《Frontiers in Computational Neuroscience》：The impact of dynamic reversal potential on the evolution of action potential attributes during spike trains
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这篇综述系统分析了神经元在连续发放过程中动作电位（AP）属性的动态变化规律及其机制。研究发现AP快速性（rapidity）和阈值等属性在发放序列中呈现单调变化模式，且变化幅度与刺激强度相关。文章通过结合动态反转电位（DRP）模型和钠离子通道协同门控机制，成功复现了实验观察到的发放模式，揭示了离子浓度动态变化和通道协同性在神经元信息编码中的重要作用。
动作电位（AP）是神经系统信息处理的基本单元。理解AP的产生机制是揭示神经元如何编码信息的关键步骤。然而，即使对相同刺激，单个神经元也可能发放不同形状的AP，这种变异性的机制尚不清楚。因此，本研究利用细胞内电生理记录技术，分析了三种神经元类型在连续发放过程中的四个AP属性，包括AP快速性和阈值。
在连续电流阶跃刺激下，诱发的发放序列中的AP属性在不同神经元中显示出两种独特模式：首先，每个序列中的第一个AP始终具有可比的性质，与刺激强度无关；其次，每个脉冲期间后续AP的属性在发放过程中单调变化，且AP属性变化的幅度随刺激强度的增加而增加。
研究探索了多种基于电导的模型，以确定它们是否能复现观察到的AP发放序列。使用经典的HH型模型或具有协同Na+门控的改进HH模型无法复现观察到的模式。然而，在模型中添加离子浓度动态后，成功复现了AP属性的变化，且脉冲期间的变化幅度与动态反转电位（DRP）的变化相关，但未能复现第一个AP属性的模式。
随后，研究探讨了协同Na+门控对神经元发放动态的作用。加入协同门控恢复了第一个AP的属性，并增强了某些AP属性建模变异的幅度，使其与观察数据更加吻合。
研究结论认为，局部离子浓度的变化可能是神经元发放过程中AP属性单调变化的原因，而Na+通道的协同门控可以增强这种效应。因此，这两种机制可能共同导致了观察到的神经元反应变异性。
研究方法部分详细介绍了AP属性的测量方法，包括阈值电压、幅度、快速性和宽度的分析，均使用MATLAB脚本进行。阈值电压定义为膜电位变化率超过25 mV/ms时的膜电位。AP快速性使用上升相膜电位二阶导数最大值半高宽的倒数（IFWd2）来测量。
实验数据来源于两个数据库：体感皮层记录来自GigaScience数据库，海马神经元记录来自CRCNS数据库。数据分析采用了统一的AP选择标准，最小峰间隔设为10毫秒。
计算模型基于MATLAB 2021构建，使用四阶Runge-Kutta方法求解动力学方程。模型描述了不同皮层神经元类型的单室基于电导的模型，包括Na+和K+电压门控通道。膜电位由标准方程描述，其中包含漏电导、Na+通道电流、延迟整流K+电流和施加电流。
研究特别引入了协同钠电流模型，将电压依赖性Na+通道电流从HH型模型修改为包含一部分协同Na+通道。协同Na+通道遵循Huang等人的方案，其中Na+通道的激活被认为是瞬时的，因此被其稳态值取代。
模型还包含了动态反转电位机制，跟踪细胞内外的Na+和K+可变浓度，用于计算每个离子通道的动态反转电位。K+浓度的演变由包含钠钾泵、胶质细胞摄取和扩散等过程的方程描述。Na+浓度的方程也类似地采用动态描述。
研究结果显示，AP属性在连续发放过程中表现出系统的变化模式。第一个AP的属性在不同刺激强度下保持稳定，而序列中后续AP的属性则呈现刺激强度依赖性的单调变化。这种模式在FS皮层神经元、RS皮层神经元和RS海马神经元中均被观察到。
模型比较表明，传统的HH模型无法复现实验观察到的AP属性变化模式。而结合动态反转电位和协同Na+通道门控的模型能够更好地复现这些模式，特别是AP快速性和阈值的变化。
进一步的分析探讨了细胞体积比、泵强度等参数对AP属性的影响。研究发现，改变细胞体积比显著影响建模AP属性变异的幅度，而钠钾泵强度的变化对AP起始动态的影响相对较小。
研究还考察了Na+在通道和泵之间扩散的影响，但即使在不同扩散系数和间距条件下，对AP参数的影响也不显著。
讨论部分指出，理解AP起始机制是确定神经元如何编码信息的重要组成部分。观察到的神经元反应变异性可能源于电压门控离子通道类型和密度的多样性、突触输入的多样性或神经元内在特性。虽然重复的直流电流刺激在试验间产生不精确的发放时间，但检查相同条件下的AP形状属性揭示了一致和系统的模式。
研究强调了离子浓度动态变化和通道协同性在塑造神经元发放模式中的重要性。结合DRP和协同Na+通道门控的模型为理解神经元信息编码的潜在机制提供了新的见解，尽管在复现阈值变异幅度方面仍存在挑战。
最后，文章指出了研究的局限性，包括样本大小、模型简化以及缺乏实验验证等，为未来研究提供了方向。总体而言，这项研究为理解神经元兴奋性的动态调节和AP波形变异的机制提供了重要贡献。
