Введение

Взрывная активность, или серия разрядов, – это чрезвычайно разнообразное и распространенное явление в паттернах активации нейронов центральной нервной системы и спинного мозга, характеризующееся периодами быстрого генерирования потенциалов действия, за которыми следуют периоды покоя, значительно превышающие типичные интервалы между спайками. Считается, что взрывная активность играет важную роль в работе устойчивых генераторов центральных паттернов и некоторых нейропатологий, таких как эпилепсия. Изучение взрывной активности, как самой по себе, так и ее участия в других нейронных процессах, было популярно с первых дней развития клеточной нейробиологии и тесно связано с областями нейронной синхронизации, нейронного кодирования, пластичности и внимания. Наблюдаемые серии разрядов классифицируются по количеству дискретных потенциалов действия, которые они содержат: дублет – это серия из двух спайков, триплет – из трех, а квадроплет – из четырех. Нейроны, предрасположенные к взрывной активности, называются бурстерами, и эта склонность к взрывам может быть обусловлена как факторами окружающей среды, так и фенотипом клетки.

Обзор

Нейроны обычно функционируют, генерируя отдельные пики потенциала действия в относительной изоляции, поскольку дискретные входящие постсинаптические потенциалы суммируются и приводят к тому, что мембранный потенциал пересекает порог. Взрывную активность, однако, могут вызывать различные факторы, но нейроны в целом можно разделить на те, у которых взрывная активность обусловлена входящим сигналом, и те, у которых она является внутренней. Большинство клеток проявляют взрывную активность при постоянной субпороговой стимуляции, а клетки, генетически предрасположенные к взрывной активности (называемые "бурстерами"), обладают сложными системами обратной связи, которые генерируют паттерны взрывной активности с меньшей зависимостью от входящего сигнала и даже в изоляции. Важную роль играют Ca(2+) зависимые токи и взаимодействие между дендритами и телом клетки. Медленная подсистема также связана с эндогенными паттернами взрывной активности в нейронах, где паттерн может поддерживаться исключительно внутренними механизмами без какого-либо синаптического ввода. Этот процесс также зависит от кальциевых каналов, которые деполяризуют нейрон, обеспечивая приток ионов кальция. До тех пор, пока внутренние концентрации ионов кальция остаются повышенными, нейрон продолжает переживать периоды быстрой генерации спайков. Однако повышенные уровни ионов кальция также запускают каскад вторичных посредников внутри клетки, который снижает приток кальция и способствует выведению и буферизации кальция. По мере снижения концентрации кальция период быстрой взрывной активности прекращается и начинается фаза покоя. Когда уровень кальция снижается, исходные кальциевые каналы вновь открываются, перезапуская процесс и создавая паттерн взрывной активности.

Статистическое обнаружение

В изолированном виде или в математических моделях взрывную активность можно распознать, поскольку окружающую среду и состояние нейрона можно тщательно наблюдать и модулировать. Однако при наблюдении за нейронами в естественных условиях взрывную активность может быть сложно отличить от нормальных паттернов возбуждения. Для распознавания взрывных паттернов в таких условиях используются статистические методы для определения пороговых параметров. Взрывная активность характеризуется коэффициентом вариации (CV) межспайковых интервалов (ISI), превышающим единицу, или фактором Фано числа спайков, также превышающим единицу, поскольку взрывная активность приводит к паттернам спайков, более нерегулярным, чем пуассоновский процесс (который имеет CV и фактор Фано, равные единице). Альтернативно, серийный коэффициент корреляции последовательности ISI является положительным для взрывных паттернов, поскольку в этом случае короткие ISI, как правило, следуют за другими короткими ISI (по крайней мере, если взрыв состоит более чем из двух спайков).

Мультиплексирование и маршрутизация

Некоторые нейроны, иногда называемые резонаторами, проявляют чувствительность к определенным входным частотам и активируются быстрее или исключительно при стимуляции на этой частоте. Вспыхивающие нейроны могут использовать этот эффект полосового фильтра для кодирования информации о конкретных целевых нейронах и мультиплексирования сигналов по одному аксону. В сочетании с долгосрочной пластичностью, зависящей от вспышек, такое мультиплексирование может позволить нейронам координировать синаптическую пластичность в иерархических сетях.

Синхронизация

Синхронизация всплесков относится к выравниванию периодов возбуждения и покоя во взаимосвязанных нейронах. Как правило, если сеть взрывных нейронов связана, она в конечном итоге синхронизируется для большинства типов взрывной активности. Синхронизация может возникать и в схемах, не содержащих нейронов, обладающих внутренней склонностью к взрывной активности, однако ее появление и стабильность часто можно улучшить, включив в сеть нейроны с внутренней склонностью к взрывной активности. Для выполнения этой функции она использует нейроны с внутренней склонностью к взрывной активности для преобразования перспективных единичных стимулов в более продолжительные паттерны всплесков, что позволяет лучше фокусировать внимание на новых стимулах и активировать важные цепи обработки. После активации этих цепей субкулюлярный сигнал возвращается к режиму одиночных спайков.

пре-Ботзингерский комплекс

Комплекс пре-Бётцингера (preBötC) расположен в вентролатеральной части продолговатого мозга и предположительно генерирует ритм, лежащий в основе вдохновительных усилий у млекопитающих. Поскольку частота, с которой должны функционировать легкие, может меняться в зависимости от метаболических потребностей, активность preBötC модулируется в широком диапазоне частот и способна синхронизировать дыхательную систему с метаболическими потребностями. Нейроны-пейсмейкеры не обязательно требуют внутренне импульсирующих нейронов.

Мозжечка

Нейроны мозжечка Пуркинье, как предполагается, обладают двумя различными режимами взрывной активности: дендритным, обусловленным дендритными спайками, и соматическим, в котором персистентный ток является инициатором взрыва, а калиевый ток SK – терминатором взрыва. Нейроны Пуркинье могут использовать эти формы взрывной активности для кодирования информации, передаваемой в глубокие ядра мозжечка.