果蠅感光細胞突觸上鈣離子促進組胺釋放模型.pdf

1、背景：
　　在相當長的一段時間內(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。計算機仿真技術和數(shù)學建模的興起使生物系統(tǒng)研究進入了一個新的時代，人們開始提出利用數(shù)學模型在計算機上對生命系統(tǒng)進行模擬和仿真，生物系統(tǒng)數(shù)學建模由此提出。生物系統(tǒng)數(shù)學建模方法的應用不僅極大地節(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識。果蠅由于其很有規(guī)則的復眼結構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)膜結構的眼，復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)的復眼層和四個進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。光子的接收和傳導是由神經(jīng)節(jié)層小眼內(nèi)的感光細胞上的微絨毛完成的，經(jīng)光傳導鏈轉(zhuǎn)換而成的電信號經(jīng)過離子通道的進一步放大傳遞到感光細胞突觸，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)控的分子反應鏈，稱為光傳導鏈，其基本過程如下:感光細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*激活細胞膜上的G蛋白生成G*，G*進一步激活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)流進入微絨毛產(chǎn)生電流，稱為光誘導電流。光誘導電流作用于細胞膜上的各種離子通道引起離子在細胞膜表面的流動，產(chǎn)生相應的離子電流和去

5、極化電壓。
　　去極化電壓傳遞到感光細胞突觸激活細胞膜上的鈣內(nèi)流通道和細胞內(nèi)的鈣離子釋放，各種來源的鈣離子共同作用于細胞膜上的囊泡促使其進行胞吐反應，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)知道了感光細胞和神經(jīng)節(jié)層的單極神經(jīng)元之間是依靠感光細胞突觸上釋放到突觸間隙的組胺進行信號傳遞的，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)學建模的方法對感光細胞突觸上組胺釋放和促進組胺釋放的鈣離子產(chǎn)生機制進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，其眼睛基本結構以及感光機制已經(jīng)有了比較清晰的認識。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)就會比較難以進行。
　　光信號經(jīng)過感光細胞微絨毛上光傳導鏈轉(zhuǎn)換為電信號之后，再經(jīng)過感光細胞胞體細胞膜上的各種離子電流作用對電信號進行進一步放大。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胞突觸細胞膜上的cacophony鈣通透性通道引起細胞膜上的鈣離子內(nèi)流，同時鈣離子的內(nèi)流促進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胞膜

8、上的SOC通道，鈣離子通過這些通道內(nèi)流進入細胞內(nèi)。各種來源的鈣離子共同作用于細胞膜上的囊泡，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胞突觸上組胺的釋放以及促進組胺釋放的各種機制進行建模，用數(shù)學模型將分子反應過程直觀的表現(xiàn)出來。本文有以下3個目的:
　　1.建立細胞內(nèi)鈣離子濃度的調(diào)控機制模型。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作用。
　　3.建立組胺對鈣離子抑制作用模型。
　　通過建立感光細胞突觸上鈣離子模型和組胺模型，可以直觀的看到細胞內(nèi)各種來源濃度鈣離子對組胺釋放的促進作用，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。本文模型的建立標志著光信號在感光細胞上的整個處理機制已全部可以用數(shù)學模型來揭示，作為感光細胞和視神經(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)元對感光細胞的反饋作用研究奠定了基礎。
　　方法：
　　在課題的研究過程中主要采用數(shù)學建模和計算機仿真的方法，而其中最主要的就是如何建立數(shù)學模型以及利用何種計算機軟件對模型進行仿真和分析。具體來說有5個方面:
　　系統(tǒng)的簡化:感光細胞產(chǎn)生的去極化電壓傳遞到細胞突觸時，引起膜上各種鈣離子通道上的鈣離子內(nèi)流和細胞內(nèi)的鈣離子釋放共同促進細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)流的同時激活細胞膜上的各種受體產(chǎn)生IP3，IP3從細胞膜上快速轉(zhuǎn)移到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)膜上并與其上的IP3R結合，促進內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)的鈣離子釋放進入細胞質(zhì)。當內(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)快速擴散到細胞膜

12、上，CIF到達細胞膜后激活膜上的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)流進入細胞內(nèi)。同時，細胞內(nèi)的鈣離子通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的SERCA通道和細胞膜上的PMCA通道分別流到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)和細胞外。最后，細胞膜上內(nèi)流的鈣離子和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放的鈣離子共同促進細胞膜上組胺的釋放。
　　非線性的處理:模型中各個參數(shù)之間存在復雜的關系和相互作用，很多不能直接用線性的關系表達，如組胺釋放對鈣離子的依賴，鈣離子促進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系表示的分子作用機制，我們采用常用的非線性關系表達式希爾函數(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)學建模中很關鍵的一個環(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)學模型那樣簡單，它不僅需要模型可以準確的仿真出想要的結果，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、礎上，對模型中的各個參數(shù)進行適當?shù)墓烙嫼驼{(diào)整，使模型可以仿真出預期的結果。
　　系統(tǒng)仿真:利用MATLAB軟件對模型進行編譯與仿真，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組胺的釋放。
　　結果：
　　根據(jù)已有的建模方法和從實驗得來的分子作用機制，建立了果蠅感光細

16、胞和椎板層細胞之間信號傳遞的模型，定量地研究了感光細胞突觸上神經(jīng)遞質(zhì)組胺的釋放調(diào)控機制。通過模型仿真，產(chǎn)生了以下結果，這些結果直觀的反映了感光細胞突觸上的不同來源的鈣離子共同促進組胺釋放。
　　1.感光細胞突觸內(nèi)鈣離子促進細胞膜上的組胺釋放，細胞膜上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)流是細胞內(nèi)鈣離子的主要來源，三種來源均會促進組胺釋放。
　　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