Biyolojik nöral ağlarda latans dinamiklerinin analizi

Uyartım başlangıcından sonra ilk spayk latansı nöral fonksiyonların fizyolojisi için büyük önem taşımaktadır. Nöronlar girişleri hakkındaki bilgileri spayk trenlerine dönüştürerek iletmektedirler ve bu spayk trenlerinin zamanlaması da bilginin etkili bir şekilde kodlanmasında oldukça önemlidir. Nöral dinamiklerin temelini oluşturan rasgele süreçlerin ve belirsizliklerin, gürültü ile geciktirilmiş bozulma (NDD) denilen bir olgu olan ilk tepki süresine karşılık gelen zamanı arttırdığı gösterilmiştir. Bu doktora tez çalışmasında öncelelikle, stokastik iyon kanalları içeren biyofiziksel olarak daha gerçekçi olan bir Hodgkin-Huxley (H-H) nöron modelinin ilk spayk latansı üzerindeki gürültü ile geciktirilmiş bozulma etkisi (NDD) ve yinemeli ateşleme esnasındaki benzer etkileri araştırılmıştır. Bir stokastik H-H nöron modelinin ilk spayk zamanlamasındaki NDD etkisinin sadece eşiğin hemen üstündeki uyartımlar için oluştuğu gösterilmiştir. Eşik değere olan yakınlığın NDD etkisinin şiddetini belirlediği ve NDD etkisi oluştuğunda, hem latansın hem de zamansal salınımın büyük ölçüde arttığı tespit edilmiştir. Nöronun NDD etkisi nedeniyle ilk spaykları düşük zamansal hassasiyetle ateşlediği ve buna bağlı olarak, eşik-üstü ateşleme bölgesinde nöronun ilk spaykları özensiz bir şekilde ateşlediği belirlenmiştir. Ayrıca, ilk spayk zamanlaması üzerindeki NDD etkisinin oluşumunda hem sodyum inaktivasyonun hem de potasyum aktivasyonunun önemli bir rol oynadığı gösterilmiştir. Stokastik potasyum kanallarının sodyum kanallarına kıyasla bu etkiye daha fazla katkısı olduğu belirlenmiştir. Bunların yanı sıra; sıcaklık azalırken, NDD etkisinin azaldığı ve daha büyük gürültü şiddetlerinde (veya daha küçük hücre boyutlarında) ortaya çıktığı gösterilmiştir. Son olarak, bu çalışmada, ölçeksiz nöral ağlar dikkate alınarak, gürültü ile geciktirilmiş bozulma etkisi ağ seviyesinde incelenmiştir. NDD etkisi zayıf ve orta kuplaj şiddetleri için oluşurken, güçlü kuplaj şiddetlerinde bağlantı topolojisine bakılmaksızın ortadan kalktığı gösterilmiştir. Başka bir ifadeyle, nöronlar arasındaki etkileşimin yapısı tüm ağın tepki süresini kısaltabilecek bir potansiyelde olduğu bulunmuştur. Ortalama bağlantı derecesini artırmanın da hızlı bir tepkiyi desteklediği, fakat bunun kuplaj şiddetindeki artıştan daha az etkili olduğu belirlenmiştir. Harici sinyal frekansının ilişki düzeyi bakımından, NDD etkisinin uygun bir uyartım frekansının seçimiyle azaltılabileceği gösterilmiştir. Ağ seviyesinde de gürültü ile geciktirilmiş bozulmanın oluşumunda potasyum kanal gürültüsünün sodyum kanal gürültüsüne göre daha baskın bir rol oynadığı bulunmuştur. Ayrıca sıcaklık arttıkça, NDD etkisinin arttığı ve daha düşük gürültü güçlerinde (ya da daha büyük bir hücre boyutlarında) ortaya çıktığı belirlenmiştir.