[논문 리뷰] A Tridomain Model for Potassium Clearance in Optic Nerve

Yi Zhu, Shixin Xu외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 06.

Neuroscience and Neuropharmacology Research참고 문헌 77인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 시신경에서 칼륨 정제를 위한 삼도메인 케이블 모델을 제안하며, 성교세포, 세포외액, 축삭을 통해 확산, 대류 및 전기확산을 통합한다. 모델은 성교세포 시냅스가 주로 삼투적 구동 대류 흐름을 통해 칼륨을 정제함을 시사하며, 간단한 모델에서 자주 간과되는 종방향 흐름의 핵심적 역할을 부각시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 행동 전위 활동 이후 시신경에서 칼륨 동역학에 대한 정량적 모델을 개발하기 위해.
• 세포외액에서 칼륨 정제에 관여하는 확산, 대류 및 전기확산의 역할을 조사하기 위해.
• 성교세포, 세포외액, 축삭이 칼륨 완충 및 정제에 기여하는 정도를 규명하기 위해.
• 생물학적 관련성을 확보하기 위해 Orkand 등에서 얻은 실험 데이터와 모델 파라미터를 일치시키기 위해.
• 정확한 칼륨 정제 모델링을 위한 종방향 흐름의 필요성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 시신경을 위한 삼구역 케이블 모델이 수립되며, 성교세포, 세포외액, 축삭을 표현한다.
• 모델은 확산, 전기 이동 및 대류를 통한 이온 이동을 기술하는 편미분 방정식을 포함한다.
• 이온 흐름은 Orkand 등에서의 데이터로부터 유도된 막 특성 및 채널 전도도를 포함한 네른스트-플랭크 방정식에 의해 지배된다.
• 삼투압 차이가 성교세포 시냅스를 통해 대류 흐름을 유도하며, 이는 종방향 흐름 성분으로 명시적으로 모델링된다.
• 모델 파라미터는 Orkand 등에서의 실험적 칼륨 동역학과 일치하도록 校정되며, 해부학적 및 생리학적 정확성을 확보한다.
• 모델은 다른 신경 구조로 일반화 가능하며, 네 번째 구역을 추가하여 갈락시아틱 유입을 포함할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 확산, 대류 및 전기확산은 시신경에서 칼륨 정제에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 성교세포는 칼륨 완충 및 정제에 대해 어느 정도 기여하는가?
• RQ3 정확한 칼륨 동역학 모델링을 위해 종방향 대류 흐름이 얼마나 필수적인가?
• RQ4 삼도메인 모델은 실험적 칼륨 축적 및 정제 데이터를 얼마나 잘 재현할 수 있는가?
• RQ5 다른 채널 및 수송체 분포를 가진 다른 신경 조직으로 모델을 일반화할 수 있는가?

주요 결과

• 성교세포는 수동적 확산보다는 주로 대류 흐름을 통해 칼륨 정제에 중심적인 역할을 한다.
• 칼륨은 주로 시신경의 길이 방향을 따라 성교세포 시냅스를 통해 삼투적 구동 대류 흐름으로 정제된다.
• 모델은 Orkand 등에서의 실험 데이터와 밀도 있게 일치하여 생리학적 관련성을 입증한다.
• 종방향 흐름을 간과한 단순 모델은 칼륨 정제 동역학의 핵심 요소를 포착하지 못할 수 있다.
• 네 번째 구역을 추가함으로써 갈락시아틱 유입을 포함할 수 있어, 더 넓은 뇌 정제 메커니즘 적용 가능성이 향상된다.
• 칼륨 동역학의 정확한 표현을 위해 대류의 포함이 필수적이며, 전통적 구역 모델의 가정을 도전한다.