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Action Potential Simulation

준비

MetaNeuron은 Hodgkin–Huxley model을 구현한 action potential simulation 프로그램이다. (저자: Univ. of Minnesota의 Eric. A. Newman)

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• macOS 사용자 추가사항

  • Retina Display 사용시: MetaNeuron 아이콘 우클릭 → [정보 가져오기] → "낮은 해상도로 열기" 체크하기

  • "개발자를 확인할 수 없다" error 발생시: MetaNeuron 아이콘 우클릭 → 열기 → 열기

Resting Membrane Potential

MetaNeuron의 Lesson 메뉴 중 Resting Membrane Potential 선택

1. Equilibrium Potential

   • 세포 밖의 Na⁺ 농도가 100 mM, 세포 안의 Na⁺ 농도가 10 mM 일 때, Na⁺ 의 평형전압은 얼마인가?

   • 세포 밖의 Na⁺ 농도가 10 mM, 세포 안의 Na⁺ 농도가 100 mM 일 때, Na⁺ 의 평형전압은 얼마인가?

   • 세포 밖의 K⁺ 농도가 100 mM, 세포 안의 K⁺ 농도가 10 mM 일 때, K⁺ 의 평형전압은 얼마인가?

   • 왜 그런가?
2. Membrane Potential

   • [ Na⁺_OUT, Na⁺_IN, K⁺_OUT, K⁺_IN ] = [100, 10, 10, 100] mM 이고,

   • Na⁺ permeability = 1, K⁺ permeability = 100 일 때 Membrane Potential은?

   • Na⁺ permeability = 100, K⁺ permeability = 1 일 때 Membrane Potential은?

   • Na⁺-, K⁺ permeability를 조절해서 Membrane Potential = 0 mV 을 만들 수 있는가?

Axon Action Potential

MetaNeuron의 Lesson 메뉴 중 Axon Action Potential 선택

1. Membrane parameter 설정

   • [ Na⁺-, K⁺- equilibrium potential ] = [ 50, -77 ] (기본값)

     • gNa, gK : Na⁺-, K⁺- 이온의 conductance (=permeability)

     • TTX: voltage-gated Na⁺ channel blocker (복어독)

     • TEA: voltage-gated K⁺ channel blocker (전갈독)

   • Membrane Leakage
     • Reversal potential: leak current의 방향이 바뀌는 membrane potential

     • gLeak (mS/cm²): leak conductance.

   • Holding Current
     • Holding (µA): background 전류. 보통의 경우 0 µA
   • Stimulus
     • Amplitude (µA): 자극(전류)의 크기
     • Width (ms): 자극의 지속시간
     • Delay (ms): 자극의 onset 전 delay
2. Action Potential의 역치 관찰하기
   • Membrane parameter를 기본값으로 설정한 상태에서 (메뉴 중 Restore Lesson to Default 실행)
   • Stimulus 1의 Amplitude에 여러가지 값을 입력하여 역치를 관찰한다.
     • Tip1: Amplitude (µA) 옆 box를 마우스로 드래그 (혹은 Ctrl-드래그)하여 amplitude 값을 바꿀 수 있다.
     • Tip2: Amplitude (µA) 옆 옆 box를 클릭한 후, 아래 Range 입력 창을 이용하여 여러가지 range를 동시에 관찰할 수 있다.
   • 역치는 얼마인가?

3. Action Potential vs. Na⁺ equilibrium potential

   • Stimulus 값을 일정하게 유지한채로

   • Na⁺ equilibrium potential을 바꾸면서 Action Potential이 어떻게 바뀌는지 관찰한다.

   • 왜 그런가?

4. Action Potential vs. Na⁺ conductance

   • Action potential은 voltage-gated Na⁺ channel이 몰려있는 axon hilock에서 발생한다.

   • Voltage-gated Na⁺ channel의 밀도가 낮은 곳은 gNa⁺ max 값이 낮을 것이다.

   • gNa⁺ max 값을 200~380 mS/cm² 구간에서 20 mS/cm² 스텝으로 바꾸면서 action potential 역치(µA)가 달라지는지 관찰한다.

   • gNa⁺ max vs. AP threshold graph를 그린다.

5. Action Potential vs. K⁺ conductance

   • Stimulus 값을 일정하게 유지한채로

   • gK⁺ max 값을 바꾸면서 Action Potential이 어떻게 바뀌는지 관찰한다.

   • Potassium ion의 conductance가 action potential에 어떤 영향을 미치는가? 왜 그런가?

Refractory Period

MetaNeuron의 Lesson 메뉴 중 Axon Action Potential 선택

1. Graph 설정 패널의 Sweep duration을 10 ms 로 늘리고,
2. Stimulus 1의 amplitude를 150 µA로 설정,
3. Stimulus 2를 켜고, delay를 6 ms 로 설정하면 두번째 AP가 관찰된다.

   • 

4. Stimulus 2의 amplitude를 줄이면서 두번째 AP의 역치를 찾는다.
5. Stimulus 2의 delay를 5 ms 로 줄이면 AP가 사라진다. 이 때 amplitude를 늘려서 새로운 역치를 찾는다.
6. Stimulus 2의 delay를 4 ms 로 줄이면 AP가 사라진다. 이 때 amplitude를 늘려서 새로운 역치를 찾는다.
7. Stimulus 2의 delay를 계속 줄여서 1 ms 가 될 때까지 반복한다 (delay는 소수점도 입력가능하다.)
8. Stimulus 2의 delay vs. threshold amplitude 그래프를 그리고, absolute refractory period와 relative refractory period를 구분한다.