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Master's Dissertation
DOI
Document
Author
Full name
Leonardo Abdala Elias
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2010
Supervisor
Committee
Kohn, André Fábio (President)
Goroso, Daniel Gustavo
Vieira, Marcus Fraga
Title in Portuguese
Estudo por simulação computacional de modelos de motoneurônios com dendrito ativo em resposta a entradas sinápticas.
Keywords in Portuguese
Biestabilidade
Canal de cálcio do tipo L
Correntes persistentes
Integração sináptica
Modelos comportamentais
Abstract in Portuguese
Modelos matemáticos de motoneurônios têm sido desenvolvidos para auxiliar na compreensão dos fenômenos que envolvem o sistema neuromuscular. Entretanto, a maioria dos modelos já desenvolvidos baseou-se na premissa de que a árvore dendrítica tem um comportamento passivo, o que ocorre em animais anestesiados, mas pode não ocorrer durante o comportamento motor normal de um animal intacto. Experimentos com animais descerebrados, em que as vias monoaminérgicas encontravam-se ativas, mostraram que os motoneurônios podem apresentar comportamentos mais complexos decorrentes da presença de condutâncias iônicas voltagem-dependentes que se situam nos dendritos e são responsáveis pela gênese de uma corrente de entrada persistente. Nesse sentido, um primeiro objetivo deste trabalho foi o de desenvolver novos modelos matemáticos de motoneurônios de diferentes tipos (i.e. dos tipos S, FR e FF), computacionalmente eficientes e contendo em seus compartimentos dendríticos uma condutância de cálcio do tipo L, de forma que os fenômenos de biestabilidade, potencial platô e amplificação da corrente sináptica efetiva possam ser gerados. Um segundo objetivo foi o de verificar como a presença da condutância iônica ativa no dendrito influencia o comportamento motoneuronal quando o mesmo está sujeito a entradas sinápticas de diferentes tipos. Os novos modelos foram parametrizados baseando-se em dados da literatura experimental para motoneurônios de gatos descerebrados e validados segundo os protocolos experimentais básicos que permitem caracterizar cada tipo de modelo como sendo totalmente ou parcialmente biestável. As entradas sinápticas foram simuladas por processos pontuais de Poisson e os trens de potenciais de ação dos motoneurônios foram analisados. Uma modulação senoidal da intensidade do processo pontual foi usada para estimar as respostas em frequência de cada modelo. Observou-se que, funcionalmente, a presença da condutância iônica dendrítica pode favorecer a ação do motoneurônio durante tarefas posturais, pois, uma vez ativada, a corrente de entrada persistente eleva a excitabilidade motoneuronal tornando os disparos mais regulares, além de prover uma alta sensibilidade dos modelos a entradas sinápticas de baixa frequência, correspondentes às oscilações observadas durante a manutenção da postura ereta quieta.
Title in English
A computer simulation study of motoneuron models with active dendrites in response to synaptic inputs.
Keywords in English
Bistability
Compartmental models
L-type calcium channel
Persistent currents
Plateau potential
Abstract in English
Mathematical models of motoneurons have been developed as an aid to the understanding of phenomena involving the neuromuscular system, but most of these models have been based on the hypothesis of a passive dendritic tree. This holds for anesthetized animals but not necessarily during normal motor behavior of the intact animal. Experiments with decerebrate animals in which the monoaminergic tracts were maintained intact have shown that more complex behaviors may emerge in motoneurons due to dendritic voltage-gated ionic conductances, which are responsible for a persistent inward current. Therefore, the first aim of this work was to develop computationally-efficient new motoneuron models of different types (i.e. type S, FR and FF) that include a dendritic L-type calcium conductance so that bistability, plateau potential and enhancement of effective synaptic current may be generated. The second aim of this research was to evaluate the effects of the active dendritic ionic conductance on the input-output mapping of presynaptic to postsynaptic spike trains. The new models were parameterized based on data reported in experimental literature on the decerebrate cat preparation, and they were validated using appropriate protocols for either fully or partially bistable dynamics. The synaptic inputs were simulated by Poisson point processes and the output spike trains were analyzed. Sinusoidal modulation of the point process intensity was used for the estimation of each models frequency response. The results suggested that an active dendritic ionic conductance in motoneurons has a functional role during postural tasks, because, when activated, the persistent inward current enhances the motoneuronal excitability, reducing the variability of interspike intervals, and focusing the sensitivity of the models to low frequency inputs that correspond to the low-frequency oscillations that typically occur during quiet standing posture.
 
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Publishing Date
2010-05-19
 
WARNING: The material described below relates to works resulting from this thesis or dissertation. The contents of these works are the author's responsibility.
  • Elias, L.A., and KOHN, A. F. Individual and collective properties of computationally efficient motoneuron models of types S and F with active dendrites [doi:10.1016/j.neucom.2012.06.038]. Neurocomputing (Amsterdam) [online], 2013, vol. 99, p. 521-533.
  • Elias, L.A., Chaud, V.M., and KOHN, A. F. Models of passive and active dendrite motoneuron pools and their differences in muscle force control [doi:10.1007/s10827-012-0398-4]. Journal of Computational Neuroscience [online], 2012, p. 1-17.
  • ELIAS, Leonardo Abdala, and KOHN, André Fabio. Individual and collective properties of computationally efficient motoneuron models of types S and F with active dendrites [doi:10.1016/j.neucom.2012.06.038]. Neurocomputing [online], 2013, vol. 99, p. 521-533.
  • Elias, L.A., and KOHN, A. F. Single neuron and network models in force control. In 9th International Workshop on Neural Coding, Limassol, 2010. Abstract Book of the NC 2010.Nicosia : University of Cyprus, 2010. Abstract.
  • Elias, L.A., e KOHN, A. F. Influência de canais ativos dendríticos na variabilidade dos intervalos entre disparos em motoneurônios de baixo limiar: um estudo computacional. In 22o. Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica, Tiradentes, 2010. Anais do CBEB 2010.Rio de Janeiro : SBEB, 2010.
  • Elias, L.A., e KOHN, A. F. Integração sinátpica em modelo de motonerônio com dendrito ativo. In XXIV Reunião Anual da Federação de Sociedades de Biologia Experimental, Águas de Lindóia, 2009. Anais da FeSBE., 2009. Resumo.
  • Elias, L.A., e KOHN, A. F. Modelo matemático de motoneurônio tipo S com dendrito ativo. In Congresso Brasileiro de Biomecânica, São Paulo, 2009. Anais do 13o. Congresso Brasileiro de Biomecânica., 2009. Resumo.
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