Computersimulation der Aktionspotenzialweiterleitung im Axon von Warmblütern

Abstract

Bei dieser Arbeit wurde nach einer Einführung über den allgemeinen Aufbau der Nervenzelle versucht, ausgehend von den bekannten biologischen Eigenschaften des myelinierten Warmblüteraxons, zunächst geeignete mathematische Modelle und Ansätze zur Stimulation der Warmblüternervenfaser mit NEURON zu implementieren und diese dann eine nach der anderen an verschiedenen modellierten Nervenfasern anzuwenden um die Funktionsweise dieser Modelle auszutesten. Darüberhinaus wurde nach umfangreichen Literaturrecherchen und zahlreichen unabhängigen Simulationsexperimenten an jeden einzelnen Kompartimenten des myelinierten Warmblüteraxons(bestehend aus einem Soma, einem myelinierten und einem unmyelinierten Teil) letztendlich das natürliche vollständige Axon so in NEURON modelliert, dass das modellierte Axon möglichst präzise dem realen Warmblüteraxon entspricht.<br />Dadurch sind die Simulationsergebnisse der Axonstimulation ziemlich realitätsnah. Dieses implementierte myelinierte Axon wurde dann unter Anwendung des zum ersten Mal bei dieser Arbeit in der Simulationssprache NMODL implementierten Sweeney- bzw. CRRSS-Modells angeregt. Dabei wurden abgesehen von den lokalen Simulationsergebnissen der Experimente auch die räumlichen Modelle unter die Lupe genommen und untersucht. Das räumliche Modell des modellierten natürlichen Warmblüteraxons macht den Prozess der Aktionspotenzialfortpflanzung entlang des Axons ersichtlich. Wobei im Laufe der Arbeit auch in Details auf Spannungsfortleitungsgeschwindigkeit unterschiedlicher Nervenfaser eingegangen wird und die dies betreffenden Literaturrechercheergebnisse ausführlich diskutiert und erläutert werden.

The thesis begins with an introduction of the general structure of the nerve cell. Its aim is to implement suitable mathematical models for the stimulation of the mammalian axon with NEURON on the basis of its well-known biological characteristics. The functionality of these models was tested later with different modeled nerve fibers.<br />Furthermore, after comprehensive research and multiple separate simulation experiments on the individual compartments of the myelinated mammalian axon (consisting of Soma, a myelinated and an unmyelinated part) the natural complete mammalian axon was modeled in NEURON according to the natural mammalian axon as a pattern. Thus, the simulation results are rather parallel to reality. Finally, this modeled nerve fiber has been stimulated under the application of Sweeney or the CRRSS model which, for the first time, was implemented with the model description language NMODL. Apart from the local simulation results of the experiments, the spatial models of all simulation experiments were carefully studied in this thesis.<br />The spatial model of the implemented mammalian axon should specially make the propagation and distribution procedure of neural signals along the axon apparent.<br />In addition, other subjects such as action potential conduction velocity along different kinds of nerve fibers were discussed.