Internetový časopis pre pôvodné teoretické a výskumné štúdie z oblasti spoločenských vied

Modelling the oscillatory component of forward locomotion in C. Elegans

Modelling the oscillatory component of forward locomotion in C. Elegans

Autor:

Marek Dobeš, Institute of Social Sciences, Centre of Social and Psychological Sciences of SAS, Košice, dobes@saske.sk

Rudolf Andoga, Department of avionics, Faculty of Aeronautics,Technical University of Košice, andoga@tuke.sk

Ladislav Főző, Department of Aviation Engineering, Faculty of Aeronautics,Technical University of Košice, ladislav.fozo@tuke.sk

ISSN: 1335-3608

Abstrakt (sk)

V tomto článku prezentujeme zjednodušený model neuronálneho okruhu zodpovedného za pohyb vpred u červa C. Elegans. Je založený na dostupnom konektóme, no nakoľko v literatúre absentujú elektrofyziologické údaje o jednotlivých neurónoch, vypĺňame túto medzeru odhadom jednotlivých parametrov tak, aby bol náš model schopný oscilácie.

Bez existencie elektrických synapsií motorické neuróny nie sú synchronizované a tak nezodpovedajú vzorcom pohybu u živých červov. Potom ako do modelu implementujeme elektrické synapsie, motorické neuróny už pracujú synchronizovane.

C. Elegans je stale jediným organizmom s úplne zmapovaným konektonómom. Je preto často používaným organizmom v počítačovom modelovaní. Hermafrodit C. Elegans má 302 neurónov. Počet chemických a elektrických synapsií sa pohybuje v tisícoch ale stále nie je definitívne zmapovaný. Kľúčová štúdia od Whitea a kol. ponúka prvý popis konektómu C. Elegans a je stále aktualizovaná.

Napriek svojmu relatívne jednoduchému nervovému systému je C. Elegans schopný celej škály správaní. Pohybový systém C. Elegans pozostáva z 95 svalov a 75 motorických neurónov. Motorické neuróny sú regulované riadiacimi interneurónmi. Červ sa pohybuje hadovitým spôsobom. Je schopný pohybu vpred a vzad s rozličnou rýchlosťou. Je tiež schopný otočiek, ktoré vedia rýchlo zmeniť smer jeho pohybu.

S pomocou softvéru Animatlab 2 sme špecifikovali súbor neurónov. Vygenerovali sme dva páry umelých motorických neurónov, ktoré reprezentovali typ VB a DB a tiež umelý neurón reprezentujúci PVC interneurón. Parametre neurónov a synapsií boli nastavené softvérom a doladené autormi aby zodpovedali procesom popísaným v literatúre.

Prvým krokom bolo postaviť oscilačný obvod, ktorý by umožnil hadovitý pohyb organizmu. K PVC neurónu sme priradili 100 nA tonický stimul, ktorý simuluje prichádzajúce signály, ktoré určujú pohyb vpred. Taktiež sme všetkým neurónom priradili 0,1 mV tonický šum, aby sme simulovali šum existujúci v prirodzených nervových systémoch. Prah pre PVC neurón bol nastavený na -40 mV, pokojový potenciál bol -60 mV. Akomodačná časová konštanta bola nastavená na 10 ms, AHP vodivosť na 1 mikroS, AHP časová konštanta na 3 ms. Relatívna akomodácia bola nastavená na 0,3, relatívna veľkosť na 1 a časová konštanta na 5 ms.

Následne sme nastavili neuróny DB1, DB2, VB1 a VB2. Mali rovnaké parametre, prah bol -40 mV, pokojový potenciál -60 mV. Akomodačná časová konštanta bola nastavená na 1 ms, AHP vodivosť na 1 mikroS, AHP časová konštanta na 30 ms. Relatívna akomodácia bola nastavená na 0,3, relatívna veľkosť na 1 a časová konštanta na 5 ms.

V nasledujúcom kroku sme zaviedli štyri depolarizujúce IPSP synapsie z PVC k neurónom skupiny DB a VB. Rovnovážny potenciál každej synapsie bol nastavený na -30 mV, relatívna facilitácia bola nastavená na 1 a synaptická vodivosť na 5 mikroS.

Potom sme nastavili dva páry vzájomne inhibičných synapsií medzi DB1 a VB1 a medzi DB2 a VB2. Tieto recipročne inhibičné synapsie, spolu s adaptáciou prahu, umožňujú osciláciu aktivity medzi DB a VB neurónmi. Parametre inhibičných synapsií boli nastavené nasledovne: rovnovážny potenciál každej synapsie bol nastavený na -70 mV, relatívna facilitácia bola nastavená na 1,5 a synaptická vodivosť na 0,5 mikroS.

Abstract

In this study we provide a simplified model of the forward oscillatory locomotion neural circuit of the worm C. Elegans. Based on available connectome but lacking electrophysiological data on neurons and synapses we fill this gap by fine-tuning the electrophysiological parameters of the model so that it achieves oscillations.

We observe that without electrical synapses the motor neurons are not active synchronously, thus hindering movement patterns observed in live worms. After the introduction of electrical synapses into the model, motor neurons work in synchrony.

Worm C. Elegans is still the only organism with a completely mapped connectome. This makes it a popular system for computational modelling. C. Elegans hermaphrodite has 302 neurons. The number of chemical and electrical synapses is in the thousands but is not yet definitively mapped. A seminal study by White et al.(1986) provided the first description of C. Elegans connectome and is continually updated.

In spite of its relatively simple nervous system, C. Elegans is capable of a whole range of behaviours. The locomotory system of C. Elegans comprises of 95 wall muscles and 75 ventral cord motor neurons. Motor neurons are regulated by motor command interneurons. A worm moves by propagating bends along its body. C. Elegans is capable of moving forward and backward with differing speed. It can also realise U-turns to abruptly change the direction of its movement.

Using Animatlab2 software we specified a set of neurons. We built two pairs of artificial motor neurons, representing VB and DB class and a single artificial neuron representing the PVC interneuron. Parameters of neurons and synapses were set by the software and fine-tuned by the authors to mimic processes described in theory.

The first step was to build an oscillatory circuit that would enable the undulatory movement of the animal. We set up the PVC neuron with 100 nA tonic stimulus that would simulate incoming impulses that drive the forward movement. We also added 0.1 mV tonic noise to all neurons simulating noise inherent in neural systems. The initial threshold of the PVC neuron was -40mV; the resting potential was -60mV. Accommodation time constant was set to 10 ms, AHP conductance to 1 microS and AHP time constant to 3 ms. Relative accommodation was set to 0.3, relative size to 1 and time constant to 5 ms.

We then set up DB1, DB2, VB1 and VB2 neurons with the same parameters:  the initial threshold of neurons was -40mV, and the resting potential was -60mV. The accommodation time constant was set to 1 ms, the AHP conductance to 1 microS and the AHP time constant to 30 ms. The relative accommodation was set to 0.3, the relative size to 1 and the time constant to 5 ms.

In the next step we introduced four depolarising IPSP synapses from PVC to DB and VB neurons. The equilibrium potential of each synapse was set to -30 mV, the decay rate to 10 ms and the facilitation decay to 100 ms. The relative facilitation was set to 1 and the synaptic conductance to 5 microS.

Then we built two pairs of mutually inhibitory synapses; between DB1 and VB1 and between DB2 and VB2. These reciprocal inhibitory synapses together with the threshold adaptation enable oscillation of activity alternating between DB and VB neurons. The parameters of inhibitory (hyperpolarising IPSP synapses) were set as follows:  the equilibrium potential of each synapse was set to -70 mV, the decay rate to 10 ms and the facilitation decay to 100 ms. The relative facilitation was set to 1.5 and the synaptic conductance to 0.5 microS.

There are more ways to achieve oscillation in a neural circuit. We do not know yet what mechanism is used in C. Elegans as we have very little information on the electrophysiology of C. Elegans neurons. Oscillation can happen because of a rhythmically bursting pacemaker neuron or by mutual inhibition of neurons with adaptation of either neural threshold or the synapses.

In our study we provide a possible mechanism of oscillatory synchronised activity necessary for C. Elegans locomotion. We show that without the electrical synapses muscle, contraction would not be synchronous and forward movement would not happen.

Bibliografické informácie (sk)

DOBEŠ,  Marek – ANDOGA, Rudolf – FŐZŐ,  Ladislav. Modelling the oscillatory component of forward locomotion in C.  Elegans. Človek a spoločnosť, 2018, roč. 21, č. 3, s. 70-76.

Bibliographic information

DOBEŠ,  Marek – ANDOGA, Rudolf – FŐZŐ,  Ladislav. Modelling the oscillatory component of forward locomotion in C.  Elegans. Individual and Society, 2018, Vol. 21, No. 3, pp. 70-76.

Článok v PDF

Zdieľať článok