Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Recent advances in sleep neurobiology have allowed development of physiologically based mathematical models of sleep regulation that account for the neuronal dynamics responsible for the regulation of sleep-wake cycles and allow detailed examination of the underlying mechanisms. Neuronal systems in general, and those involved in sleep regulation in particular, are noisy and heterogeneous by their nature. It has been shown in various systems that certain levels of noise and diversity can significantly improve signal encoding. However, these phenomena, especially the effects of diversity, are rarely considered in the models of sleep regulation. The present paper is focused on a neuron-based physiologically motivated model of sleep-wake cycles that proposes a novel mechanism of the homeostatic regulation of sleep based on the dynamics of a wake-promoting neuropeptide orexin. Here this model is generalized by the introduction of intrinsic diversity and noise in the orexin-producing neurons, in order to study the effect of their presence on the sleep-wake cycle. A simple quantitative measure of the quality of a sleep-wake cycle is introduced and used to systematically study the generalized model for different levels of noise and diversity. The model is shown to exhibit a clear diversity-induced resonance: that is, the best wake-sleep cycle turns out to correspond to an intermediate level of diversity at the synapses of the orexin-producing neurons. On the other hand, only a mild evidence of stochastic resonance is found, when the level of noise is varied. These results show that disorder, especially in the form of quenched diversity, can be a key-element for an efficient or optimal functioning of the homeostatic regulation of the sleep-wake cycle. Furthermore, this study provides an example of a constructive role of diversity in a neuronal system that can be extended beyond the system studied here.
Author Summary
All biological systems are inherently noisy and heterogeneous. Disorder is mostly expected to disturb proper functioning of a system, like it can be the case with noise in a radio signal. However, it has been demonstrated by numerous studies that noise can actually improve signal encoding – the so-called stochastic resonance phenomenon. Recently, it was discovered that quenched diversity (heterogeneity) can also enhance the response of a system to an external perturbation (diversity-induced resonance). In this study we investigate the role of noise and diversity in a neuronal model of sleep-wake cycles based on the dynamics of the wake-promoting orexin neurons that is crucial for stability of wake and sleep states. We demonstrate that suitable levels of diversity introduced in the orexin neurons can significantly improve the quality of the sleep-wake cycle, and may be essential for proper sleep-wake periodicity. Noise, on the other hand, provides only a mild improvement.
Последние достижения в нейробиологии сна позволили развития физиологически обоснованной математической модели регуляции сна, которые учитывают динамики нейронов, ответственных за регулирование циклы сна и бодрствования и дайте подробное изучение механизмов, лежащих в основе. Нейрональных систем в целом, и тех, кто участвует в регуляции сна в частности, шумные и разнородных по своей природе. Было показано в различных системах, что определенные уровни шума и разнообразия, который может значительно улучшить кодирования сигнала. Однако, эти явления, особенно воздействия разнообразия, редко рассматриваются в модели регулирования сна. Данная работа ориентирована на нейрона на основе физиологически обоснованная модель циклы сна и бодрствования, в котором предлагается Роман механизм гомеостаза, регуляции сна, исходя из динамики " содействие нейропептида orexin. Здесь эта модель обобщенной введение внутреннее разнообразие и шум в orexin-производство нейронов, для того, чтобы изучить эффект их присутствия на цикла сон-бодрствование. Простой количественный показатель качества из цикла сон-бодрствование внедрена и используется для систематического изучения обобщенной модели для разных уровней шума и разнообразия. В модели показано, ясно демонстрируют разнообразие-индуцированной резонанс: то есть наиболее цикла после сна, оказывается, соответствуют средним уровнем разнообразия на уровне синапсов в orexin-производство нейронов. С другой стороны, только мягкий доказательств стохастического резонанса узнал, когда уровень шума и разнообразны. Эти результаты показывают, что расстройства, особенно в форме угасает разнообразия, могут быть ключевым элементом для рационального или оптимального функционирования гомеостатической регуляции цикла сон-бодрствование. Кроме того, данное исследование представляет собой пример конструктивную роль разнообразия в нейрональной системы, который может быть расширен за пределы системы учился здесь.
Автор Резюме
Все биологические системы по своей природе являются шумные и гетерогенные. Беспорядок в основном ожидаемые нарушить правильное функционирование системы, как это может быть в случае помех в радио сигнал. Однако, это показали многочисленные исследования, что шум действительно может улучшить кодирования сигнала - так называемый явление стохастического резонанса. Недавно было обнаружено, что угасает разнообразии (неоднородность) может также увеличить отклик системы на внешнее возмущение ("многообразие-индуцированной резонанс). В этом исследовании мы исследуем роль шума и разнообразия в нейронов модель циклы сна и бодрствования, судя по динамике wake-содействие orexin нейронов, что имеет решающее значение для стабильности состояний бодрствования и сна. Мы показываем, что подходящий уровень разнообразия внедрены в orexin нейроны могут значительно улучшить качество цикла сон-бодрствование, и может быть необходимо для надлежащего сна и бодрствования периодичность. Шум, с другой стороны, дает лишь незначительное улучшение.