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シナプスシグナル伝達ネットワークは、洗練された細胞計算が可能です。これらには、さまざまな入力パターンに選択的に応答し、長期にわたって応答の変化を維持する機能が含まれます。化学環境は拡散と確率性によって強く影響を受けるため、シナプスの少量はシグナル伝達の分析を複雑にします。この研究は、以前に提案されたシナプスシグナル伝達回路の更新バージョン（Bhalla and Iyengar、1999）に基づいており、双安定性、しきい値、パターン選択性の3つのネットワーク計算特性を少量の3つのネットワーク計算特性を分析します。シミュレーションは、双安定性が持続する可能性のある拡散レジームがあるが、少量の化学ノイズが双安定性を圧倒することを示しています。決定論的な状況では、ネットワークは下部と上部の安定した状態間の遷移の鋭いしきい値を示します。この遷移は拡大され、確率性が考慮されると、個々の遷移が下層と上部の間でパーティションを実行します。3番目のネットワークプロパティであるパターン選択性は、シナプスボリュームでひどく分解されます。ただし、確率的共鳴に類似したプロセスが動作し、パターン選択性を増幅するレジームがあります。これらの結果は、フェムトリターのボリュームに対するシグナル伝達条件の単純なスケーリングがありそうになく、反応複合体形成などの微小環境が信頼性の高い少量シグナル伝達に不可欠である可能性があることを意味します。
シナプスシグナル伝達ネットワークは、洗練された細胞計算が可能です。これらには、さまざまな入力パターンに選択的に応答し、長期にわたって応答の変化を維持する機能が含まれます。化学環境は拡散と確率性によって強く影響を受けるため、シナプスの少量はシグナル伝達の分析を複雑にします。この研究は、以前に提案されたシナプスシグナル伝達回路の更新バージョン（Bhalla and Iyengar、1999）に基づいており、双安定性、しきい値、パターン選択性の3つのネットワーク計算特性を少量の3つのネットワーク計算特性を分析します。シミュレーションは、双安定性が持続する可能性のある拡散レジームがあるが、少量の化学ノイズが双安定性を圧倒することを示しています。決定論的な状況では、ネットワークは下部と上部の安定した状態間の遷移の鋭いしきい値を示します。この遷移は拡大され、確率性が考慮されると、個々の遷移が下層と上部の間でパーティションを実行します。3番目のネットワークプロパティであるパターン選択性は、シナプスボリュームでひどく分解されます。ただし、確率的共鳴に類似したプロセスが動作し、パターン選択性を増幅するレジームがあります。これらの結果は、フェムトリターのボリュームに対するシグナル伝達条件の単純なスケーリングがありそうになく、反応複合体形成などの微小環境が信頼性の高い少量シグナル伝達に不可欠である可能性があることを意味します。
The synaptic signaling network is capable of sophisticated cellular computations. These include the ability to respond selectively to different patterns of input, and to sustain changes in response over long periods. The small volume of the synapse complicates the analysis of signaling because the chemical environment is strongly affected by diffusion and stochasticity. This study is based on an updated version of a previously proposed synaptic signaling circuit (Bhalla and Iyengar, 1999) and analyzes three network computation properties in small volumes: bistability, thresholding, and pattern selectivity. Simulations show that although there are diffusive regimes in which bistability may persist, chemical noise at small volumes overwhelms bistability. In the deterministic situation, the network exhibits a sharp threshold for transition between lower and upper stable states. This transition is broadened and individual runs partition between lower and upper states, when stochasticity is considered. The third network property, pattern selectivity, is severely degraded at synaptic volumes. However, there are regimes in which a process similar to stochastic resonance operates and amplifies pattern selectivity. These results imply that simple scaling of signaling conditions to femtoliter volumes is unlikely, and microenvironments, such as reaction complex formation, may be essential for reliable small-volume signaling.
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