Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η εφαρμογή ενός βιοφυσικού μοντέλου μονού νευρώνα για τη διερεύνηση των ενεργών ιδιοτήτων που αποτελούν τη βάση των δενδριτικών υπολογισμών στους φλοιώδεις νευρώνες του ανθρώπινου στρώματος 2 και 3 (L2 / 3) με τη χρήση της άλγεβρας Μπούλ. Λόγω της εξελικτικής πίεσης, ο ανθρώπινος φλοιός κατά τη διάρκεια περιόδων ετών απέκτησε δύο κύριες ιδιότητες. Πρώτον, είναι εξαιρετικά παχύς, ειδικά τα L2 / 3 υπερκοκκώδη στρώματα, και, δεύτερον, έχει τεράστιες δενδριτικές αποφυάδες που λαμβάνουν πολλές συναπτικές εισροές. Τα πειραματικά δεδομένα για να ταιριάζουν στο μοντέλο παρήχθησαν από ταυτόχρονες σωματο-δενδριτικές καταγραφές με αμπερόμετρο κυτταρικού εμβαλώματος και απεικόνιση δύο φωτονίων από τον Dr. Albert Gidon (Larkum Lab, Humboldt Universität, Βερολίνο). Οι ερευνητές παρατήρησαν ένα γρήγορο δενδριτικό δυναμικό ενεργείας του ασβεστίου (dCaAP), με προηγουμένως άγνωστες δραστικές ιδιότητες. Αυτό το δενδριτικό δυναμικό ενεργείας συμβάλλει στο ρεπερτόριο των μετασχηματισμών των ανθρώπινων νευρώνων του στρώματος L2 / 3, από τις συναπτικές εισόδους στα δυναμικά ενεργείας (APs). Η δενδριτική αυτή συνάρτηση ενεργοποίησης, δηλαδή το εύρος αυτών των dCaAPs ως συνάρτηση της έντασης του τρέχoντος ρεύματος στον δενδρίτη, ρυθμίζεται απότομα σε μια βέλτιστη είσοδο και καταστέλλεται προοδευτικά για ισχυρότερες εισόδους. Αυτό έδειξε ότι οι δενδρίτες των ανθρώπινων L2 / 3 νευρώνων είναι εγγενώς ικανοί να υπολογίζουν συναρτήσεις αντι-σύμπτωσης όπως η λογική πύλη XOR. Για να επεκταθεί αυτή η υπολογιστική προσέγγιση μοντελοποίησης, ερευνήθηκε υπό ποιες συνθήκες (όπως ο αριθμός και ο τύπος των συναπτικών εισροών) άλλες συναρτήσεις ενεργοποίησης από την άλγεβρα Μπούλ μπορούν να υλοποιηθούν. Κατά την εφαρμογή του συζευγμένου τρόπου, που σημαίνει ότι η δενδριτική απόκριση ξεκινά και σωματική απόκριση στο νευρώνα, υλοποιήθηκαν όλες οι λογικές πύλες εκτός από τις αρνητικές. Είναι ενδιαφέρον ότι, όταν εφαρμόστηκε ο μη συνδεδεμένος τρόπος, με μόνο την δενδριτική απόκριση, όλες οι λογικές πύλες, συμπεριλαμβανομένων και των αρνητικών, υλοποιήθηκαν. Αυτό υποδηλώνει ότι οι δενδρίτες στους ανθρώπινους φλοιώδεις νευρώνες επεκτείνουν την υπολογιστική ισχύ των νευρώνων ακόμη και για να εκτελέσουν αρνητικούς υπολογισμούς και να δώσουν στοιχεία για μια τεκμηριωμένη δενδριτο-κεντρική θεωρία της νευρωνικής λειτουργίας. Γι αυτό, είναι σημαντικό να διερευνηθεί η ισχύ αυτών των δενδριτικών υπολογισμών. Το μοντέλο επίσης διερευνά ποια είναι η συμβολή των κορυφαίων και βασικών δενδριτών του μονού νευρώνα στο στρώμα L2 / 3 όταν διεγείρεται μόνο η βασική υποπεριοχή και υπό συγκεκριμένες συνθήκες της δραστηριότητας που προκαλεί ο υποδοχέας Ν-μεθυλο-ϋ-ασπαρτικό (NMDA). Μελλοντική δουλειά περιλαμβάνει περαιτέρω διερεύνηση του υπολογιστικού και του κυτταρικού υποστρώματος, π.χ. των ακάνθων και των μορφολογικών χαρακτηριστικών των ανθρώπινων φλοιωδών νευρώνων, προς μια πιο διεξοδική λειτουργική εφαρμογή αυτού του νέου μηχανισμού δενδριτικής ενεργοποίησης ως παράγοντα που συμβάλλει στην ανθρώπινη αντίληψη
(EL)
The purpose of this thesis is to implement a biophysical detailed single neuron model to investigate the active properties that underlie the dendritic computations in human layer 2 and 3 (L2/3) cortical neurons with the usage of Boolean Algebra. Due to evolutionary pressure, the human cortex over periods of years gained two major properties. First, it is extraordinary thick, especially the L2/3 supragranular layers, and, second, it has vast dendritic trees receiving numerous synaptic inputs. The experimental data to fit the model were produced by dual somato-dendritic patch clamp and two-photon imaging from Dr. Albert Gidon (Larkum Lab, Humboldt Universität, Berlin). They observed a fast dendritic calcium action potential (dCaAP), with previously unknown active properties. This dendritic action potential contributes to the repertoire of transformations from synaptic inputs to action potentials (APs) in human L2/3 neurons. The dendritic activation function, namely, the amplitude of those dCaAPs’ as a function of the intensity of the current injection in the dendrite, was sharply tuned to an optimal input and progressively suppressed for stronger inputs. This indicated that dendrites of human L2/3 neurons are intrinsically capable of computing anti-coincidence functions like the XOR. To expand this computational modeling approach, it was investigated under which conditions (such as number and type of synaptic inputs) other activations functions from Boolean Algebra can be implemented. When implementing the coupled mode, meaning that dendritic response initiated somatic spikes, the latter was able to reproduce all logical operations except the negative ones. Interestingly, when implementing the uncoupled one with only the dendritic response, all logical operations including the negative ones were reproduced. These suggest that dendrites in human cortical neurons expand the computational power of neurons even to perform negative computations and provide evidence for a dendrite-centered theory of neuronal function. Thus, is important to investigate the capacity of these dendritic computations. The model also investigates what is the contribution of apical and basal dendrites of the L2/3 single neuron when only the basal sub-region is stimulated and under specific conditions of N- methyl-D-aspartate receptor (NMDA) spiking activity. Future work involves further investigation of the computation and cellular substrate, e.g. spines and morphological features of the human cortical neurons, towards a more thorough functional application of this novel dendritic activation mechanism to human cognition.
(EN)
