Peculiarities of the Tail-Withdrawal Reflex Circuit in Aplysia: a Model Study

The circuit of the tail-withdrawal reflex in Aplysia opens up possibilities to construct model systems allowing researchers to effectively investigate simple forms of learning and memory. Using the Python interface of the NEURON software, we simulated this reflex circuit and studied various characteristics of the latter. The phenomenon of spike frequency adaptation (SFA) and the period-adding bifurcation of the minimum were found in sensory neurons, when the latter were stimulated by square-wave stimuli. In all neurons of the circuit, variation of the stimulus strength first increased and then decreased the number of spikes in a burst. In addition, with decreases in the number of stimulated sensory neurons, a subliminal firing other than that in an intact burst appeared at the outputs of interneurons and motor neuron. Moreover, the potentials produced in the motor neuron induced corresponding oscillations of the muscle fiber force, which was indicative of a procedure of excitement-contraction coupling in the tail part of Aplysia. Finally, upon alteration of the conductance of synapses between interneurons and motoneuron, the duration of long-lasting responses increased regularly, implying synaptic plasticityОрганізація нервової мережі відсмикування „хвоста” в аплізії дозволяє побудувати модельну систему, за допомогою якої можна ефективно досліджувати прості форми навчання та пам’яті. Використовуючи інтерфейс Python та програмний засіб NEURON, ми змоделювали даний рефлекс та дослідили декілька властивостей модельної мережі. Феномени адаптації частоти розряду (SFA) та біфуркації з доданням періоду при мінімумі частоти спостерігалися в сенсорних нейронах в умовах стимуляції прямокутними стимулами. В усіх нейронах мережі зміни сили стимуляції призводили спочатку до збільшення числа піків у пачках, а потім до його зменшення. Окрім того, при зменшенні кількості стимульованих сенсорних нейронів на виходах інтернейронів та моторного нейрона з’являлася підпорогова кайма, що відрізнялася від такої в інтактних пачок. Більш того, потенціали, продуковані моторним нейроном, індукували відповідні осциляції сили, розвинутої м’язовим волокном, що свідчило про сполучення процесів збудження/скорочення у хвостовій частині аплізії. Нарешті, при змінах провідності синапсів між інтернейронами та мотонейронами тривалість „довгих” імпульсних відповідей закономірно збільшувалася, що вказувало на прояви синаптичної пластичності

Gradient Trigger Mechanisms Related to Bistability Regimes in a Leech Heartbeat Model

We studied bursting patterns underlied by bifurcation phenomena and chaotic spiking in a computational leech heartbeat model. We observed the gradient physical properties of the ISI trains and amplitude (shift of the membrane potential) when the parameter gleak was mildly changed and found different bistable areas. The resulting computation implies that (i) classification of the intensity of the input information is feasible in this regime, (ii) a neuron’s working level can be marked by its range in a typical bifurcation, and (iii) there are invisible triggers underlying subtle mechanisms in the model.Ми досліджували пачкові імпульсні патерни, що формувалися на основі феноменів біфуркації, та хаотичну імпульсну активність у комп’ютерній моделі керування серцевими скороченнями у п’явки. Ми спостерігали градієнтність фізичних властивостей, що визначали характеристики послідовностей імпульсів та амплітуду (зміщення мембранного потенціалу), при невеликих змінах параметра gleak (провідності витоку). Було також виявилено, що існують різні зони бістабільності. Результати комп’ютерного моделювання вказують на те, що, по-перше, в такому режимі може забезпечуватися класифікація інтенсивності вхідної інформації; по-друге, робочий рівень для нейрона визначаеться його положенням у типовій біфуркації, і, по-третє, існують «невидимі» тригери, на яких базуються тонкі механізми моделі

Spike Timing-Dependent Plasticity in the CA1 Pyramidal Neuron in a Modeled Hippocampal Circuit

Spike timing-dependent plasticity (STDP) plays an important role in sculpting informationstoring circuits in the hippocampus, since motor learning and memory are thought to be closely linked with this classical plasticity. To further understand the information delivery in a hippocampus circuit, we build a computational model to study the potential role of linear changes in the synaptic weight and synaptic number. Several key results have been obtained: (i) Changes in the synaptic weight and numbers lead to different long-term modification; (ii) the first paired spiking from two neurons significantly influences the adjusted subsequent paired spiking; the pre-post spiking pair strengthens the following paired spiking; however, the post-pre spiking pair depresses the subsequent spiking; (iii) when the synaptic weight and synaptic numbers are changed, the interval of the first spiking pair may undergo reduction, and (iv) when we stimulate a stellate neuron weakly or decrease the capacitance of CA1 pyramidal neuron, LTP is more easily produced than LTD; on the contrary, LTD is more easily produced in an opposite situation; increase in the synaptic numbers can promote activation of the CA1 pyramidal neuron.Пластичність, залежна від часу генерування піків (spike timing-dependent plasticity – STDP), відіграє важливу роль у формуванні нейромереж, що накопичують інформацію в гіпокампі; вважається, що моторне навчання та пам’ять тісно пов’язані з пластичністю цього типу. Для глибшого розуміння процесів передачі інформації в гіпокампальній нейромережі ми створили комп’ютерну модель, щоб вивчити потенціальну роль лінійних змін синаптичної ваги та числа синапсів у таких мережах. Було отримано чотири основні результати: 1) зміни ваги та числа синапсів можуть призводити до появи різних феноменів довготривалої модифікації; 2) перша пара потенціалів дії, генерована двома нейронами, істотно впливає на характеристики другої пари піків; генерація пари піків у пре-пост-послідовності полегшує генерацію наступної пари, тоді як пост-прегенерація пари пригнічує генерацію наступної пари; 3) коли вага синапсів та їх кількість змінюються, інтервал у першій парі піків зменшується; 4) коли стимулювати зірчастий нейрон з невеликою інтенсивністю або зменшити ємність пірамідного нейрона CA1, легше індукується довготривала потенціація; у протилежній ситуації легше виникає довготривала депресія; збільшення числа синапсів полегшує активацію пірамідного нейрона CA1

Dynamic Properties of Purkinje Cells Having Different Electrophysiological Parameters: A Model Study

Simple spikes and complex spikes are two distinguishing features in neurons of the cerebellar cortex; the motor learning and memory processes are dependent on these firing patterns. In our research, the detailed firing behaviors of Purkinje cells were investigated using a computer compartmental neuronal model. By means of application of numerical stimuli, the abundant dynamical properties involved in the multifarious firing patterns, such as the Max-Min potentials of each spike and period-adding/period-doubling bifurcations, appeared. Neuronal interspike interval (ISI) diagrams, frequency diagrams, and current-voltage diagrams for different ions were plotted. Finally, Poincare mapping was used as a theoretical method to strongly distinguish timing of the above firing patterns. Our simulation results indicated that firing of Purkinje cells changes dynamically depending on different electrophysiological parameters of these neurons, and the respective properties may play significant roles in the formation of the mentioned characteristics of dynamical firings in the coding strategy for information processing and learning.Генерація простих та складних потенціалів дії є специфіч- ною властивістю нейронів мозочкової кори; моторне навчання і проце си формування пам’яті за лежать від генерації даних патернів розряду. В нашій роботі ми провелидетальне до слідження проце сів генерації імпульсної активності клітинами Пуркін’є з використанням компартментної (включаючи сому) моделі нейрона. В умовах прикладання оцифрованих стимулів у модельованого нейрона проявлявся багатий набір динамічних властивостей, що зумовлювало генерацію різноманітних розрядних патернів; це відбивало сь у відповідних діаграмах максимальних/мінімальнихпотенціалів для кожного піку та появі біфуркацій із феноменами додання або подвоєння періодів. Були побудовані діаграми міжімпульсних інтервалів, значень частоти та залежностей струм–потенціал для різних іонів. Нарешті, побудова мап Пуанкаре була використана як теоретичний метод для переконливої диференціації часових характеристик зазначених вище розрядних патернів. Як показали результати нашого моделювання, розрядна активність клітин Пуркін’є динамічно змінюється залежно від варіації електрофізіологічних параметрів цих нейронів, і відповідні властивості можуть відігравати істотну роль у формації згаданих вище характеристик динамічних розрядів, що мають відношення до стратегії кодування в перебігу обробки інформації та процесів навчання

Green's function approach to the magnetic properties of the kagome antiferromagnet

The $S=1/2$ Heisenberg antiferromagnet is studied on the kagom\'e lattice by using a Green's function method based on an appropriate decoupling of the equations of motion. Thermodynamic properties as well as spin-spin correlation functions are obtained and characterize this system as a two-dimensional quantum spin liquid. Spin-spin correlation functions decay exponentially with distance down to low temperature and the calculated missing entropy at T=0 is found to be $0.46\ln{2}$. Within the present scheme, the specific heat exhibits a single peak structure and a $T^2$ dependence at low temperature.Comment: 6 (two-column revtex4) pages, 5 ps figures. Submitted to Phys. Rev.

Freezing and large time scales induced by geometrical frustration

We investigate the properties of an effective Hamiltonian with competing interactions involving spin and chirality variables, relevant for the description of the {\it trimerized} version of the spin-1/2 {\it kagome} antiferromagnet. Using classical Monte Carlo simulations, we show that remarkable behaviors develop at very low temperatures. Through an {\it order by disorder} mechanism, the low-energy states are characterized by a dynamical freezing of the chiralities, which decouples the lattice into ``dimers'' and ``triangles'' of antiferromagnetically coupled spins. Under the presence of an external magnetic field, the particular topology of the chiralities induces a very slow spin dynamics, reminiscent of what happens in ordinary spin glasses.Comment: 12 pages, 13 figure

On the magnetism of Ln{2/3}Cu{3}Ti{4}O{12} (Ln = lanthanide)

The magnetic and thermodynamic properties of the complete Ln$_{2/3}$Cu$_3$Ti$_4$O$_{12}$ series were investigated. Here $Ln$ stands for the lanthanides La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, and Yb. %Most of the compounds were prepared as single phase polycrystalline powder %without any traces of impurities. Marginal amounts of %impurities $(< 2$ were detected $Ln=$ Gd, Er, and Tm. %Significant amounts of impurity phases were found for $Ln=$ Ce and Yb. All the samples investigated crystallize in the space group $Im\bar{3}$ with lattice constants that follow the lanthanide contraction. The lattice constant of the Ce compound reveals the presence of Ce$^{4+}$ leading to the composition Ce$_{1/2}$Cu$_3$Ti$_4$O$_{12}$. From magnetic susceptibility and electron-spin resonance experiments it can be concluded that the copper ions always carry a spin $S=1/2$ and order antiferromagnetically close to 25\,K. The Curie-Weiss temperatures can approximately be calculated assuming a two-sublattice model corresponding to the copper and lanthanide ions, respectively. It seems that the magnetic moments of the heavy rare earths are weakly coupled to the copper spins, while for the light lanthanides no such coupling was found. The $4f$ moments remain paramagnetic down to the lowest temperatures, with the exception of the Tm compound, which indicates enhanced Van-Vleck magnetism due to a non-magnetic singlet ground state of the crystal-field split $4f$ manifold. From specific-heat measurements we accurately determined the antiferromagnetic ordering temperature and obtained information on the crystal-field states of the rare-earth ions. The heat-capacity results also revealed the presence of a small fraction of Ce$^{3+}$ in a magnetic $4f^1$ state.Comment: 10 pages, 10 figure

Mass measurements of neutron-deficient Y, Zr, and Nb isotopes and their impact on rp and νp nucleosynthesis processes

© 2018 The Authors. Published by Elsevier B.V. This manuscript is made available under the terms of the Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International licence (CC BY-NC-ND 4.0). For further details please see: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/Using isochronous mass spectrometry at the experimental storage ring CSRe in Lanzhou, the masses of 82Zr and 84Nb were measured for the first time with an uncertainty of ∼10 keV, and the masses of 79Y, 81Zr, and 83Nb were re-determined with a higher precision. The latter are significantly less bound than their literature values. Our new and accurate masses remove the irregularities of the mass surface in this region of the nuclear chart. Our results do not support the predicted island of pronounced low α separation energies for neutron-deficient Mo and Tc isotopes, making the formation of Zr–Nb cycle in the rp-process unlikely. The new proton separation energy of 83Nb was determined to be 490(400) keV smaller than that in the Atomic Mass Evaluation 2012. This partly removes the overproduction of the p-nucleus 84Sr relative to the neutron-deficient molybdenum isotopes in the previous νp-process simulations.Peer reviewe

Susceptibility and dilution effects of the kagome bi-layer geometrically frustrated network. A Ga-NMR study of SrCr_(9p)Ga_(12-9p)O_(19)

We present an extensive gallium NMR study of the geometrically frustrated kagome bi-layer compound SrCr_(9p)Ga_(12-9p)O_(19) (Cr^3+, S=3/2) over a broad Cr-concentration range (.72<p<.95). This allows us to probe locally the kagome bi-layer susceptibility and separate the intrinsic properties due to the geometric frustration from those related to the site dilution. Our major findings are: 1) The intrinsic kagome bi-layer susceptibility exhibits a maximum in temperature at 40-50 K and is robust to a dilution as high as ~20%. The maximum reveals the development of short range antiferromagnetic correlations; 2) At low-T, a highly dynamical state induces a strong wipe-out of the NMR intensity, regardless of dilution; 3) The low-T upturn observed in the macroscopic susceptibility is associated to paramagnetic defects which stem from the dilution of the kagome bi-layer. The low-T analysis of the NMR lineshape suggests that the defect can be associated with a staggered spin-response to the vacancies on the kagome bi-layer. This, altogether with the maximum in the kagome bi-layer susceptibility, is very similar to what is observed in most low-dimensional antiferromagnetic correlated systems; 4) The spin glass-like freezing observed at T_g=2-4 K is not driven by the dilution-induced defects.Comment: 19 pages, 19 figures, revised version resubmitted to PRB Minor modifications: Fig.11 and discussion in Sec.V on the NMR shif

Direct Measurements of the Branching Fractions for D0→K−e+νeD^0 \to K^-e^+\nu_e and D0→π−e+νeD^0 \to \pi^-e^+\nu_e and Determinations of the Form Factors f+K(0)f_{+}^{K}(0) and f+π(0)f^{\pi}_{+}(0)

The absolute branching fractions for the decays $D^0 \to K^-e ^+\nu_e$ and $D^0 \to \pi^-e^+\nu_e$ are determined using $7584\pm 198 \pm 341$ singly tagged $\bar D^0$ sample from the data collected around 3.773 GeV with the BES-II detector at the BEPC. In the system recoiling against the singly tagged $\bar D^0$ meson, $104.0\pm 10.9$ events for $D^0 \to K^-e ^+\nu_e$ and $9.0 \pm 3.6$ events for $D^0 \to \pi^-e^+\nu_e$ decays are observed. Those yield the absolute branching fractions to be $BF(D^0 \to K^-e^+\nu_e)=(3.82 \pm 0.40\pm 0.27)$ and $BF(D^0 \to \pi^-e^+\nu_e)=(0.33 \pm 0.13\pm 0.03)$. The vector form factors are determined to be $|f^K_+(0)| = 0.78 \pm 0.04 \pm 0.03$ and $|f^{\pi}_+(0)| = 0.73 \pm 0.14 \pm 0.06$. The ratio of the two form factors is measured to be $|f^{\pi}_+(0)/f^K_+(0)|= 0.93 \pm 0.19 \pm 0.07$.Comment: 6 pages, 5 figure