[论文解读] Non-Associative Learning Representation in the Nervous System of the Nematode Caenorhabditis elegans

Ramin Hasani, Magdalena Fuchs+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2017

Genetics, Aging, and Longevity in Model Organisms参考文献 18被引用 9

一句话总结

本文提出了一种 *C. elegans* 感觉神经元和突触的多尺度数学模型，以研究非关联性学习机制，特别是机械感觉习惯化。通过整合动态离子通道电导和突触神经递质动力学，该模型表明，重复刺激会通过内在参数变化减少细胞内钙浓度并改变神经元兴奋性，揭示了单个神经元和突触如何自主编码习惯化。

ABSTRACT

Caenorhabditis elegans (C. elegans) illustrated remarkable behavioral plasticities including complex non-associative and associative learning representations. Understanding the principles of such mechanisms presumably leads to constructive inspirations for the design of efficient learning algorithms. In the present study, we postulate a novel approach on modeling single neurons and synapses to study the mechanisms underlying learning in the C. elegans nervous system. In this regard, we construct a precise mathematical model of sensory neurons where we include multi-scale details from genes, ion channels and ion pumps, together with a dynamic model of synapses comprised of neurotransmitters and receptors kinetics. We recapitulate mechanosensory habituation mechanism, a non-associative learning process, in which elements of the neural network tune their parameters as a result of repeated input stimuli. Accordingly, we quantitatively demonstrate the roots of such plasticity in the neuronal and synaptic-level representations. Our findings can potentially give rise to the development of new bio-inspired learning algorithms.

研究动机与目标

• 理解 *C. elegans* 在神经元和突触水平上非关联性学习的生物学基础。
• 开发一个整合基因、离子通道、泵和突触动力学的精确数学模型。
• 利用多尺度生理参数模拟在撤退反射环路中的机械感觉习惯化。
• 识别在生物学基础上的框架中习惯化和突触可塑性的计算机制。
• 为人工智能中的生物启发学习算法提供基础。

提出的方法

• 开发了基于霍奇金-赫胥黎模型的 *C. elegans* 感觉神经元模型，包含电压门控 Ca2+ 通道、K+ 通道、漏通道和 Ca2+ 泵。
• 使用包含总膜电流的微分方程模拟膜电位动力学：Cm·dV/dt = −(ICa + IK + Isk + ILeak) + Σ(ISyn + Igap + Istimuli)。
• 将离子通道最大电导（Gion）视为输入刺激幅度和频率的动态函数，以模拟学习过程。
• 采用 ISyn = Gmax·G(Vpre)·S(t)·(ESyn − Vpost) 建立化学突触模型，其中神经递质释放和受体结合的时间参数可变。
• 通过根据重复机械刺激调整钾电导和突触参数来模拟习惯化。
• 利用实验数据验证模型，显示感觉神经元中细胞内 Ca2+ 减少和反应幅度下降。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 *C. elegans* 中，内在神经元特性（如离子通道电导）如何对重复刺激产生动态适应？
• RQ2 基因介导的离子通道修饰在非关联性学习中起什么作用？
• RQ3 突触参数（如神经递质浓度和受体可及性）如何促进习惯化？
• RQ4 单个神经元能否通过其离子电导的动态变化自主编码习惯化？
• RQ5 突触可塑性在多大程度上能跨神经环路传播并维持习惯化？

主要发现

• 重复机械刺激降低了感觉神经元中的细胞内钙浓度，该现象在模型中通过动态降低钾通道电导得以体现。
• 该模型再现了撤退反射环路中实验观察到的习惯化，表现为重复刺激后反应幅度和持续时间的降低。
• 由 Gmax 和受体结合概率 S(t) 变化驱动的突触可塑性，实现了信号传递的自主调节，并促进了习惯化。
• 当突触参数被重置时，系统表现出去习惯化，表明突触水平上存在可逆可塑性。
• 神经元习惯化主要由离子通道动力学的内在变化驱动，而非仅依赖于突触输入。
• 研究结果表明，神经元和突触均可作为学习的独立基质，其中突触在传播和维持习惯化状态方面起关键作用。