[論文レビュー] A Tridomain Model for Potassium Clearance in Optic Nerve

Yi Zhu, Shixin Xu+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2020

Neuroscience and Neuropharmacology Research参考文献 77被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、星状膠細胞、細胞外空間、軸索の3つのドメインを含むカリウム除去のための三領域ケーブルモデルを提案する。このモデルは、拡散、対流、電気拡散を統合的に取り入れており、星状膠細胞のシナプスが主に浸透圧駆動の対流によってカリウムを除去することを示している。これは、単純なモデルでしばしば無視されがちな縦方向の流れの重要性を強調している。

ABSTRACT

The accumulation of potassium in the narrow space outside nerve cells is a classical subject of biophysics that has received much attention recently. It may be involved in potassium accumulation include spreading depression, perhaps migraine and some kinds of epilepsy, even (speculatively) learning. Quantitative analysis is likely to help evaluate the role of potassium clearance from the extracellular space after a train of action potentials. Clearance involves three structures that extend down the length of the nerve: glia, extracellular space, and axon and so need to be described in the tradition of the 'cable equations' of nerve used to explain nerve conduction since the work of Hodgkin in 1937. A three-compartment model is proposed here for the optic nerve and is used to study the accumulation of potassium and its clearance. The model allows the convection, diffusion, and electrical migration of water and ions. We depend on the data of Orkand et al to ensure the relevance of our model and align its parameters with the anatomy and properties of membranes, channels, and transporters: our model fits their experimental data quite well. The aligned model shows that glia has an important role in buffering potassium, as expected. The model shows that potassium is cleared mostly by convective flow through the syncytia of glia driven by osmotic pressure differences. A simplified model might be possible, but it must involve flow down the length of the optic nerve. It is easy for compartment models to neglect this flow. Our model can be used for structures quite different from the optic nerve that might have different distributions of channels and transporters in its three compartments. It can be generalized to include the fourth compartment to deal with the glymphatic flow into the circulatory system.

研究の動機と目的

• アクションポテンシャル活動に続く視神経におけるカリウム動態の定量的モデルの構築を目的とする。
• 拡散、対流、電気拡散が細胞外カリウム除去に果たす役割を調査することを目的とする。
• 星状膠細胞、細胞外空間、軸索がカリウムバッファリングおよび除去に果たす寄与を特定することを目的とする。
• 生物学的妥当性を保証するため、Orkandらの実験データにモデルパラメータを一致させることを目的とする。
• 正確なカリウム除去モデリングに縦方向の流れが必要かどうかを検討することを目的とする。

提案手法

• 視神経のための三コンパートメントケーブルモデルを構築し、星状膠細胞、細胞外空間、軸索を表す。
• イオン輸送を記述する偏微分方程式を組み込み、拡散、電気的移動、対流を含む。
• イオンフラックスは、膜の特性とチャネル電導度がOrkandらのデータから導かれたNernst-Planck方程式に従う。
• 浸透圧の差異が星状膠細胞シナプス内を通過する対流的流れを駆動し、これは縦方向の流れ成分として明示的にモデル化されている。
• モデルパラメータは、Orkandらの実験的カリウム動態に一致するようにキャリブレーションされ、解剖学的・生理学的正確性が保証されている。
• モデルは他の神経構造へ一般化可能であり、第4のコンパートメントを追加することでグリアリンパ還流を含めることも可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 拡散、対流、電気拡散は視神経におけるカリウム除去にどのように寄与するか？
• RQ2 星状膠細胞はカリウムバッファリングおよび除去にどの程度寄与しているか？
• RQ3 正確なカリウム動態モデリングに縦方向対流的流れはどの程度不可欠か？
• RQ4 三領域モデルは実験的カリウム蓄積および除去データをどの程度正確に再現できるか？
• RQ5 チャネルおよび輸送体の分布が異なる他の神経組織に対しても、このモデルは一般化可能か？

主な発見

• 星状膠細胞は、主に拡散によるものではなく、対流的流れによってカリウム除去に中心的な役割を果たす。
• カリウムは主に、視神経の長軸に沿って星状膠細胞シナプス内を浸透圧駆動の対流的流れによって除去される。
• モデルはOrkandらの実験データとよく一致しており、その生理学的妥当性が裏付けられている。
• 縦方向の流れを無視した簡略化モデルは、カリウム除去動態の重要な側面を捉えられていない可能性がある。
• 第4のコンパートメントを追加することでグリアリンパ還流を含めることで、モデルはより広範な脳内除去機構への応用が可能になる。
• 対流の組み込みが、カリウム動態の正確な表現に不可欠であることが示され、従来のコンパートメントモデルの仮定に疑問を呈している。