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听觉敏锐度的代价:基于模型的听觉脑干“章鱼”神经元能量消耗估算。 (英语) Zbl 1411.92055号

摘要:哺乳动物听觉脑干的章鱼细胞(OC)精确地编码快速瞬态声音和音调启动的时间。OCs的高保真时间依赖于低静息膜阻力,这表明维持跨质膜离子梯度的能量消耗很高。我们提供了一个基于模型的OC休息和峰值能耗估算。我们的结果预测,静止的OC每秒消耗高达10^{9}的ATP分子(ATP)2.6倍,远远超过其他CNS神经元的能量消耗。尽管如此,大鼠中所有OC的葡萄糖使用量都很低,因为它们的数量很低。OCs能量使用的主要原因是提供低膜电阻的离子机制:超极化激活的混合阳离子电导和低电压激活的钾电导。空间有序的突触——OCs的一个特征,使它们能够补偿突触输入的异步性——只为OCs的兴奋性成本节省了12%的能量。只有13%用于产生AP的总OC能量(1.5倍于10^{7})与轴突起始段的AP生成有关,64%与突触电流处理有关,23%与保持静息电位有关。

MSC公司:

92C20美元 神经生物学
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全文: 内政部

参考文献:

[1] Adams,J.,《猫和人的后中央耳蜗核章鱼细胞向外侧丘系腹核的投射》,澳大利亚神经科学。,3, 4, 335-350 (1997)
[2] 阿特维尔,D。;Laughlin,S.,大脑灰质信号的能量预算,J.Cereb。血流Metab。,2111133-1145(2001年)
[3] 巴尔,R。;Oertel,D.,哺乳动物耳蜗核章鱼细胞中的超极化激活混合电流(IH),神经生理学杂志。,84, 2, 806-817 (2000)
[4] 巴尔,R。;Oertel,D.,哺乳动物耳蜗核章鱼细胞中的钾电流,神经生理学杂志。,86, 5, 2299-2311 (2001)
[5] Braitenberg,V。;Schüz,A.,《皮层:神经连接的统计和几何》(1998),施普林格科学与商业媒体
[6] 蔡,Y。;McGee,J。;Walsh,E.J.,离子传导对耳蜗腹侧核章鱼细胞开始反应的贡献:模拟结果,J.神经生理学。,83, 1, 301-314 (2000)
[7] 蔡,Y。;沃尔什·E·J。;McGee,J.,《耳蜗核章鱼细胞的起始反应机制:模型的含义》,J.神经生理学。,78, 2, 872-883 (1997)
[8] 曹晓杰。;Oertel,D.,《听觉神经纤维通过会聚、强度和短期可塑性不同的突触激发目标》,《神经生理学杂志》。,104, 5, 2308-2320 (2010)
[9] 北卡罗来纳州卡内维尔。;Hines,M.,《神经元书籍》(2006),剑桥大学出版社:剑桥大学出版社,英国剑桥
[10] 卡特,公元前。;Bean,B.P.,哺乳动物神经元动作电位过程中的钠进入:快速Spiking神经元的不完全失活和代谢效率降低,Neuron,64,6898-909(2009)
[11] 克罗蒂,P。;桑格雷,T。;Levy,W.B.,动作电位速度的代谢能量消耗,神经生理学杂志。,96, 3, 1237-1246 (2006)
[12] Dallos,P.,《主动耳蜗》,《神经科学杂志》。,12, 12, 4575-4585 (1992)
[13] de A.Nogueira,R。;Garcia,E.C.,《鱿鱼巨大轴突产热的理论研究》,J.Theor。生物学,104,1,43-52(1983)
[14] 埃雷琴斯卡,M。;Silver,I.A.,Atp与脑功能,J.脑血流代谢。,9, 1, 2-19 (1989)
[15] 费利克斯,I。;A.理查德。;Gourévitch,B。;戈麦斯-阿尔瓦雷斯,M。;莱洪,S。;萨尔达尼亚,E。;Magnusson,A.K.,位于耳蜗后腹核的章鱼细胞为上橄榄旁核提供主要的兴奋性输入,Front Neural Circuits,11,37(2017)
[16] 加德纳,S.M。;路易斯安那州特鲁塞尔。;Oertel,D.,《耳蜗核神经元中突触ampa受体的时间进程和渗透与输入相关》,J.Neurosci。,19, 20, 8721-8729 (1999)
[17] 戈尔丁,N。;费拉格慕,M。;Oertel,D.,内在电导在耳蜗核章鱼细胞瞬态反应中的作用,神经科学杂志。,19, 8, 2897-2905 (1999)
[18] 戈尔丁,N。;Oertel,D.,《树突突触整合:对速度的特殊需求》,J.Physiol。,590, 22, 5563-5569 (2012)
[19] 戈尔丁,N。;Robertson,D。;Oertel,D.,切片记录表明,耳蜗核的章鱼细胞能够以时间精度检测到听觉神经纤维的同步放电,《神经科学杂志》。,15, 4, 3138-3153 (1995)
[20] 哈里斯·J。;朱利维特,R。;Attwell,D.,Synaptic能源使用和供应,Neuron,75,762-777(2012)
[21] 哈维,R。;Napper,R.,《大鼠小脑皮质颗粒和浦肯野细胞的定量研究》,J.Comparat。神经病学。,2742151-157(1988年)
[22] Hasenstaub,A。;Otte,S。;Callaway,E。;Sejnowski,T.,《代谢成本作为支配神经生物物理学的统一原则》,Proc。国家。阿卡德。科学。美国,107,12329-12334(2010)
[23] Howarth,C。;Glesson,P。;Attwell,D.,《新皮质和小脑神经计算的更新能量比较器》,J.Cereb。血流Metab。,32, 1222-1232 (2012)
[24] 霍沃思,J.V。;凯恩斯,R.D。;Ritchie,J.M.,哺乳动物无髓鞘神经纤维中与单个脉冲相关的初始热量的起源,J.Physiol。(伦敦),194,3745-793(1968)
[25] 胡,H。;罗斯,F.C。;Vandael,D。;Jonas,P.,Na+和K+通道门控的互补调节是GABA能中间神经元轴突快速高效动作电位的基础,Neuron,98,1156-165(2018)
[26] Hudspeth,A.J.,《内耳》(The Inner Ear),(坎德尔,E.R.;施瓦茨,J.H.;杰塞尔,T.H.,Siegelbaum,S.A.;Hudspeh,A.J..,《神经科学原理》,第30章(2013),麦格劳-希尔,健康专业部),654-681
[27] 伊德里兹贝戈维奇,E。;坎隆,B。;布罗斯,L。;Willott,J。;Bogdanovic,N.,《cba/caj小鼠耳蜗核老化期间神经元和钙结合蛋白阳性神经元的总数:定量研究》,Hear。决议,158,1-2,102-115(2001)
[28] Iotti,S。;Frassineti,C。;Sabatini,A。;瓦卡,A。;Barbiroli,B.,《准确评估人脑和骨骼肌中atp水解的胞浆[adp]和(δ)g的体内定量数学表达式》,Bioch。et生物物理学。生物能源学报。,1708, 2, 164-177 (2005)
[29] Jansen,医学硕士。;沈,H。;张,L。;Wolkowicz,体育。;Balschi,J.A.,《充氧离体心脏钠离子梯度的能量需求:改变atp水解自由能的影响》,美国生理学杂志。心脏循环生理学。,285、6、H2437-H2445(2003)
[30] 朱,H。;海因斯,M.L。;Yu,Y.,皮层轴突的电缆能量功能,科学。代表,629686(2016)
[31] Kann,O.,中间神经元能量假说:对脑疾病的影响,神经生物学。数字化信息系统。,90, 75-85 (2016)
[32] O.Kann。;帕帕佐古,I。;Draguhn,A.,高能量抑制性中间神经元是皮层网络中信息处理的核心元素,J.Cereb。血流Metab。,34, 1270-1282 (2014)
[33] Kedem,O。;Katchalsky,A.,生物膜对非电解质渗透性的热力学分析,生物化学。生物物理学。《学报》,第27期,第229-246页(1958年)
[34] Lennie,P.,皮层计算的成本,货币。生物,13,6,493-497(2003)
[35] 莱维,W。;Baxter,R.,能源效率神经代码,神经计算机。,8, 531-543 (1996)
[36] 莱维,W.B。;Baxter,R.a.,通过量子突触失败进行节能神经元计算,《神经科学杂志》。,22, 11, 4746-4755 (2002)
[37] Marginanu,D.G。;Schoffeniels,E.,动作电位期间的分子事件和能量变化,Proc。国家。阿卡德。科学。,74, 9, 3810-3813 (1977)
[38] Markram,H.,《蓝脑计划》,《国家神经科学评论》。,7, 2, 153 (2006)
[39] McGiney,M.,个体听觉脑干章鱼细胞快速整合声调,计算树突,223-243(2014),Springer
[40] 麦金利,M。;利伯曼,M。;巴尔,R。;Oertel,D.,《从异步中产生同步性:单个脑干神经元树突对耳蜗行波延迟的补偿》,J.Neurosci。,32, 27, 9301-9311 (2012)
[41] 穆贾希德,A。;d'Anjou,A。;Graña,M.,新皮质、海马体和丘脑不同尖峰细胞的能量需求,Front。计算。神经科学。,8 (2014)
[42] 穆贾希德,A。;D‘Anjou,A。;Torrealdea,F.J。;Torraldea,F.,霍奇金斯-赫胥黎神经元中的能量和信息,Phys。Rev.E Stat.非线性,软物质物理学。,83, 3, 1-11 (2011)
[43] Muniak,医学硕士。;里瓦斯,A。;Montey,K.L。;May,B.J。;弗朗西斯,H.W。;Ryugo,D.K.,cba/j小鼠耳蜗核频率表征的3D模型,j.Comparat。神经病学。,521, 7, 1510-1532 (2013)
[44] Niven,J。;Laughlin,S.,《能量限制对感官系统进化的选择性压力》,《实验生物学杂志》。,211, 11, 1792-1804 (2008)
[45] Niven,J.E.,《神经能量消耗:生物物理学、效率和进化》,当代。操作。神经生物学。,41229-135(2016)
[46] Oertel,D。;巴尔,R。;加德纳,S。;史密斯,P。;Joris,P.,哺乳动物耳蜗核章鱼细胞对听觉神经纤维活动同步性的检测,Proc。国家。阿卡德。科学。美国,97,22,11773-11779(2000)
[47] Oertel,D。;曹晓杰。;Ison,J.R。;Allen,P.D.,《声音间隙检测和声源侧化的细胞计算》,《神经科学趋势》。,40, 10, 613-624 (2017)
[48] Okaty,B.W。;米勒,M.N。;苏吉诺,K。;亨佩尔,C.M。;Nelson,S.B.,新皮质快速尖峰γ-氨基丁酸能中间神经元的转录和电生理成熟,神经科学杂志。,29, 21, 7040-7052 (2009)
[49] Osen,K.K.,猫耳蜗核的细胞构筑,J.Comp。神经病学。,136, 4, 453-483 (1969)
[50] Osorio,N。;卡塔拉属。;梅斯勒,M.H。;克雷斯特,M。;Magistretti,J。;Delmas,P.,持久Nav1。6轴突起始段的电流调节小脑颗粒细胞的放电时间,J.Physiol。(伦敦),588,4651-670(2010)
[51] 佩雷斯,F。;Granger,B.E.,《IPYthon:交互式科学计算系统》,计算。科学。工程,9,3,21-29(2007)
[52] 罗德,W。;Smith,P.,《猫耳蜗腹侧核的时间和强度编码》,《神经生理学杂志》。,56, 2, 261-286 (1986)
[53] Richie,J.,《神经传导的能量方面:产热、电活动和新陈代谢之间的关系》,Prog。生物物理学。分子生物学。,26, 147-187 (1973)
[54] 罗尔夫,D.F。;Brown,G.C.,哺乳动物标准代谢率的细胞能量利用和分子起源,生理学。修订版,77,3(1997)
[55] Roth,K。;Weiner,M.,《用31p核磁共振波谱法测定人体肌肉和脑组织中的细胞溶质adp和amp浓度以及atp水解的自由能》,《资源医学杂志》,22,2,505-511(1991)
[56] Rothman,J。;Manis,P.,《钾电流在调节耳蜗腹侧核神经元电活动中的作用》,《神经生理学杂志》。,89, 6, 3097-3113 (2003)
[57] 罗斯曼,J.S。;Manis,P.B。;不,L.D。;No,L.D.,耳蜗腹侧核中三种不同钾电流的差异表达,神经生理学杂志。,2, 6, 3070-3082 (2003)
[58] 罗斯曼,J.S。;Young,E.D。;Manis,P.B.,《听觉神经纤维在耳蜗腹侧核浓密细胞上的汇聚:计算模型的含义》,《神经生理学杂志》。,70, 6, 2562-2583 (1993)
[59] Sengupta,B。;Laughlin,S。;Niven,J.,《平衡兴奋性和抑制性突触电流促进高效编码和代谢效率》,《公共科学图书馆·计算》。生物学,9,e1003263(2013)
[60] Sengupta,B。;劳克林,S。;Niven,J.,《神经信息编码和能量效率将分级转换为动作电位的后果》,《公共科学图书馆·计算》。生物学,1020003439(2014)
[61] Sengupta,B。;斯特姆勒,M。;Laughlin,S。;Niven,J.,《行动势能效率在脊椎动物和无脊椎动物的神经元类型之间存在差异》,《公共科学图书馆·计算》。生物,6,e1000840(2010)
[62] P.H.史密斯。;Massie,A。;Joris,P.X.,声纹:生理特征细胞的解剖学及其轴突投射模式,J.Comparat。神经病学。,482, 4, 349-371 (2005)
[63] 索科洛夫,L。;Reivich,M。;肯尼迪,C。;德罗西尔斯,M。;Patlak,C。;佩蒂格鲁,K。;樱田,O。;Shinohara,M.,用于测量局部脑葡萄糖利用率的[14C]脱氧葡萄糖法:清醒和麻醉白鼠的理论、程序和正常值,神经化学杂志。,28, 897-916 (1977)
[64] 斯宾塞,M。;格雷登,D。;布鲁斯,I。;Meffin,H。;Burkitt,A.,《哺乳动物耳蜗核章鱼细胞树突延迟的研究》,Front。计算。神经科学。,6 (2012)
[65] 斯宾塞,M.J。;Nayagam,D.A。;Clarey,J.C。;Paolini,A.G。;Meffin,H。;Burkitt,A.N。;Grayden,D.B.,《宽带起始抑制可以抑制听觉脑干中的频谱飞溅》,《公共科学图书馆·综合》,10,5,1-23(2015)
[66] Stein,W.,《能量学和na/k-atpase的设计原理》,J.Theor。生物学,147,2,145-159(1990)
[67] Tasaki,I。;贵霜,K。;Byrne,P.,与传播冲动相关的garfish嗅觉神经的快速机械和热变化,生物物理学。J.,55,6,1033-1040(1989)
[68] Trune,D.R.,新生儿耳蜗摘除对小鼠耳蜗核发育的影响:即其神经元的数量、大小和密度,J.Comparat。神经病学。,209, 4, 409-424 (1982)
[69] 温,Q。;Chklovskii,D.B.,《神经元形态的成本效益分析》,《神经生理学杂志》。,99, 5, 2320-2328 (2008)
[70] Willott,J。;Bross,L.,年轻和老龄C57BL/6J和CBA/j小鼠耳蜗核章鱼细胞区的形态学,j.Comp。神经病学。,300, 61-81 (1990)
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