Title: Vergleich dreier für die Erregungsleitung myelinisierter Axone adaptierter Modelle
Other Titles: Comparison of three 3 models adapted for myelinated axons
Language: Deutsch
Authors: Anninger, Evelyn 
Qualification level: Diploma
Advisor: Rattay, Frank
Issue Date: 2011
Number of Pages: 72
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Seit dem Ende des 18.Jahrhunderts, als Luigi Galvani mithilfe eines bimetallischen Stabes Versuche an einem Frosch durchf¨uhrte und damit bewies, dass Nerven und Muskeln durch Elektrizit¨at stimuliert werden k¨onnen, spielt die Frage, wie genau sich die Entstehung und Weiterleitung von Reizen in menschlichen und tierischen Organismen darstellt, eine zentrale Rolle in der Forschung.
Einen bis heute richtungsweisenden Durchbruch erzielten der Chemiker Alan Lloyd Hodgkin und der Physiker Andrew Fielding Huxley im Jahre 1952 mit der Entwicklung eines mathematischen Modells zur Entstehung und Weiterleitung von Aktionspotentialen in Neuronen. In den darauffolgenden Jahren folgten, teilweise auf den Überlegungen von Hodgkin und Huxley basierend, weitere Forschungsarbeiten, die in neuen mathematischen Modellen mündeten, wie den Gleichungen von Fitzhugh 1961, jenen von Frankenhaeuser und Huxley 1964 oder jenen von Chiu, Ritchie, Rogart, Stagg und Sweeney 1979.
All diese Modelle haben gemeinsam, dass sie nicht zur Anwendung am Menschen entwickelt wurden, sondern durch Versuche an Tieren entstanden sind.
Hodgkin und Huxley forschten an den unmyelinisierten Axonen von Tintenfischen, während das Modell von Sweeney et.al. sowie jenes von Frankenhäuser und Huxley für myelinisierte Fasern von Säugetieren entwickelt wurde.
In der vorliegenden Arbeit soll der Frage nachgegangen werden, ob sich diese Modelle auch dazu eignen, die Entstehung bzw Weiterleitung von Aktionspotentialen in menschlichen myelinisierten Nervenfasern zu beschreiben. Zu diesem Zweck wurden einige der in diesen Modellen verwendeten Parameter adaptiert und die Temperatur, bei der die Experimente durchgeführt wurden, auf menschliche Verh¨altnisse, also 37 Grad Celsius angepasst. Weiters wurde versucht, die Geometrie der Nervenfaser, welche mittels eines Kompartmentmodells simuliert wurde, den menschlichen Verhältnissen anzupassen.
Dies stellte sich als schwierig heraus, weshalb hier bezüglich der Geometrie der modellierten Axone Kompromisse geschlossen und Einschränkungen in Kauf genommen werden mussten.
Schlussendlich wurden die Ergebnisse, die die auf diese Art und Weise adaptierten Modelle von Hodgkin und Huxley, Sweeney et.al. und Frankenhaeuser und Huxley lieferten, interpretiert und verglichen. Die Ergebnisse waren, trotz aller Einschr¨ankungen, zufriedenstellend. In vielen Fällen konnte, nach Anpassung einiger Parameter, die Entstehung und Weiterleitung eines Aktionspotentials, das auch die erwarteten Eigenschaften hinsichtlich Amplitude oderWeiterleitungsgeschwindigkeit aufwies, erreicht werden.

At the end of the 18th century Luigi Galvani conducted experiments with a frogs leg und proved that it is possible to stimulate nerves and muscles by applying electrical impulses. To this day the question of how action potentials are initiated respectively propagated in both human or animal neurons plays a major role in research.
In 1952 the chemist Alan Lloyd Hodgkin and the physicist Andrew Fielding Huxley developed a mathematic model that described the process of propagation of action potentials. This achievement was considered as a breakthrough in the field of neurophysiological research.
In the following years further models, partly based on the work of Hodgkin and Huxley, were developed, e.g. the Fitzhugh-model in 1961, the model of Frankenhaeuser and Huxley in 1964 or the model of Chiu, Ritchie, Rogart, Stagg and Sweeney in 1979.
All these models have in common, that originally they have not been designed for simulation procedures in the human organism, but were based on experiments conducted on animals. While Hodgkin and Huxley used the unmyelinated giant axon of a squid for their research, both Sweeney et.al. and Frankenhaeuser and Huxley used myelinated mammalian nerve fibres.
This thesis deals with the question, if those models are also suitable for simulating the initiation respectively propagation of action potentials in human myelinated nerve fibres. For this purpose some of the parameters used in the models had to be adapted, the temperature had to be changed to 37 degree Celsius und the geometry of the nerve fibre, which has been simulated by using a compartment model, had to be changed to fit the human values. This last attempt turned out to be quite difficult and in the end a compromise concerning the geometry of the axon used in the simulations had to be made.
The results that were achieved by running simulations with the adapted models of Hodgkin and Huxley, Sweeney et.al. and Frankenhaeuser and Huxley, were interepreted and compared to each other. In spite of the fact, that in some cases limitations and restrictions had to be accepted, the results were quite satisfiying. In most cases the intiation and propagation of an action potential fulfilling the expectations concerning amplitute or propagation velocity could be observed.
Keywords: Hodgkin-Huxley; Axon; myelinisert; Myelin; Simulation; Aktionspotential
Hodgkin-Huxley; axon; myelinated; myelin; simulation; action potential
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-44587
http://hdl.handle.net/20.500.12708/11305
Library ID: AC07809982
Organisation: E101 - Institut für Analysis und Scientific Computing 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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