果蠅感光細(xì)胞突觸上鈣離子促進(jìn)組胺釋放模型.pdf

1、背景：
　　在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)人們對生物體的研究主要是依靠實驗進(jìn)行的，即使是現(xiàn)在實驗也是一種重要的研究手段。但是，隨著對生物研究的不斷深入，尤其是研究涉及到微觀層面，如細(xì)胞、神經(jīng)等的一些定量研究時，僅僅依靠實驗來完成就比較困難。計算機(jī)仿真技術(shù)和數(shù)學(xué)建模的興起使生物系統(tǒng)研究進(jìn)入了一個新的時代，人們開始提出利用數(shù)學(xué)模型在計算機(jī)上對生命系統(tǒng)進(jìn)行模擬和仿真，生物系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模由此提出。生物系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模方法的應(yīng)用不僅極大地節(jié)約了實驗成本，也

2、使人們在生物微觀層面的研究更加的簡便易行。
　　脊椎動物和無脊椎動物視覺系統(tǒng)的研究已經(jīng)有很長的歷史且從宏觀和微觀方面都對它們有了一定的認(rèn)識。果蠅由于其很有規(guī)則的復(fù)眼結(jié)構(gòu)常作為無脊椎動物視覺系統(tǒng)研究的一個理想模型。果蠅復(fù)眼是由約750個相同的六邊形小眼按照一定規(guī)則組合而成的，不同于脊椎動物具有視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)的眼，復(fù)眼可以更好的接收光信號且視覺范圍更大，但是分辨率卻低于單眼。果蠅眼睛由一個也稱之為神經(jīng)節(jié)的復(fù)眼層和四個進(jìn)行信號處理的視葉層，

3、即神經(jīng)節(jié)層(lamina)、外髓(medulla)、內(nèi)髓板(lobula plate)和內(nèi)髓(lobula)，五部分組成。光子的接收和傳導(dǎo)是由神經(jīng)節(jié)層小眼內(nèi)的感光細(xì)胞上的微絨毛完成的，經(jīng)光傳導(dǎo)鏈轉(zhuǎn)換而成的電信號經(jīng)過離子通道的進(jìn)一步放大傳遞到感光細(xì)胞突觸，突觸釋放神經(jīng)遞質(zhì)經(jīng)突觸間隙將信號傳遞到神經(jīng)節(jié)層的單極神經(jīng)元(L1，L2)，接著信號由神經(jīng)節(jié)層層神經(jīng)元繼續(xù)傳遞到外髓層上的神經(jīng)元，最后信號被傳遞到內(nèi)髓板和內(nèi)髓進(jìn)行最后的處理加工。
　

4、　光電信號的轉(zhuǎn)換是由磷酸肌醇鏈調(diào)控的分子反應(yīng)鏈，稱為光傳導(dǎo)鏈，其基本過程如下:感光細(xì)胞微絨毛吸收光子后，基態(tài)視紫質(zhì)(R)轉(zhuǎn)變?yōu)榧せ顟B(tài)視紫質(zhì)（M*），M*激活細(xì)胞膜上的G蛋白生成G*，G*進(jìn)一步激活PLC。PLC水解PIP2生成IP3和DAG，DAG參與到鈣通透性TRP和TRP1通道的激活過程，通道打開允許鈣離子內(nèi)流進(jìn)入微絨毛產(chǎn)生電流，稱為光誘導(dǎo)電流。光誘導(dǎo)電流作用于細(xì)胞膜上的各種離子通道引起離子在細(xì)胞膜表面的流動，產(chǎn)生相應(yīng)的離子電流和去

5、極化電壓。
　　去極化電壓傳遞到感光細(xì)胞突觸激活細(xì)胞膜上的鈣內(nèi)流通道和細(xì)胞內(nèi)的鈣離子釋放，各種來源的鈣離子共同作用于細(xì)胞膜上的囊泡促使其進(jìn)行胞吐反應(yīng)，釋放組胺作為神經(jīng)遞質(zhì)刺激突觸后端單極神經(jīng)元上的組胺依賴型氯通道，引起后級神經(jīng)元的興奮完成信號在感光細(xì)胞和單極神經(jīng)元之間的傳遞。
　　雖然我們已經(jīng)知道了感光細(xì)胞和神經(jīng)節(jié)層的單極神經(jīng)元之間是依靠感光細(xì)胞突觸上釋放到突觸間隙的組胺進(jìn)行信號傳遞的，但是組胺是如何釋放到突觸間隙的以及鈣離

6、子是怎樣促進(jìn)組胺釋放的尚沒有一個明確的分析和研究。若是通過實驗方法進(jìn)行研究，不僅需要耗費大量的人力物力，實驗本身的難度就是一個很大的挑戰(zhàn)。因此，用數(shù)學(xué)建模的方法對感光細(xì)胞突觸上組胺釋放和促進(jìn)組胺釋放的鈣離子產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行研究是一種有效的手段。
　　目的及意義：
　　果蠅作為無脊椎動物視覺系統(tǒng)研究的一個常用模型，其眼睛基本結(jié)構(gòu)以及感光機(jī)制已經(jīng)有了比較清晰的認(rèn)識。果蠅的視覺信號最終要通過神經(jīng)系統(tǒng)傳遞到大腦進(jìn)行最后的處理及反饋，這時

7、通過實驗來研究信號傳遞及反饋系統(tǒng)就會比較難以進(jìn)行。
　　光信號經(jīng)過感光細(xì)胞微絨毛上光傳導(dǎo)鏈轉(zhuǎn)換為電信號之后，再經(jīng)過感光細(xì)胞胞體細(xì)胞膜上的各種離子電流作用對電信號進(jìn)行進(jìn)一步放大。經(jīng)過光電信號轉(zhuǎn)換和電壓放大處理產(chǎn)生的去極化電壓作用于感光細(xì)胞突觸細(xì)胞膜上的cacophony鈣通透性通道引起細(xì)胞膜上的鈣離子內(nèi)流，同時鈣離子的內(nèi)流促進(jìn)IP3的生成和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的IP3R通道打開，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣離子釋放。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣離子濃度低于一定額閾值時又會激活細(xì)胞膜

8、上的SOC通道，鈣離子通過這些通道內(nèi)流進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。各種來源的鈣離子共同作用于細(xì)胞膜上的囊泡，促使囊泡發(fā)生胞吐作用釋放神經(jīng)遞質(zhì)組胺。
　　本文就是要對感光細(xì)胞突觸上組胺的釋放以及促進(jìn)組胺釋放的各種機(jī)制進(jìn)行建模，用數(shù)學(xué)模型將分子反應(yīng)過程直觀的表現(xiàn)出來。本文有以下3個目的:
　　1.建立細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度的調(diào)控機(jī)制模型。主要包括cacophony通道鈣離子內(nèi)流模型、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣離子釋放模型、SOC通道鈣離子內(nèi)流模型
　　2.建立組

9、胺釋放模型。揭示不同來源的鈣離子對組胺釋放的促進(jìn)作用。
　　3.建立組胺對鈣離子抑制作用模型。
　　通過建立感光細(xì)胞突觸上鈣離子模型和組胺模型，可以直觀的看到細(xì)胞內(nèi)各種來源濃度鈣離子對組胺釋放的促進(jìn)作用，也揭示了組胺對鈣離子內(nèi)流的抑制作用主要是對cacophony通道的抑制。本文模型的建立標(biāo)志著光信號在感光細(xì)胞上的整個處理機(jī)制已全部可以用數(shù)學(xué)模型來揭示，作為感光細(xì)胞和視神經(jīng)節(jié)上單極神經(jīng)元之間的神經(jīng)遞質(zhì)，組胺釋放模型的確立為單

10、極神經(jīng)元(L1、L2)上的組胺依賴型氯通道的激活以及L1、L2神經(jīng)元對感光細(xì)胞的反饋作用研究奠定了基礎(chǔ)。
　　方法：
　　在課題的研究過程中主要采用數(shù)學(xué)建模和計算機(jī)仿真的方法，而其中最主要的就是如何建立數(shù)學(xué)模型以及利用何種計算機(jī)軟件對模型進(jìn)行仿真和分析。具體來說有5個方面:
　　系統(tǒng)的簡化:感光細(xì)胞產(chǎn)生的去極化電壓傳遞到細(xì)胞突觸時，引起膜上各種鈣離子通道上的鈣離子內(nèi)流和細(xì)胞內(nèi)的鈣離子釋放共同促進(jìn)細(xì)胞膜上囊泡的組胺釋放，

11、參與到該過程的分子很多，其中的一部分僅是作為介質(zhì)存在的，在建立模型時我們只取參與到各個過程的關(guān)鍵分子。通過系統(tǒng)的簡化，我們得到一個簡化的分子模型:去極化電壓首先引起細(xì)胞膜上電壓門控型鈣離子通道的開放，鈣離子內(nèi)流的同時激活細(xì)胞膜上的各種受體產(chǎn)生IP3，IP3從細(xì)胞膜上快速轉(zhuǎn)移到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)膜上并與其上的IP3R結(jié)合，促進(jìn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)的鈣離子釋放進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)。當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的鈣離子濃度低于一定的閾值時，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的鈣內(nèi)流因子(CIF)快速擴(kuò)散到細(xì)胞膜

12、上，CIF到達(dá)細(xì)胞膜后激活膜上的SOC通道（一種庫操縱性鈣離子通道），鈣離子經(jīng)由這些通道內(nèi)流進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。同時，細(xì)胞內(nèi)的鈣離子通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的SERCA通道和細(xì)胞膜上的PMCA通道分別流到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)和細(xì)胞外。最后，細(xì)胞膜上內(nèi)流的鈣離子和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放的鈣離子共同促進(jìn)細(xì)胞膜上組胺的釋放。
　　非線性的處理:模型中各個參數(shù)之間存在復(fù)雜的關(guān)系和相互作用，很多不能直接用線性的關(guān)系表達(dá)，如組胺釋放對鈣離子的依賴，鈣離子促進(jìn)組胺的釋放主要是通過調(diào)控囊

13、泡的活性，而囊泡的活性是一個固有的特性，鈣離子濃度達(dá)到一定的水平時囊泡的活性不會持續(xù)的增加，這種情況下就不能用一個簡單的線性模型來表示。對于不能用簡單線性關(guān)系表示的分子作用機(jī)制，我們采用常用的非線性關(guān)系表達(dá)式希爾函數(shù)來處理。
　　數(shù)值解方法:我們建立的模型是由簡單的一階微分方程組組成的，MATLAB中提供了一些常用的微分方程求數(shù)值解函數(shù)，定步長函數(shù)如ode23、ode45等，以及變步長函數(shù)ode23s等。但是無論定步長求解函數(shù)還是

14、變步長求解函數(shù)都不能滿足我們的需求，因此無法直接簡單的調(diào)用系統(tǒng)固有的函數(shù)來求數(shù)值解。我們利用matlab將變步長求解函數(shù)用程序編寫出來，可以自己控制步長和誤差，得到符合期望的數(shù)值解。
　　參數(shù)估計:參數(shù)估計是數(shù)學(xué)建模中很關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，可以直接影響到一個模型的好壞。對于生物模型的參數(shù)估計不像一般數(shù)學(xué)模型那樣簡單，它不僅需要模型可以準(zhǔn)確的仿真出想要的結(jié)果，參數(shù)也要與生物系統(tǒng)的生理特性相符，不能完全脫離生物實驗數(shù)據(jù)。在生物實驗數(shù)據(jù)的基

15、礎(chǔ)上，對模型中的各個參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓烙嫼驼{(diào)整，使模型可以仿真出預(yù)期的結(jié)果。
　　系統(tǒng)仿真:利用MATLAB軟件對模型進(jìn)行編譯與仿真，觀察系統(tǒng)中各變量的動態(tài)特性。通過比較不同條件下的變量響應(yīng)特性揭示某一參數(shù)或變量在系統(tǒng)整體功能中的作用，如通過比較有無內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣離子釋放情況下的細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度動態(tài)變化可以得出內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣離子釋放也參與促進(jìn)組胺的釋放。
　　結(jié)果：
　　根據(jù)已有的建模方法和從實驗得來的分子作用機(jī)制，建立了果蠅感光細(xì)

16、胞和椎板層細(xì)胞之間信號傳遞的模型，定量地研究了感光細(xì)胞突觸上神經(jīng)遞質(zhì)組胺的釋放調(diào)控機(jī)制。通過模型仿真，產(chǎn)生了以下結(jié)果，這些結(jié)果直觀的反映了感光細(xì)胞突觸上的不同來源的鈣離子共同促進(jìn)組胺釋放。
　　1.感光細(xì)胞突觸內(nèi)鈣離子促進(jìn)細(xì)胞膜上的組胺釋放，細(xì)胞膜上cacophony通道鈣離子內(nèi)流、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣離子釋放和SOC通道鈣離子內(nèi)流是細(xì)胞內(nèi)鈣離子的主要來源，三種來源均會促進(jìn)組胺釋放。
　　2.釋放到突觸間隙的組胺對鈣離子內(nèi)流產(chǎn)生抑制作用