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13.08.2019 | Ausgabe 1/2019

Journal of Computational Neuroscience 1/2019

Electrodiffusion models of synaptic potentials in dendritic spines

Zeitschrift:
Journal of Computational Neuroscience > Ausgabe 1/2019
Autoren:
Thibault Lagache, Krishna Jayant, Rafael Yuste
Wichtige Hinweise
Action Editor: Upinder Singh Bhalla

Electronic supplementary material

The online version of this article (https://​doi.​org/​10.​1007/​s10827-019-00725-5) contains supplementary material, which is available to authorized users.

Publisher’s note

Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.

Abstract

The biophysical properties of dendritic spines play a critical role in neuronal integration but are still poorly understood, due to experimental difficulties in accessing them. Spine biophysics has been traditionally explored using theoretical models based on cable theory. However, cable theory generally assumes that concentration changes associated with ionic currents are negligible and, therefore, ignores electrodiffusion, i.e. the interaction between electric fields and ionic diffusion. This assumption, while true for large neuronal compartments, could be incorrect when applied to femto-liter size structures such as dendritic spines. To extend cable theory and explore electrodiffusion effects, we use here the Poisson (P) and Nernst-Planck (NP) equations, which relate electric field to charge and Fick’s law of diffusion, to model ion concentration dynamics in spines receiving excitatory synaptic potentials (EPSPs). We use experimentally measured voltage transients from spines with nanoelectrodes to explore these dynamics with realistic parameters. We find that (i) passive diffusion and electrodiffusion jointly affect the dynamics of spine EPSPs; (ii) spine geometry plays a key role in shaping EPSPs; and, (iii) the spine-neck resistance dynamically decreases during EPSPs, leading to short-term synaptic facilitation. Our formulation, which complements and extends cable theory, can be easily adapted to model ionic biophysics in other nanoscale bio-compartments.

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