?

Hallo, ich studiere derzeit Physik im Bachelor. Im Rahmen meiner Abschlussarbeit durfte ich das HH-Modell implementieren und bestimmte Verhaltensweisen untersuchen.

Mein Problem ist folgendes.

Ich verstehe das für ICH ich N J > ICH T H R e S H wir sollten Aktionspotentiale erwarten, die in regelmäßigen Abständen spitzen.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung einHier habe ich einen Eingangsstrom, der 2 anfängliche Spitzen zu erzeugen scheint, es werden jedoch keine weiteren Spitzen erzeugt. Ist das körperlich? Das Vorhandensein der anfänglichen Spitzen muss bedeuten, dass der Eingangsstrom größer als der Schwellenwert ist, aber wir sehen keine konsistenten Spitzen über den gesamten Stimulationsstrom.

Eine leichte Erhöhung des Stroms ergibt das erwartete Verhalten:Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ist das ein Fehler im Code oder handelt es sich um ein echtes physikalisches Phänomen?

EDIT------------------------------ Nach den Vorschlägen von Bryan Krause ist hier das vollständige Bild mit den Gating-Variablen.

Fall 1: Reizstrom mit einer Amplitude von 35 mA mit einer Periode von 100 msGeben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Fall 2: Reizstrom mit einer Amplitude von 37 mA mit einer Periode von 100 msGeben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Fall 3: Reizstrom mit einer Amplitude von 500 mA mit einer Periode von 100 msGeben Sie hier die Bildbeschreibung ein

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@tyersome Ich glaube, ich habe meinen Versuch einer Antwort gezeigt, indem ich das zweite Beispiel nach dem HH-Modell angegeben habe, das meiner Meinung nach auch in Fall 1 hätte beobachtet werden sollen.
Welche Gleichungen löst dieses Modell? Ihr Fall 1 sieht in der Spannung wie ein stark gedämpfter Oszillator aus, während Fall 2 wie eine oszillierende Lösung aussieht. Wenn Sie eine nichtlineare Dämpfungskonstante haben, könnte dies den Unterschied zwischen Fall 1 und 2 qualitativ erklären.
@AtmosphericPrisonEscape Das HH-Modell ist ein ziemlich berühmtes Standardmodell in den Neurowissenschaften.

Antworten (1)

Dies geschieht aufgrund der Natriumkanalinaktivierung. Einige relevante Quellen:

https://en.wikipedia.org/wiki/Ball_and_chain_inactivation

https://www.st-andrews.ac.uk/~wjh/hh_model_intro/ (Ich schätze, dieser Link ist für einige Leute defekt? Funktioniert gut für mich, so wie er ist; sehen Sie sich stattdessen die Links davor und danach an)

https://neuronaldynamics.epfl.ch/online/Ch2.S2.html

Im HH-Modell wird die Inaktivierung manchmal als "h-Gate" bezeichnet, basierend auf dem Parameter, den sie für diese Inaktivierung verwenden, dem die Variable "h" zugeordnet ist.

Die Natriumkanalinaktivierung verändert die Aktionspotentialschwelle und kann Aktionspotentiale sogar vollständig verhindern. Der einfache Weg, dies zu verstehen, ist, dass inaktivierte Kanäle nicht verfügbar sind, um an der positiven Rückkopplungsschleife eines Aktionspotentials teilzunehmen. Aus diesem Grund ist es nicht ganz richtig, an eine konstante Schwelle für Aktionspotentiale für eine bestimmte Zelle / ein bestimmtes Modell zu denken. Stattdessen gibt es einen Schwellenwert für jedes gegebene Haltepotential oder die jüngste Geschichte des Membranpotentials. Meistens werden Sie sich mit der Schwelle beim Ruhemembranpotential befassen, aber wenn Sie einen konstanten externen Stimulus anwenden (oder wenn Sie viele Aktionspotentiale nacheinander auslösen, ohne genügend Zeit bei hyperpolarisierten oder Ruhepotentialen zu verbringen), dann die Zahl der verfügbaren Natriumkanäle ist nicht dasselbe wie im Ruhezustand.

Ich würde ein paar Dinge vorschlagen ... versuchen Sie zuerst auch andere Schritte! Was passiert, wenn Sie einen noch größeren Stimulus verwenden ? Zweitens ... Zeichnen Sie die HH-Gating-Parameter m, n und h als Funktion der Zeit auf, nicht nur der Spannung.

Ich habe meiner ursprünglichen Frage noch ein paar Fälle hinzugefügt. Aufgrund Ihrer Antwort kann ich nicht verstehen, warum Fall 3 und Fall 1 identisch aussehen.
@Vishal Schau dir das h-Tor an! Vergleichen Sie h vor dem ersten Stimulus mit nach dem ersten Aktionspotential (oder dem ersten Paar, sobald die APs aufhören).
Ihre Verbindung zu St. Andrews ist tot.
@AtmosphericPrisonEscape Funktioniert gut für mich.
Ich kann auch nicht auf die St. Andrews-Verbindung zugreifen ... In Bezug auf das h-Gate-Verhalten kann ich sehen, dass h ziemlich nahe bei 1 liegt, was Sinn macht, da das Neuron hyperpolarisiert ist. Ich bin mir nicht sicher, was ich mitnehmen soll, außer dass h hoch ist, wenn das Neuron hyperpolarisiert ist, und niedrig, wenn das Neuron depolarisiert ist.
@VishalJain h ist im Ruhezustand nur nahe 1; später im Impuls ist es kleiner als 1. Im ersten Fall ist es niedrig genug, dass sich die Schwelle verschoben hat, sodass der Stimulus nach der ersten Spitze nicht mehr über der Schwelle liegt und h weiter abnimmt (inaktivierter). Im zweiten Fall gibt es eine ausreichende Relaxation des h-Gatters während der Hyperpolarisation zwischen den Spikes. Im dritten Fall ist der Stimulus zu stark und das h-Tor hat nie eine Änderung, um sich wieder zu öffnen; h bleibt niedrig und somit stehen keine Natriumkanäle zum Öffnen zur Verfügung.
Ich verstehe nicht, warum das Neuron nach der ersten Spitze in Fall 1 bei V = 0 auf ein Ruhepotential zu kommen scheint, aber in Fall 2 (mit nur einem kleinen Anstieg des injizierten Stroms) hyperpolarisiert das Neuron zwischen den Aktionen richtig Potenziale. Wenn Sie sich die Gating-Variablenwerte ansehen, sind alle sinnvoll, wenn Sie das entsprechende Membranpotential zu diesem Zeitschritt betrachten. BEARBEITEN: Beim Lesen des vorherigen Kommentars scheint es, als ob dieser winzige Anstieg des Stroms ausreichte, um dem h-Tor genügend Zeit zu geben, sich zu entspannen, um es ordnungsgemäß zurückzusetzen?
@VishalJain Es kommt nicht nur auf das Membranpotential an, sondern auch auf den Zustand aller Gating-Parameter. Sowohl in Fall 1 als auch in Fall 2 gibt es nie einen Zeitpunkt, an dem das h-Gate den ganzen Weg zurück zu 1 macht; es sieht so aus, als würde es sich sowohl in Fall 1 als auch in Fall 2 auf etwa 0,9 erholen. Fall 2 hat einen ausreichend starken Stimulus, um immer noch einen AP mit nur 90 % der verfügbaren Kanäle auszulösen; Fall 1 nicht, aber die unterschwellige Depolarisation reicht aus, um noch mehr Kanalinaktivierung zu verursachen (h nimmt mit der Zeit weiter ab).
Ok, es fängt an, Sinn zu machen, letzte Frage dazu, und ich denke, es wird klicken. Ich kann akzeptieren, dass wir in Fall 1 einen Stimulus bereitgestellt haben, der im Ruhezustand der Zelle über der Schwelle lag, aber nach der Stimulierung nicht mehr groß genug war, um weitere Spitzen zu erzeugen. Wenn Sie sich jedoch mein Originalbild ansehen, in dem ich ein Bild bereitgestellt habe, in dem wir 2 solcher anfänglichen Spitzen hatten, wie können Sie das erklären? Hier haben wir die Zelle eindeutig einmal simuliert, als sie in einem hyperpolarisierten Zustand in Ruhe war, und noch einmal, während der Reizstrom angelegt wurde, aber dann haben wir die erzeugten Spitzen gestoppt.
@VishalJain Sie können in Ihrem "Fall 1" sehen, dass es eine Art Mini-Spitze gibt; Es reicht aus, dass einige spannungsgesteuerte Kanäle die Zelle ein zweites Mal öffnen und depolarisieren, aber nicht genug für eine volle positive Rückkopplungsspitze. Beim dritten solchen "Ereignis" ist es sogar noch schwächer. Dasselbe ist in Ihrem ursprünglichen Fall 0 passiert, außer dass der Stimulus stark genug war, um die zweite Spitze zu erzeugen, aber Sie sehen, dass der zweite AP etwas schwächer als der erste ist und der dritte fehlschlägt. All dies lässt sich am besten verstehen, wenn man darüber nachdenkt, wie viele Natriumkanäle verfügbar sind, auch bekannt als „nicht inaktiviert“, auch bekannt als „h“.
Hodgkin-Huxley-Neuron, das bei Strömen über dem Schwellenwert nicht konstant spitzt?
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