بررسی اثر کانال BK در فرکانس آتش کردن سلول پورکنژ مخچه با استفاده از شبیه‌سازی کامپیوتری

نوع مقاله : Original Article(s)

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی پزشکی، دانشکده‌ی فنی و مهندسی، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران

2 استادیار، گروه مهندسی پزشکی، دانشکده‌ی فنی و مهندسی، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران

3 استاد، مرکز تحقیقات علوم اعصاب و گروه فیزیولوژی، دانشکده‌ی پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی شهید بهشتی، تهران، ایران

چکیده

مقدمه: کانال BK (Big Ca2+-activated K+ channel) جزء کانال‌های پتاسیمی وابسته به کلسیم می‌باشد که نسبت به سایر کانال‌های این دسته دارای رسانایی بالاتری است. این کانال‌ها در غشای بسیاری از نورون‌ها از جمله سلول‌های پورکنژ مخچه وجود دارند. آزمایشات بسیاری به منظور بررسی نقش این کانال‌ها در فعالیت الکتریکی سلول پورکنژ انجام شده است. در این آزمایشات از ایبریوتوکسین استفاده شده است که مسدودکننده‌ی اختصاصی کانال BK می‌باشد، اما آزمایشات نتایج یکسانی برای اثر انسداد کانال BK در فرکانس فعالیت الکتریکی سلول پورکنژ گزارش نکرده‌اند. بنابراین در این تحقیق، از شبیه‌سازی کامپیوتری برای بررسی نقش کانال BK در فعالیت الکتریکی سلول پورکنژ استفاده شد. روش‌ها: برای شبیه‌سازی سلول پورکنژ از دو مدل واقع‌گرای ارائه شده برای سلول پورکنژ استفاده شد که در یکی از این مدل‌ها درخت دندریتی در نظر گرفته نشد و در مدل دیگر درخت دندریتی سلول پورکنژ در نظر گرفته شد. شبیه‌سازی‌ها با استفاده از نرم‌افزار نورون نسخه‌ی 1/7 انجام شد. یافته‌ها: شبیه‌سازی با استفاده از مدل تک قسمتی (بدون دندریت‌) نشان داد که انسداد کانال BK، فرکانس آتش کردن سلول پورکنژ را اندکی افزایش داد و فرکانس از 40 به 45 هرتز تغییر کرد. شبیه‌سازی با مدل چند قسمتی که علاوه بر سوما شامل دندریت‌ها نیز بود، نشان داد که انسداد کانال BK اسپایک‌های کلسیمی را از بین ‌برد، در حالی که اسپایک‌های سدیمی تغییر چندانی نکردند. نتیجه‌گیری: نتایج حاصل از شبیه‌سازی‌ها نشان داده‌اند که انسداد کانال BK اثر قابل توجهی در فرکانس آتش کردن تونیک سلول پورکنژ ندارد. شبیه‌سازی‌ها نشان دادند که کانال‌های BK دندریتی نسبت به کانال‌های BK سوما نقش بیشتری در آتش کردن سلول پورکنژ دارند. واژگان کلیدی: سلول پورکنژ، کانال پتاسیمی فعال شونده با کلسیم، پتانسیل اسپایکی

عنوان مقاله [English]

Investigating the Contribution of BK Channel in the Firing Activity of Cerebellar Purkinje Cells Using Computer Simulation

نویسندگان [English]

  • Samira Abbasi 1
  • Amin Mahnam 2
  • Mehdi Edrisi 2
  • Mahyar Janahmadi 3
1 MSc Student, Department of Biomedical Engineering, School of Engineering, University of Isfahan, Isfahan, Iran
2 Assistant Professor, Department of Biomedical Engineering, School of Engineering, University of Isfahan, Isfahan, Iran
3 Professor, Neuroscience Research Center AND Department of Physiology, School of Medicine, Shahid Beheshti University of Medical Sciences, Tehran, Iran
چکیده [English]

Background: BK channels are highly conductive calcium (Ca2+)-activated potassium (K+) channels. These channels are available on the membrane of many types of neurons including cerebellar Purkinje cells. Several experimental studies have used iberiotoxin, a BK-specific channel blocker, to investigate the role of BK channels on electrophysiological behavior of Purkinje cells. Due to controversial results of mentioned research, we used computer simulation to assess the functional contribution of BK channels to the firing activity of Purkinje cells. Methods: Two realistic models of Purkinje cells with and without dendritic branches were used to investigate the functional contribution of BK channel to the firing activity of Purkinje cells. The simulations were performed in NEURON 7.1 simulator. Findings: The simulations using single compartment model (without dendritic branches) demonstrated that blocking BK channels slightly increased firing rate from 40 to 45 Hz. Simulation with the multi-compartmental model, which included the dendrites as well as the soma, showed that blocking BK channels abolished Ca2+ spikes while sodium (Na+) spikes remained unchanged. Conclusion: The results obtained from simulations indicated that blocking BK channels has no significant effect on the tonic firing rate of Purkinje cells. Simulations also showed that dendritic BK channels have more effect on firing behavior of Purkinje cells compared with somatic BK channels. Keywords: Purkinje cell, Calcium-activated potassium channel, Spike potential