Einfluß der dendritschen Zellstruktur auf die Verstärkung des Sauerstofftransports in Nervenzellen

Abstract

Zusammenfassung Die physiologische Behandlung von biologischen Körpern ist abhängig vom Sauerstoffniveau und der Umsetzungsdynamik in dem Gewebe oder der Zelle. Sauerstoff ist eines der wichtigsten Elemente für die Funktion einer Nervenzelle. Es ist allgemein bekannt, dass der Dendrit einer Nervenzelle für den Transport von Nervensignalen bestimmend ist. Es ist hingegen weniger bekannt, dass die Dendritstruktur auch für den Stofftransport bestimmend ist. Für ein besseres Verständnis der Bedeutung des Sauerstoffs in aus einem Dendriten und einem Axon bestehenden Nervenzellen, wird ein neues theoretisches Modell empfohlen. Die stationäre und instationäre Verteilung der Sauerstoffkonzentration in der gesamten Nervenzelle wird mit Hilfe der Green-Methode analytisch bestimmt. Parameterstudien werden vorgestellt, um den Einfluß der Abmessungen, der Dendritstruktur, der Umsetzungsrate und der Randbedingungen auf die Sauerstoffkonzentration in der Nervenzelle aufzuzeigen. Kriterien für die Bewertung einer Vorschädigung von Nervenzellen durch einen Sauerstoffmangel werden erstellt. Die Ergebnisse dieser Studie ermöglichen eine neue Bewertung der physiologischen Vorgänge innerhalb von Nervenzellen.

The oxygen level and consumption dynamics often determine the physiological behaviors of biological bodies either in tissue or cellular level. In fact, oxygen is one of the most important elements for a nerve cell to appropriately functioning or even surviving. It has been well known that the dendritic structure of a nerve cell is critical for its signal processing and transferring. But little is known about the role of this structure in some important mass transport processes. To better understand the oxygen utilization by the neuron, which is composed of soma, dendrites and axon, a new conceptual theoretical model and its simplified form for oxygen diffusion and consumption over the dendrite, axon and soma were developed in this paper. Efforts were made to interpret the effects of neuron structure to the transport and consumption of oxygen. The steady state and transient oxygen concentration distributions over the whole neuron system were analytically solved by way of Green’s function method. Parametric studies on the influences of the size, the dendritic structure, the consumption rate, and the surrounding conditions etc. to the oxygen concentration transient in neuron were carried out. Criterions to evaluate the neuron injury due to insufficient oxygen supply were established. Results from this study will provide a new view on the physiological function of dendrites and axon.