神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)鈣系統(tǒng)的魯棒性研究.pdf

1、生物魯棒性是指在受到外部擾動或內(nèi)部參數(shù)攝動等小確定因素干擾時,生物系統(tǒng)保持其結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定的一種特性.目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)生物魯棒性普遍存在于生物系統(tǒng)整體、器官、細(xì)胞、分子等各種層次,如細(xì)菌趨化、細(xì)胞周期、細(xì)胞信號通訊、基因突變、生物發(fā)育、基岡網(wǎng)絡(luò)等等.產(chǎn)生生物魯棒性的作用機(jī)制主要是生物系統(tǒng)的反饋、冗余、模塊和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等.穩(wěn)定魯棒性和品質(zhì)魯棒性是生物魯棒性研究的兩個重要命題,數(shù)學(xué)模型是生物魯棒性研究的重要手段.認(rèn)識生物魯棒性對癌癥、AIDS、糖

2、尿病等疾病的發(fā)生、發(fā)展和治療有重要意義. 神經(jīng)元內(nèi)鈣系統(tǒng)是保證神經(jīng)元生存、生長、發(fā)育和行使細(xì)胞功能的核心系統(tǒng).細(xì)胞鈣代謝具有物質(zhì)交換的功能,鈣泵具有能量轉(zhuǎn)換的功能,鈣離了通道具有信息轉(zhuǎn)導(dǎo)的功能,神經(jīng)元內(nèi)鈣系統(tǒng)把物質(zhì)、能量和信息三大生命活動要素聯(lián)系在一起.因此,探究神經(jīng)元內(nèi)鈣系統(tǒng)在受到外部擾動或內(nèi)部參數(shù)攝動等不確定因素干擾時,如何保持其結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定對于認(rèn)識神經(jīng)元內(nèi)鈣系統(tǒng)奉質(zhì)的動態(tài)特性具有重要意義. 本文應(yīng)用激光共聚焦技術(shù)

3、實(shí)時測定神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)鈣的濃度.選取了谷氨酸作為神經(jīng)元內(nèi)鈣系統(tǒng)的外源擾動,測定了五種小同谷氨酸濃度干擾作用下細(xì)胞內(nèi)鈣的動態(tài)變化過程,并用Lyapunov穩(wěn)定性理論和非線性系統(tǒng)狀態(tài)圖分析方法,分析了神經(jīng)元內(nèi)鈣系統(tǒng)在谷氨酸外源擾動下的穩(wěn)定魯棒性.通過對谷氨酸擾動的神經(jīng)元內(nèi)鈣離了穩(wěn)定魯棒性分析,我們獲得了以下兩點(diǎn)結(jié)果: 1.神經(jīng)元內(nèi)鈣系統(tǒng)在塒抗不同濃度谷氨酸擾動時,鈣離了濃度的變化形式不同,細(xì)胞內(nèi)鈣系統(tǒng)的穩(wěn)定魯棒性也不同.在5 μmol

4、/t低濃度的谷氨酸擾動下,鈣離子濃度能維持在穩(wěn)定的平衡態(tài),神經(jīng)元內(nèi)鈣系統(tǒng)的穩(wěn)定魯棒性較強(qiáng).當(dāng)谷氨酸濃度升高為10 μmol/l,神經(jīng)元鈣離子濃度變化出現(xiàn)緩慢的鈣振蕩,這種振蕩形式在Lyapunov意義下是魯棒穩(wěn)定的.當(dāng)谷氨酸濃度升高到50 μmol/l,神經(jīng)元出現(xiàn)鈣峰型鈣振蕩,振蕩幅度增高,振蕩頻率加快,鈣離子濃度從穩(wěn)定的平衡態(tài)過渡到極限環(huán)狀態(tài)然后又回到穩(wěn)定的平衡態(tài).這時雖然鈣離了濃度偏離范圍較大,但是仍然能回到初始平衡態(tài),神經(jīng)元內(nèi)鈣系

5、統(tǒng)仍然是魯棒穩(wěn)定的,并且是L,yapunov漸近穩(wěn)定的.當(dāng)谷氨酸濃度升高到500 μmol/l時,神經(jīng)元無鈣振蕩出現(xiàn),細(xì)胞狀態(tài)趨向于凋亡或者死亡,神經(jīng)元內(nèi)鈣系統(tǒng)的穩(wěn)定魯棒性被破壞. 2.神經(jīng)元胞內(nèi)鈣系統(tǒng)穩(wěn)定魯棒性不僅與谷氨酸作用濃度有關(guān),還與神經(jīng)元初始鈣離子濃度相關(guān).在初始鈣離了濃度較高的神經(jīng)元中,神經(jīng)元鈣系統(tǒng)的穩(wěn)定魯棒性較弱,而在初始鈣離子濃度較低的神經(jīng)元中,神經(jīng)元鈣系統(tǒng)的穩(wěn)定魯棒性較強(qiáng).因此,控制神經(jīng)元細(xì)胞外谷氨酸濃度和保持