مدلسازي عملكردي نقش آستروسيت‌ها در همزماني فعاليت سلول‌هاي عصبي

Functional Modeling of Astrocytes in Synchronization of Neuronal Cells

در اين مقاله، به مدلسازي عملكردي نقش آستروسيت‌ها كه دسته مهمي از سلول‌هاي گليال به شمار مي‌روند به عنوان تنظيم كننده‌هاي سيناپسي در همزمان شدن فعاليت سلول‌هاي عصبي پرداخته مي‌شود. ايده اصلي استفاده همزمان از مدل‌هاي جمعيت نوروني كورتيكال و تالاموكورتيكال ارايه شده توسط سافژينسكي و همكاران (2004) با در نظر گرفتن ايده بازخورد داخلي مطرح شده به‌وسيله آيزميديس و همكاران (2009) از يك سو و گنجاندن مدل محاسباتي آستروسيت‌ها در اين مدل‌ها، از سوي ديگر است. در همين راستا با گنجاندن نقش آستروسيت‌ها در تنظيم و كنترل فعاليت سيناپس؛ مدل‌هاي كورتيكال و تالاموكورتيكال منطبق بر واقعيت فيزيولوژي توسعه داده شده و تكميل مي‌شوند. به اين ترتيب عملكرد آستروسيت‌ها در حالت طبيعي (سالم) و بيماري (نقص در انجام عملكرد خود) در همزمان‌سازي فعاليت جمعيت‌هاي نوروني بررسي مي‌شود. نتايج شبيه‌سازي‌ها نشان مي‌دهد كه آستروسيت‌هاي سالم با پايش درست فعاليت سيناپسي و اعمال سيگنال كنترلي مناسب مي‌توانند تغييرات ورودي تحريكي به سلول‌هاي عصبي را تا حد زيادي جبران كنند. در حالي كه آستروسيت‌هاي بيمار نمي‌توانند در تنظيم فعاليت سيناپسي وظيفه خود را به درستي انجام دهند و در نتيجه نمي‌توانند از بروز همزمان شدن غيرطبيعي و بيش ازحد سلول‌هاي عصبي جلوگيري كنند. بنابراين با توجه به نتايج مدل‌هاي تكميل شده، پيشنهاد مي‌شود كه امكان استفاده از مواد موثر بر آستروسيت‌ها به عنوان يك كانديد جديد در درمان بيمارهاي مرتبط با همزمان شدن غيرطبيعي سلول‌هاي عصبي (همچون بيماري صرع) مورد بررسي بيشتر و عميق‌تر قرار گيرد.

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 neuron-astrocyte 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 neuron-astrocyte interaction may represent a novel target to develop effective therapeutic strategies to control seizures.