The suprachiasmatic nucleus(SCN) is a self-sustained circadian rhythm generator in the mammal. The internal molecular oscillations create circadian change of physiological signals those come out with high firing frequency in day time and low firing frequency at night. The underlying physiological mechanism and relationship between components of contributed channels are still unknown. We tried to find a biologically faithful model simulation of SCN channel contribution to circadian rhythm. We constructed computational model of spontaneous firing SCN neuron and tested with experimental evidences in previous studies. After verification of the model, we investigated spontaneous firing rate (SFR) with variations of conductance in specific channels mainly contributing SFR change. Simulation of channels correlated with SFR and reconstruction of day/night circadian rhythmic firing rate change could show the underlying principles of physiological mechanisms in SCN neuron. We also checked the circadian firing rhythm with conductance change in time and predicted cuspidal shape of conductance change for sinusoidal circadian firing pattern. With these predicted parameters we reproduced sinusoidal circadian firing rhythm. This study showed the possibility of controlling multi variables with voluntary time with SCN neuron model and developing model of SCN neuron activities (i.e. network model).
시교차상핵은 모든 동물에서 생체 리듬을 조절하는 기관으로, 스스로 24시간에 가까운 주기에 따라 활동성을 변화시켜 체온, 호르몬, 활동성 등 신체의 일주기 변화를 발생시킨다. 시교차상핵 신경세포에 대한 연구는 과학적 이슈일 뿐 아니라 사회, 경제적 측면에서의 파급효과도 매우 크기 때문에 지속적인 연구가 이뤄졌다. 시교차상핵 신경세포는 세포 내부의 유전자 전사 발현 주기와 외부 빛 자극에 대한 반응으로 일주기를 가지는 자발적 활동전위를 발생하며, 이 신호가 주변 신경세포 및 다른 기관의 일주기 운동에 영향을 주게 된다. 이러한 전기생리학적 신호 전달에 대한 연구는 활성화돼 있지만, 실험적으로는 단편적 사실에 대한 단속적 관찰만이 가능하여 내재된 원리를 탐구하기에 한계가 존재한다. 따라서 시교차상핵 신경세포의 일주기 변화에 대한 컴퓨터 모델링을 통해 변화에 영향을 주는 요소들의 기여 정도와 원리를 탐구해 볼 수 있을 것이다.
이 논문에서는 시교차상핵 신경세포의 전기생리학적 활동 전위와 그 일주기 변화를 The NEURON 프로그램을 이용하여 구현하였다. 활동 전위 발생과 조절에 필수적인 이온 채널들이 선택되었고, 이온 채널들의 컨덕턴스 변화에 따라 자발적 활동전위가 달라지는 모습을 확인할 수 있었다. 또한 각 이온 채널들의 역할을 검증하기 위해 각 채널을 제거한 결과를 이전 실험들의 데이터와 비교하여 유사한 결과를 도출했다. 그리고 시간의 흐름에 따른 이온 채널 컨덕턴스 값의 변화패턴을 가정하고 그에 따른 활동전위 발생 빈도수의 변화를 검토한 결과, 컨덕턴스 증가시에 첨점의 형태를 가지는 패턴(Cuspidal shape)이 실제 실험 결과와 일치하는 일주기 변화를 유도할 것이라 예측할 수 있었다. 이러한 예측에 따라 만들어진 컨덕턴스 변화로 실제 활성전위 빈도수의 일주기 변화를 재현할 수 있었다.
이 논문의 연구에 대한 보다 엄밀한 검증을 통해 모델을 발전시킨다면 시교차상핵의 생체 주기 조절 원리를 이해하는 유용한 모델이 될 수 있을 것이다.
