神経細胞活動に付随する微視的な磁界分布の境界要素法による解析

使用边界元法分析伴随神经元活动的微观磁场分布

基本信息

批准号：
11170211
负责人：
廣瀬明
金额：
$ 4.22万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas (A)
财政年份：
1999
资助国家：
日本
起止时间：
1999 至 2000
项目状态：
已结题

项目摘要

海馬CA3スライスの微小SQUIDによる計測を想定し、スライスから2mm離れた線上の磁界の時間発展を改良コンパートメントモデルによって計算して、細胞の各部位の寄与を評価した。その結果、観測される磁界の起源は、従来考えられているEPSPよりはむしろ発火に伴う逆伝搬パルスにあり、その時空間的に微妙な相殺の仕方によって大きく変化することが明らかになった。空間配置としては、basal dendriteとapical dendriteがsomaをはさんでほぼ直線状に延びる典型的な状況を考えた。そして生理実験でbasal dendriteを刺激した場合(細胞外近傍電極による)にスライス全体で生成される3相の磁場を再現するようにフィッティングを行った。単一細胞が生成する総合的に観測される磁場B_<total>について、そのピークは時間的に遅く空間的に長いEPSPによるもの(〜3[fT])よりは、むしろ発火時(およびバースト時)に2つのdendritesを逆伝搬するパルスによるもの(12〜15[fT])であることが確認された。またその内訳はbasalによるものB_<basal>(30[fT])とapicalによるものB_<apical>(45[fT])であるが、それぞれを別々に考えたときの波高値は非常に大きく、しかし逆向きで互いに相殺するため、その微妙なタイミングによって、B_<total>の波高値が決定されることが明らかになった。この結果は、樹状突起の微細なチャネル密度分布が、発生磁場に大きな影響を与えることを意味している。また、軸索による磁場B_<axon>は2[fT]程度であり、観測系の時空間分解能が高い場合、無視できない値であると言えることも明らかになった。一方、それと同時に、新たに提案した2次元ダイナミクス方程式によって、微視的な膜電位の振舞いの解析を進めた。その結果、細胞体部分などの細胞膜が曲率を持つ部位(膜面積が電位進行方向に対して拡大・縮小を伴う部位)では、電位の伝達速度が大きく変化することを明らかにした。すなわち、膜面積拡大部分では速度が極端に遅くなり、逆に縮小部分では極端に速くなっており、この現象は発火を引起す膜上の位置に影響を与えていると考えられる。また伝達速度の伝導層厚み依存性が、曲率がゼロの場合にはν∝D^<1/2>(速度ν、厚みD)であるのに対し、細胞体の直径が50μmの場合、信号波面の拡大部分ではν∝D^<0.77>であり、より厚み変化に敏感であった。これらの結果は、細胞形状が膜電位ダイナミクスに大きな影響を与えることをはじめて明かにしたものである。さらに、細胞外の電位・電流を取り入れた理論を再構成し、数値的な評価を進めている。

假设使用海马 CA3 切片的微型 SQUID 进行测量，我们使用改进的隔室模型计算了距切片 2 mm 线上磁场的时间演化，并评估了细胞每个部分的贡献。结果表明，观测到的磁场的起源在于与发射相关的反向传播脉冲，而不是传统认为的 EPSP，并且它根据微妙的时空抵消方法而变化很大。至于空间排列，我们考虑了一种典型的情况，其中基底树突和顶端树突几乎沿直线延伸，体细胞位于其间。然后，进行拟合以再现在生理实验中刺激基底树突（使用细胞外近电极）时在整个切片中产生的三相磁场。对于单个细胞产生的整体观察到的磁场 B_<total>，其峰值是由于放电（和爆发）引起的，已证实是由通过两个树突反向传播的脉冲 (12-15 [fT]) 引起的。细分为 B_<basal>(30[fT]) 由于 basal 和 B_<apical>(45[fT]) 由于 apical，但是当单独考虑每个时，峰值非常大，但是，因为它们抵消了每个。其他方向相反，很明显 B_<total> 的峰值是由微妙的时序决定的。这一结果意味着枝晶的精细沟道密度分布对产生的磁场有很大的影响。还揭示了轴突产生的磁场B_<axon>约为2[fT]，如果观测系统的时空分辨率较高，则该磁场B_<axon>不可忽略。同时，我们使用新提出的二维动力学方程分析了微观膜电位的行为。结果表明，在细胞膜具有曲率的区域，例如细胞体（膜区域沿电势行进方向膨胀或收缩的地方），电势传输速度显着变化。换句话说，在膜面积扩大的区域中速度变得非常慢，相反在膜面积减小的区域中速度变得非常快，并且这种现象被认为影响膜上发生点火的位置。此外，当曲率为零时，传输速度对传导层厚度的依赖性为ν∝D^<1/2>（速度ν，厚度D），而当细胞体直径为50μm时，信号在波前的扩展部分，ν∝D^<0.77>，对厚度变化更敏感。这些结果首次揭示细胞形状对膜电位动态具有显着影响。此外，我们正在重建结合细胞外电位和电流的理论并进行数值评估。