电感觉锥体细胞的体内神经活动：生物物理特性与现象学建模

《PLOS Computational Biology》：In vivo neural activity of electrosensory pyramidal cells: Biophysical characterization and phenomenological modeling

神经编码中的爆发式放电机制研究：通过整合弱电鱼ELL锥体细胞的在体单细胞记录与生物物理及简化现象学模型，揭示了突触随机输入与钙动态（NMDA受体介导的Ca2?内流激活SK通道）共同调控爆发式放电的内在机制。模型表明，在体条件下多稳态动力学（包括quiescent-tonic-bursting相变）由SK通道介导的快速适应与NMDA受体调控的慢Ca2?振荡耦合，突触噪声通过改变分岔边界增强放电变异性，为理解神经编码的动态可塑性提供了新视角

　　在神经科学领域，神经元的爆发性放电是一种重要的活动特征，它被认为有助于增强感觉编码的效率。然而，尽管已有大量研究探讨了爆发性放电的特性，其在生物体内部与外部环境中的表现仍存在显著差异。例如，传统的体外实验显示，神经元在体外环境中能够产生较长的爆发性放电，通常包含多个动作电位（APs），而体内实验则揭示了更短的爆发性放电，且缺乏明显的去极化后电位（DAP）和爆发后超极化（AHP）。这些差异提示我们，需要深入研究爆发性放电的体内机制，以及它如何受到内在细胞机制和外在突触输入的影响。

本研究聚焦于弱电鱼（Apteronotus leptorhynchus）的电感受器侧线隆起（ELL）中的锥体细胞，这些细胞在体内表现出独特的爆发性放电模式。通过结合体内记录和计算建模，我们开发了一个详细的生物物理模型，该模型整合了电压门控电流、NMDA受体介导的钙离子（Ca2?）流入、Ca2?激活的SK通道、Ca2?动员和随机突触输入，以模拟这些细胞在体内的放电行为。此外，我们还构建了一个简化的现象学模型，基于改进的Hindmarsh-Rose（HR）模型，通过引入双适应变量和随机噪声，成功再现了体内的爆发性放电特征和多种放电模式。

我们的研究发现，体内爆发性放电模式主要由细胞内的Ca2?动态和SK通道的相互作用所调控。Ca2?通过NMDA受体的激活和内源性Ca2?释放机制进入细胞，这些Ca2?的动态变化为爆发性放电提供了慢变量，从而影响爆发的开始和结束。同时，SK通道的激活使得膜电位超极化，从而提前终止爆发性放电，导致爆发性放电时间较短且不规则。通过参数敏感性分析，我们发现慢适应动态和噪声强度是体内爆发性放电变异性的关键决定因素。这些结果表明，爆发性放电的体内行为是由细胞内在机制与体内背景突触活动之间的协同作用所塑造的。

此外，我们还探讨了反馈机制和神经调质（如血清素）对爆发性放电的影响。体内实验表明，血清素能够抑制SK通道，从而降低爆发阈值并扩大爆发性放电的范围。同时，反馈输入通过调节神经元的兴奋性和对感觉输入的响应性，影响其放电模式。这些机制表明，神经元在体内可以灵活地调整其放电模式，以适应不同的行为需求和感觉输入。

研究还揭示了体内爆发性放电的多稳态特性。这种多稳态现象使得神经元能够在不同的放电模式之间动态切换，如静息、持续放电和爆发性放电，而不依赖于长期的突触变化。这种灵活性在体内环境中尤为重要，因为突触输入和内在噪声可以作为扰动，使神经元在多个稳定状态之间切换，从而实现动态编码。这种机制不仅适用于电感受系统，还可能广泛存在于其他感觉系统中，如哺乳动物的前庭、视觉和听觉系统。

通过使用详细的生物物理模型和简化的现象学模型，我们不仅揭示了爆发性放电的体内机制，还为未来的神经网络建模和更高级的感觉处理研究提供了计算工具。这种双模型方法有助于理解体内和体外条件之间的差异，并为神经科学中的计算建模提供了新的视角和方法。此外，这些模型的灵活性和计算效率使其能够应用于更广泛的神经网络研究，从而探索不同神经元类型和感觉系统的动态编码机制。

总的来说，本研究通过结合实验数据和计算建模，揭示了体内爆发性放电的复杂机制，并强调了内在细胞特性与体内突触活动之间的相互作用。这些发现不仅有助于理解神经元在体内如何处理感觉信息，还为神经科学领域的计算建模和神经网络研究提供了重要的理论和实践基础。