Dynamics of the membrane potential: studies of the membrane potential of Jurkat cells using wavelet and wavelet bispectral analysis

Abstract

Fluctuations are fundamental for living organisms. They arguably result from interactions with the complex, and unpredictable environment, and can often be manifested as temporal variability. The cell must continually resist the external variations in the osmotic pressure by continuous adjustments in the intracellular concentrations. This happens through a highly specialised network of membrane transporters, and is manifested in the dynamics of the membrane potential. The aim of the work presented here is to provide understanding and insight into the dynamics of the free-running membrane potential in nonexcitable cells, based on experimental data. In order to achieve this, first the quantitative comparisons of the average values of the membrane potential and their standard deviations recorded in various conditions are made. The analysis is further extended through the use of the wavelet transform to investigate the time and frequency components of the signal. This work is the first to report an intermittent oscillations in the membrane potential around frequency of 8 mHz but also around frequencies of 0.03, 0.05 or 0.09 Hz. To further understand this dynamics from univariate time series, time-reversibility is investigated and a novel wavelet-bispectral density analysis is developed. The wavelet-bispectral density allows for a formal quantitative, not merely qualitative interpretation of the results of wavelet-bispectral analysis. Finally, the newly developed autowavelet-bispectral analysis is applied to the recordings of the membrane potential. These indicate possible nonlinear couplings between different oscillatory modes in the cellular membrane potential.

Les fluctuacions són fonamentals pels éssers vius i probablement siguin el resultat d’interaccions amb un entorn complex i impredictible. Aquest tipus d’activitat es pot manifestar en forma de variabilitat temporal. Les cèl.lules han de resistir contínuament les variacions externes de la pressió osmòtica fent reajustaments continus de les concentracions intracel.lulars. Això és possible gràcies a una xarxa altament especialitzada de transportadors de membrana i dóna lloc a la dinàmica del potencial de membrana. L’objectiu d’aquest treball és proporcionar una millor comprensió de la dinàmica del potencial lliure de membrana en cèl.lules no excitables a partir de dades experimentals. Amb aquest objectiu i en primer lloc, comparem la mitjana i la desviació estàndard del potencial de membrana en diferents condicions de registre. Complementem aquesta anàlisi investigant les components temporo-freqüencials de la senyal mitjançant la transformada wavelet. Aquest és el primer treball on es reporten oscil.lacions intermitents del potencial de membrana amb una freqüència aproximada de 8 mHz, però també al voltant de 0.03, 0.05 i 0.09 Hz. Per entendre millor aquest comportament en el context d’una sèrie temporal univariada, utilitzem el biespectre-wavelet i l’anàlisi de reversibilitat del temps. A més, proposem una nova mesura, la densitat biespectral-wavelet, que permet fer una interpretació quantitativa -i no només qualitativa- dels resultats de l’ànalisi biespectralwavelet. L’aplicació del nou formalisme als registres del potencial de membrana posa de manifest l’existència de possibles acoblaments no lineals entre diferents modes oscil.latoris en el potencial de membrana.