Целью данной работы является моделирование локального полевого потенциала (ЛПП), соответствующего распространяющейся деполяризации (РД), индуцируемой эпипиальной апликацией калий-хлора [1]. Для этой цели использовали систему NEURON Python и экстраклеточный модуль [2], которые позволяют воспроизводить особенности функционирования одиночных нейронов и вычислять изменения макроскопических параметров моделируемого пространства (концентрации ионов, потенциалы и т.п.).

Для воспроизведения эффекта эпипиальной аппликации калий-хлора были использованы следующие параметры и настройки модели: размер пространства 1600х1000х1000 мкм с граничными условиями Неймана, включены все соответствующие работе нейрона параметры. Плотность нейронов 90000 на мм3. Эпипиальную аппликацию имитировали путём задания болюса калия на одной из границ пространства. ЛПП вычислялся из суммарных трансмембранных токов калия и натрия на основе биофизической модели, реализованной в NEURON. Учитывались потенциалы действия нейронов, расположенных на расстоянии не более 200 микрометров от каждого электрода [3].

Было проведено сравнение динамики локального потенциала при поверхностном расположении калия с результатами in vivo регистрации внеклеточного потенциала в коре мозга крысы при эпипиальной аппликации калий-хлора. Общая динамика характерного параметра – значения ЛПП – соответствует экспериментальным наблюдениям. Среднее значение амплитуды РД составляет ~ -22 мВ, что согласуется с экспериментом. Скорость вертикального распространения РД данных ЛПП составляет 60 мм/мин, что также соответствует экспериментальным данным [1]

Планируется дальнейшее моделирование сети нейронов с добавлением внешнего источника стимуляции током в частотном диапозоне эпилептических паттернов.

Список литературы

1. Nasretdinov A., Lotfullina N., Vinokurova D. et al. Direct current coupled recordings of cortical spreading depression using silicone probes // Front. cell. neurosci. 2017. № 11. P 408

2. Newton A.J.H, McDougal R.A., Hines M.L., Lytton W.W. Using NEURON for reaction-diffusion modeling of extracellular dynamics // Front. neuroinformatics. 2018. № 12. P 41

3. De Schutter, E. E. Computational Modeling Methods for Neuroscientists. Cambridge. 2009

The aim of this work is to model the local field potential (LFP) corresponding to the spreading depolarization (SD) induced by the epipial application of potassium chloride [1]. For this purpose, we used the NEURON Python system and an extracellular module [2], which allow us to reproduce the features of the functioning of single neurons and calculate changes in the macroscopic parameters of the simulated space (ion concentrations, potentials, etc.).

To reproduce the effect of the epipial application of potassium chloride, the following parameters and model settings were used: the size of the space is 1600x1000x1000 µm with the Neumann boundary conditions, all parameters corresponding to the operation of the neuron are included. The density of neurons is 90,000 per mm3. An epipial application was imitated by setting a potassium bolus at one of the space boundaries. LFP was calculated from the total transmembrane currents of potassium and sodium based on the biophysical model implemented in NEURON. The action potentials of neurons located at a distance of no more than 200 micrometers from each electrode were taken into account [3].

The dynamics of the local potential was compared with the results of in vivo recording of the extracellular potential in the rat cerebral cortex during epipial application of potassium chloride. The general dynamics of the characteristic parameter, the LFP value, corresponds to experimental observations. The average value of the SD amplitude is ~ -22 mV, which agrees with the experiment. The speed of vertical propagation of the SD of these LFP is 60 mm/min, which also corresponds to the experimental data [1]

Further modeling of the neuron network is planned with the addition of an external source of current stimulation in the frequency range of epileptic patterns.

Bibliography

1. Nasretdinov A., Lotfullina N., Vinokurova D. et al. Direct current coupled recordings of cortical spreading depression using silicone probes // Front. cell. neurosci. 2017. № 11. P 408

2. Newton A.J.H, McDougal R.A., Hines M.L., Lytton W.W. Using NEURON for reaction-diffusion modeling of extracellular dynamics // Front. neuroinformatics. 2018. № 12. P 41

3. De Schutter, E. E. Computational Modeling Methods for Neuroscientists. Cambridge. 2009