Astrositin presinaptik nöronun ateşleme davranışına ve eşik altı sinyal algılama performansına etkileri
The effects of an astrocyte on firing behavior and the weak signal detection performance of a presynaptic neuron
Yazar: TUĞBA PALABAŞ
Danışman: PROF. DR. MUHAMMET UZUNTARLA
Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Son yıllarda ortaya konan bulgular, glial hücrelerin bir türü olan astrositlerin nöronlar ve sinapslar için yalnızca yapısal destek sağlamakla kalmayıp, aynı zamanda nöronal aktiviteye yanıt verdiklerini ve sinir sisteminin işleyişini anlamak için dikkate alınması gereken önemli biyolojik unsurlar olduklarını göstermişlerdir. Çeşitli bilişsel fonksiyonların modülasyonunda, korteksteki nöronal iletişimin düzenlemesinde ve daha birçok nöral olguda astrositlerin kritik katkılarının olduğu artık kabul edilmektedir. Ancak, bu özel glial hücre türünün sinir sisteminde sinyal algılamadaki ve bilgi işlemedeki potansiyel rolü henüz tam olarak ortaya konmamıştır. Sözü edilen bu belirsizliğe ışık tutmak için, bu çalışmada bir nöron ve bir astrosit içeren ikili sinaps modeli kullanılarak astrositin, nöron dinamiklerine etkileri hesaplamalı olarak araştırılmıştır. İlk olarak, nöronun ateşleme aktivitesi üzerindeki etkisi incelenerek, astrositin nöron ateşleme davranışında farklı ateşleme modlarının oluşumunu sağlayan ve bu modların dinamiklerini kontrol eden bir tür çok kararlılık modülatörü olabileceği gösterilmiştir. Daha sonra, nöronun zayıf sinyal algılama yeteneğini inceleyen fizyolojik bir mekanizma olarak bilinen stokastik rezonans (SR) olgusu, astrositik etkinin altında tekrar ele alınmıştır. Nöron-astrosit etkileşimi varlığında, nöronun dikkat çeken farklı SR dinamikleri sergilediği gösterilmiştir. Daha spesifik olarak ifade edilecek olursa, astrosit varlığında nöronun zayıf sinyal algılamada iki farklı optimum gürültü seviyesinde maksimum performans gösterdiği ortaya konmuştur. Çift stokastik rezonans (ÇSR) olgusu olarak adlandırılan bu davranışın, astrositin iç dinamikleri ile kontrol edilebileceği gösterilerek altında yatan mekanizmalar ayrıntılı olarak araştırılmıştır.

Abstract:
Recent findings have shown that astrocytes, a type of glial cells, not only provide structural support for neurons and synapses, but also respond to neuronal activity and they are important biological elements that should be considered in understanding of neuronal functions. It is now accepted that astrocytes have critical contributions in the modulation of various cognitive functions, regulation of neuronal communication in the cortex, and many other neural phenomena. However, the potential role of this special type of glial cell in signal detection and information processing in the nervous system has not yet been fully elucidated. To shed light on this uncertainty, the effects of astrocyte on neuron dynamics are investigated computationally, using a bipartite synapse model with a neuron and an astrocyte in this study. First, by examining the effect on neuron firing activity, it is shown that the astrocyte may be a kind of multi-stability modulator in neuron firing behavior, enabling the formation of different firing modes and controlling the dynamics of these modes. Then, the well-known stochastic resonance (SR) phenomenon, -a physical mechanism that explores weak signal detection ability of neuron-, is reconsidered under the astrocytic effect. It is shown that the neuron exhibits some new SR dynamics when it communicates with asrocyte. More specifically, it is demonstrated that the neuron exhibits maximum performance at two different optimum noise levels in weak signal detection through its astrocyteic connection. It is shown that this behavior, called double stochastic resonance (DSR) phenomenon, can be controlled by the internal dynamics of the astrocyte, and the underlying mechanisms are investigated in detail.