Set of Simulators of the Electrophysiology of the A-Type Potassium Current (IA) in Neurons / Conjunto de Simuladores de la Electrofisiología de la Corriente de Potasio Tipo-A (IA) en Neuronas

Abstract The A-type potassium current (IA) participates in important brain functions, including neuronal excitability, synaptic integration, and regulation of action potential patterns and firing frequency. Based on the characterization of its electrophysiological properties by current and voltage clamp techniques, mathematical models have been developed that reproduce IA function. For such models, it is necessary to numerically solve equations and utilize hardware with special speed and performance characteristics. Since specific software for studying IA is not found on the Internet, the aim of this work was to develop a set of simulators grouped into three computer programs: (1) IA Current, (2) IA Constant-V Curves and (3) IA AP Train. These simulators provide a virtual reproduction of experiments on neurons with the possibility of setting the current and voltage, which allows for the study of the electrophysiological and biophysical characteristics of IA and its effect on the train of action potentials. The mathematical models employed were derived from the work of Connor et al., giving rise to Hodgkin-Huxley type models. The programs were developed in Visual Basic® and the differential equation systems were simultaneously solved numerically. The resulting system represents a breakthrough in the ability to replicate IA activity in neurons.

Resumen La corriente de potasio tipo-A (IA) tiene importantes funciones cerebrales como: excitabilidad neuronal, integración sináptica y regulación de patrones de potenciales de acción y la frecuencia de disparo. Sus propiedades electrofisiológicas se han caracterizado mediante técnicas de fijación de corriente y de voltaje. A partir de estos conocimientos se desarrollaron modelos matemáticos que reproducen su función. La cantidad de ecuaciones a resolver hace que se requiera de hardware con velocidad y potencia especiales. Un software específico para el estudio propio de la corriente IA no se ha encontrado en Internet. En este trabajo se presenta un conjunto de simuladores agrupados en tres programas de cómputo: (1) Corriente IA, (2) Curvas Constante-V y (3) Tren-IA, que permiten reproducir los experimentos con técnicas de fijación de corriente y de voltaje para estudiar las características electrofisiológicas y biofísicas de la corriente IA, e investigar el efecto que tiene en el tren de potenciales de acción. Los modelos matemáticos utilizados fueron derivados de los trabajos de Connor et al., dando origen a modelos tipo Hodgkin y Huxley. Los programas fueron desarrollados en Visual Basic®. Los sistemas de ecuaciones diferenciales fueron resueltos simultáneamente de forma numérica. Los programas desarrollados contribuyen a solucionar la carencia de este tipo de programas.

Desarrollo de un Simulador de los Experimentos Clásicos y Actualizados de Fijación de Voltaje de Hodgkin y Huxley / Developing a simulation program for classic and updated Hodgkin and Huxley's voltage clamp experiments

Resumen: Los estudios de Hodgkin y Huxley fueron el punto de partida de la generación de modelos matemáticos que explican, reproducen y predicen los resultados experimentales del comportamiento de los canales iónicos sensibles a voltaje del axón. Los altos costos de estos experimentos impiden su implementación en la práctica docente de licenciatura. Una alternativa didáctica son los experimentos virtuales mediante simuladores computacionales. En este trabajo se presenta el desarrollo de un simulador que reproduce paso a paso los experimentos clásicos de Hodgkin y Huxley sobre las conductancias de los canales dependientes de voltaje del axón gigante de calamar. El simulador fue desarrollado en lenguaje Visual Basic ver 5.0 para ambiente Wiindows® . Está formado de cuatro módulos: (1) simulación de corrientes iónicas; (2) experimentos clásicos de Hodgkin y Huxley; (3) versión actual del modelo; (4) potenciales de acción. Consta de pantallas de interfaz que permiten simular y calcular los valores de las variables relacionadas con la conductancia de los canales. El usuario puede realizar una cantidad ilimitada de experimentos virtuales que le facilitarán la comprensión del tema.

Abstract: Hodgkin and Huxley ́s works were the starting point to generating mathematical models for explain, reproduce the experimental results and predict the behavior of voltage-sensitive ion channels in the axon. The high costs of these experiments avoid its implementation in teaching degree. An educational alternative is virtual experiments using computer simulations. In this work the development of a simulator that reproduces step by step the classic experiments of Hodgkin and Huxley on the conductance of voltage-dependent channels in squid giant axon is presented. The simulator was developed in Visual Basic language, ver 5.0 for Windows environment. It consists of four modules: (1) ionic currents simulation; (2) classical Hodgkin and Huxley ́s experiments; (3) current version model; (4) action potentials. It comprises connecting interface screens that allow simulate and compute the values of the variables associated with the channel conductance. The user can perform an unlimited number of virtual experiments that will facilitate the understanding of the subject.