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

Abstract

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 plasticity

Організація 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.