Astrosit hücresinin nöron dinamikleri üzerine etkileri
The effects of astrocyte cell on the neuron dynamics
Yazar: YASEMİN ERKAN
Danışman: PROF. DR. ZEHRA SARAÇ ; DOÇ. DR. ERGİN YILMAZ
Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Beyinde bulunan yaklaşık 100 milyar nöronla iç içe bulunan ve sayıca nöronlardan daha fazla olan glial hücrelere, bilimsel literatürde 1990'lara kadar neredeyse hiç değinilmemiştir. Glia hücrelerinin nöronların işlevini yerine getirebilmesi için destek elemanı olduğu düşünülmüştür. Bu çalışmanın odağı olan gliaların bir alt birimi olan astrositlerin yıldız şeklini andıran görüntüleri ve sinaptik boşluğu saran yapısı ile nöronlarla iletişm içindede oldukları son zamanlarda yapılan çalışmalarla dikkat çekmiştir. Astrositlerin de bir dış uyaranla uyarıldıklarında, aksiyon potansiyeli yerine üretebildikleri bir kalsiyum cevabının olduğu ortaya çıkarılmasıyla, nörolojik bilgi iletimi çalışmalarında kendine yer bulmaya başlamıştır. Merkezi sinir sisteminde yeni tanınan bu nöron ortağının, farklı yönleri hakkında yapılan çalışmalara oldukça ihtiyaç vardır. Nörolojik sistemlerin bilgi işlemesinde astrosit fonksiyonlarının incelenmesinde laboratuar teknik zorlukları nedeniyle, matematiksel modeler aracılığı ile benzetim çalışması uygun bir yaklaşımdır. Her ne kadar beynin eksiksiz bir matematiksel modelini oluşturmak imkansız olsa da bu çalışmaların keşfedilen farklı yapılarla desteklenmesi gerekmektedir. Bu tez çalışmasında astrositin nöral sistemlerde bilgi işleme üzerindeki etkilerini göstermek için, ilk olarak astrosit hücresini kontrol eden parametrelerin etkileri incelenmiştir. Daha sonra astrosit etkisi altında bulunan Hodgkin-Huxley nöronunun bilgi işleme performansı araştırılmıştır. Bu amaçla, H-H nöronu bilgi taşıdığı varsayılan zayıf bir sinyal ile uyarılarak, sistemde var olan gürültü seviyesine bağlı olarak vermiş olduğu cevap incelenmiştrir. Bu inceleme hem astrosit varken hemde yokken yapılarak, astrositin nöronun bilgi işleme performansı üzerindeki etkileri karşılaştırmalı olarak bulunmuştur. Nöronun bilgi işleme performansının, gürültü yoğunluğuna bağlı olarak stokastik rezonans etkisi gösterdiği bulunmuştur. Burada astrositli nöronun, astrosit içermeyen nöron ile karşılaştırıldığında, astrositli nöronun bilgi işleme performansınınuygun bir astrosit-nöron kuplaj değerinde önemli ölçüde arttığı gözlemlenmiştir. Elde edilen sonuçlar aynı zamanda en iyi sezinleme performansını sağlayan optimal bir zayıf sinyal frekansının varlığınını da ortaya koymaktadır. Son olarak kalsiyum ve iyon kanal gürültüsü modele dahil edilmiştir. Sonuçlar astrositte bulunan iyon kanallarının ve nöronda bulunan sodyum, potasyum gibi iyonlarin sebep olduğu optimal bilgi işlemeyi sağlayan bağlanma katsayısının, N ile ölçeklendirilen kalsiyum kanalı gürültü yoğunluğuna kritik olarak bağlı olduğunu ortaya koymaktadır.

Abstract:
The glial cells, which are intertwined with approximately 100 billion neurons in the brain and are larger than the number of neurons, have hardly been mentioned in the scientific literature until the 1990s. Glia cells were thought to be support elements to function structurally as neurons. The focus of this study was on the recently reported studies of astrocytes in a subunit of glias, in which the astrocytes are highly in contact with the neurons with their star-like images and the structure surrounding the synaptic space. When astrocytes were stimulated with an external stimulus, instead of action potential, it was found to have a calcium response by producing a neurological information transmission study. Studies on the different aspects of the partner of these newly recognized neurons in the central nervous system are much needed. Simulation studies using computational models are a suitable approach because of technical difficulties of the laboratory investigation of neurological systems in the processing of astrocyte functions. Although it is completely impossible to create a complete mathematical model of the brain, it is quite valuable to support these studies with different structures. In this thesis study, the effects of the parameters controlling the astrocyte were first investigated in order to show the effects of astrocytes on information processing in neuronal systems. Then, the information processing performance of Hodgkin-Huxley neuron with astrocyte was investigated. For this purpose, the H-H neuron is stimulated by a weak signal, which is supposed to carry information, and its response to the noise level in the system is investigated. While this study was performed with and without astrocyte, the effects of astrocytes on information processing performance of neurons were found to be comparative. It has been found that the information processing performance of the neuron shows stochastic resonance effect depending on the noise density. Here, it has been observed that the neuron with astrocyte has significantly increased the information processing performance of the neuron compared to the neuron without astrocytes, in a suitable astrocyte-neuron coupling strength. The results also demonstrate the presence of an optimal weak signal frequency which provides the best detection performance. Finally, calcium and ion channel noise is included in the model. The results also show that the coupling strength that provides optimal information processing caused by the ion channels in astrocytes and ions such as sodium, potassium in the neuron are critically dependent on N-scaled calcium channel noise density.