VII Съезд биофизиков России
Краснодар, Россия
17-23 апреля 2023 г.
Главная
О Съезде
Организаторы
Программный комитет
Программа Съезда
Место проведения Съезда
Проживание
Оргвзносы
Основные даты
Регистрация
Публикации материалов Съезда
Молодежный конкурс
Контакты
Тезисы
English version
Партнеры Съезда
Правила оформления докладов

Программа Съезда

Секции и тезисы:

Биофизика сложных многокомпонентных систем. Математическое моделирование. Биоинформатика

Модель генерации и распространения потенциала действия, учитывающая зависимость ёмкости мембраны от напряжения

Х. Эрнандес-Касерес3, С.С. Джимак1,2, М.И. Дроботенко2*, Ю.Д. Нечипуренко4,5

1.Южный научный центр РАН;
2.Кубанский государственный университет;
3.Кубинский Центр Нейронаук;
4.Институт молекулярной биологии им. Энгельгардта РАН;
5.Севастопольский государственный университет;

* mdrobotenko(at)mail.ru

При возбуждении мембрана аксона изменяет свою толщину, и это механическое изменение сопровождает распространение потенциала действия. Это явление не рассматривается в классической модели Ходжкина-Хаксли (Х.Х.) [1], и ряд авторов представляет возбуждение нерва как механический солитон, движущийся по бислою аксона [2].

Оставаясь в концептуальных рамках модели Х.-Х. [3], мы рассмотрели возможность того, что изменение толщины мембраны является следствием механического давления, вызванного действием мембранного потенциала на мембрану. Учитывая известные значения модуля Юнга аксональной мембраны, эта возможность представляется реалистичной. Мы модифицировали уравнения Х.-Х, сделав емкость мембраны функцией мембранного потенциала. Был исследован широкий диапазон возможных параметров, а также возможность линейной и квадратичной зависимости емкости от мембранного потенциала. Мы получили следующие результаты:

1. Для широкого диапазона зависимости мембранной емкости от мембранного потенциала, наблюдали генерацию и распространение потенциала действия.

2. Зависимость емкости от мембранного потенциала привела к изменению амплитуды и скорости распространения импульса.

3. Форма потенциала действия практически не изменилась.

При помощи этой модели мы показали, что, используя правдоподобные предположения, можно получить распространяющийся потенциал действия, который сопровождается волной механической деформации без необходимости постулировать существование механического солитона.

Работа выполнена при финансовой поддержке государственного задания ЮНЦ РАН № 122020100351-9.

Литература

1. Hodgkin, A. L. and Huxley, A. F., “A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve,” J. Physiol., 117, 500–544 (1952c)

2. Heimburg, T., Jackson, A.D., 2005. On soliton propagation in biomembranes and nerves. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 102, 9790–9795. doi:10.1073/pnas.0503823102

3. Эрнандес Касерес Х.Л., Джимак С.С., Семенов Д.А., Дроботенко М.И., Нечипуренко Ю.Д. Модели, описывающие генерацию и проведение нервного импульса. Биофизика. 2022. Т. 67. № 4. С. 728-740.



Model of action potential generation and propagation, taking into account the dependence of the membrane capacitance on voltage

J. Hernandez-Caceres3, S.S. Dzhimak1,2, M.I. Drobotenko2*, Y.D. Nechipurenko4,5

1.Southern Scientific Centre of the RAS;
2.Kuban State University;
3.Cuban Center for Neurosciences;
4.Engelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of Sciences;
5.Sevastopol State University;

* mdrobotenko(at)mail.ru

During excitation, the axon membrane changes its thickness, and this mechanical change accompanies the propagation of the action potential. This phenomenon is not considered in the classical model of Hodgkin-Huxley (H.-H.) [1], and a number of authors represent nerve excitation as a mechanical soliton moving along the axon bilayer [2].

Remaining within the conceptual framework of the H.-H. model [3], we considered the possibility that changes in membrane thickness are a consequence of mechanical pressure caused by the action of the membrane potential on the membrane. Given the known values of the Young's modulus of the axonal membrane, this possibility seems realistic. We have modified the X.-X equations by making the membrane capacitance a function of the membrane potential. A wide range of possible parameters was investigated, as well as the possibility of a linear and quadratic dependence of the capacitance respect to the membrane potential. We obtained the following results:

1. For a wide range of dependence of membrane capacitance on membrane potential, the generation and propagation of action potentials were observed.

2. The dependence of the capacitance on the membrane potential led to a change in the amplitude and speed of the pulse propagation.

3. The shape of the action potential remained practically unchanged.

With this model, we showed that including plausible assumptions it is possible to obtain a propagating action potential that is accompanied by a mechanical deformation wave, with no need to postulate the existence of a mechanical soliton.

This work was supported by the state assignment of the SSC RAS No. 122020100351-9.

1. Hodgkin, A. L. and Huxley, A. F., “A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve,” J. Physiol., 117, 500–544 (1952c).

2. Heimburg, T., Jackson, A.D., 2005. On soliton propagation in biomembranes and nerves. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 102, 9790–9795. doi:10.1073/pnas.0503823102.

3. Caceres, J. L., Dzhimak, S. S., Semenov, D. A., Drobotenko, M. I., & Nechipurenko, Y. D. (2022). Models of Nerve Impulse Generation and Conduction. Biophysics, 67(4), 582-592.





Докладчик: Джимак С.С.
258
2023-02-02

Национальный комитет Российских биофизиков © 2022
National committee of Russian Biophysicists