Фрактальный и вейвлет-анализ электрической активности нервных клеток

• Автор: Браже, Алексей Рудольфович
• Шифр специальности: 03.00.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 113 с. : ил.

Оглавление

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Электрическая активность нервных клеток

1.1.1 Микротоковые флуктуации в одиночных ионных каналах.

1.1.2 Изменения мембранного потенциала

1.1.3 Изменения интегральных свойств нейронов при возбуждении.

1.2 Вейвлетанализ

1.2.1 Общие сведения

1.2.2 Примеры применения вейвлетанализа

1.3 Фрактальный анализ .
1.3.1 Фрактальные множества.
1.3.2 Фрактальные меры .
1.3.3 Монофрактальный анализ .
1.3.4 Мультифрактальный анализ
1.3.5 Примеры применения
1.4 Концепция самоорганизованной критичности
2 ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1 Цели исследования
2.2 Задачи исследования.
3 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
3.1 Препараты. Растворы и реактивы .
3.1.1 Приготовление препаратов нервной системы пиявки
3.1.2 Приготовление препаратов нейронов прудовика и катушки.
3.1.3 Приготовление препарата миелиновых нервных волокон
3.1.4 Блокирование К каналов тетраэтиламмонием.
3.1.5 Культивируемые клетки почечного эпителия Уего.
3.2 Регистрация активности Са2зависимых К каналов
3.3 Внеклеточная регистрация потенциалов действия.
3.4 Регистрация изменений количества Са2, связанного на мембране
3.5 Метод лазерной интерференционной микроскопии.
3.6 Вейвлетанализ временных рядов
3.6.1 Описание метода.
3.6.2 Пример применения вейвлетанализа.
3.7 Расчет спектров мультифрактальности .
3.7.1 Описание метода.
3.7.2 Пример расчета спектров мультифрактальности.
3.8 Расчет показателей Гльдера
3.8.1 Описание метода.
3.8.2 Пример расчета показателей Гльдера.
4 РЕЗУЛЬТАТЫ
4.1 Фрактальный анализ клеточных процессов.
4.1.1 Анализ последовательностей времен жизни ионных каналов
4.1.2 Анализ серий потенциалов действия
4.1.3 Анализ флуктуаций содержания мембраносвязанного Са2 .
4.1.4 Анализ изменений локального показателя преломления цитоплазмы и
мембраны нейронов.
4.2 Моделирование активности ионного канала .
4.3 Вейвлетанализ локальных изменений показателя преломления цитоплазмы и мембраны нейронов.
5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ
6 ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Выделяют потенциалзависимые и лигандоперируемые каналы, переход первых между открытым и закрытым состояниями зависит от мембранного потенциала, примером могут служить потенциалзависимые Ыаь. К и Са каналы. Открывание и закрывание лигандоперируемых каналов определяется химическими факторами, как, например, в случае КтМОАрецепторов и ацетилхолиновых рецепторов. Многие типы потенциалзависимых каналов при сохранении мембранного потенциала постоянным, способны к спонтанным переходам между открытым и закрытым состояниями, которые выглядят как случайные . Изменение мембранного потенциала приводит к изменению соотношения времен, которые проводит канал в том или ином состоянии. СО. Такие переходы могут быть полностью охарактеризованы распределениями времен жизни канала РВЖ в последовательностях времен жизни ПВЖ т0 и тс как р0т ксехркст и рет к0ехрк0т соответственно. Однако экспериментальные распределения по временам жизни обычно плохо описываются одной экспоненциальной функцией. Обычное объяснение этому находят в существовании нескольких неразличимых подсостояний открытого иили закрытого состояний, что приводит к необходимости использовать несколько экспоненциальных компонент для аппроксимации РВЖ , . Поскольку в каждый момент в экперименте невозможно выделить все состояния, но можно только определить их класс открытое или закрытое, такие процессы называются агрегированными марковскими процессами . При достаточном количестве экспоненциальных компонент удается очень точно аппроксимировать практически любые экспериментальные распределения. Благодаря простоте интерпретации и точности аппроксимации подход к количественному описанию динамики ионных каналов с использованием марковских моделей получил широкое распространение в электрофизиологии. Введение дополнительных экспоненциальных компонент стало обычной практикой при аппроксимации экспериментальных РВЖ. Как следствие, можно определить вероятность перехода между состояниями, но момент перехода не может быть предсказан. Другими словами, априорно предполагается стохастический, некоррелированный режим работы ионных каналов и считается, что время, которое канал проводит в данном состоянии не зависит от длительности предыдущих. Основной задачей при данном подходе является нахождение 1 числа различных закрытых и открытых конформаций и 2 константы скоростей перехода между каждыми состояниями. Объектом исследования при этом служат распределения по временам жизни закрытых и открытых состояний. А 1. это число конформаций данного рода открытых или закрытых, а весовые коэффициенты, и к константы переходов. Поэтому распределения по временам жизни аппроксимируют необходимым и достаточным набором экспоненциальных функций, по результатам аппроксимации судят о числе состояний и о характерных временах жизни каждого. В настоящее время существует достаточно большое количество методов, которые позволяют проводить эффективную экспоненциальную аппроксимацию и оценивать число необходимых экспонент , , , . С соответствует закрытому, а О открытому состоянию. В скобках показано количество связанного Са2. Позже эта схема была усовершенствована, чтобы объяснить мерцание ii канала, то есть режим быстрых переключений между открытым и закрытым состоянием . Схема 1. Са2 и предполагает простую кинетику для работы канала при полном насыщении кальцием. Поэтому проводились работы, в которых исследовалась кинетика макси калиевых каналов в полностью безкальциевой среде на макроскопических токах , и для одиночных каналов и при больших концентрациях Са2 . В обоих случаях наблюдался сложный характер кинетики, описывающийся несколькими закрытыми и несколькими открытыми состояниями. Для описания работы канала в таких условиях Ротберг и Маглеби предложили двухслойную модель состояний , . Эта модель основывается на простейшей интерпретации данных о молекулярном строении канала как и большинство К каналов, Са2активируемый К канал большой проводимости организован в виде тетрамера, каждый мономер имеет один сенсор потенциала и один сайт связывания ионов Са2 . Эта модель включает открытых и закрытых состояний.