調(diào)制波對神經(jīng)元動態(tài)模型放電影響的研究

1、    調(diào)制波對神經(jīng)元動態(tài)模型放電影響的研究溫惠中1a,田學(xué)隆2,歐珊1a,許佳1b,馬翠1c (1.第三軍醫(yī)大學(xué) a神經(jīng)生物學(xué)教研室,神經(jīng)生物學(xué)重慶市市級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,b電子學(xué)與電子工程學(xué)教研室,c數(shù)學(xué)與生物數(shù)學(xué)教研室 重慶 400038;2重慶大學(xué)生物工程學(xué)院 重慶 400030)【摘要】 調(diào)制波攜帶了比普通正弦波更多的信息,其對于神經(jīng)元放電的結(jié)果也隨之發(fā)生變化。本實(shí)驗(yàn)在建立神經(jīng)元動態(tài)仿真模型的基礎(chǔ)上探討正弦波及調(diào)制以后的波刺激對神經(jīng)元放電的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,相對于單一的刺激形式,調(diào)制波刺激能激發(fā)更為復(fù)雜的膜電位變化,其重要原因是調(diào)制波誘導(dǎo)了Ca2+

2、濃度變化,從而導(dǎo)致膜電位更易發(fā)生放電。【關(guān)鍵詞】 調(diào)制波;Chay模型;動態(tài)仿真;電刺激【Abstract】 Modulated wave carries more information than the sine wave,and their results for the neuron are different.In this study,dynamic simulation model of neuron was set up and modulation sine wave stimulation was inserted.The results showed that compa

3、red with a single stimulus,the membrane potential was more complicated.The important reason is that the Ca.2+ concentration was induced by the modulation wave,resulting in that membrane potential are more likely to discharge.【Key words】 Modulation wave,Chay model,dynamic simulation,electrical stimul

4、ation電刺激技術(shù)在臨床中已經(jīng)得到廣泛的使用。其中功能性電刺激1,2 (FES,Functional electrical stimulation)用于治療脊髓損傷、慢性心力衰竭;腦深部電刺激術(shù)3,4 (deep brain stimulation DBS)用于治療帕金森氏病和特發(fā)性震顫;此外在治療嚴(yán)重抑郁患者、肌張力障礙,慢性疼痛等其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病方面電刺激技術(shù)也起到了越來越重要的作用。基于此技術(shù)的神經(jīng)電刺激儀器56 也在不斷地成熟。不同的刺激波形、強(qiáng)度、頻率均會導(dǎo)致不同刺激效果的產(chǎn)生7,8 。中樞神經(jīng)系統(tǒng)具有對不同頻率的體表電刺激做出特異性反應(yīng)的能力,因此在眾多刺激類型參數(shù)中如何選擇合適

5、的刺激形式是電刺激儀器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。而且對于復(fù)雜的神經(jīng)系統(tǒng),單一的刺激方式已不能滿足臨床治療的需要,不同模式組合刺激形式不斷出現(xiàn),近年來,調(diào)制波刺激被嘗試應(yīng)用于刺激波形的設(shè)計(jì),結(jié)果顯示調(diào)制波刺激能有效減緩但是其機(jī)制并未闡明,本文擬利用生物物理學(xué)方法對這種刺激形式做一分析。1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突趧游飳?shí)驗(yàn)的建模仿真技術(shù)通過建立模型和理論分析探討生命活動的特點(diǎn),進(jìn)而從計(jì)算的角度來解決好神經(jīng)系統(tǒng)編碼、表達(dá)和加工信息的目的。當(dāng)疊加不同的電刺激于這些模型時,其輸出生物電便會發(fā)生相應(yīng)的改變,通過分析這些改變就會觀察到不同電刺激所引起的生物物理變化。最為典型的就是Hodgkin和Huxley9 建立的描述神經(jīng)纖維電

6、生理結(jié)構(gòu)的經(jīng)典模型。近年來混沌和分形等非線性動力學(xué)理論的引入,使這種模型能分析心臟系統(tǒng)及神經(jīng)系統(tǒng)中等較為復(fù)雜的電活動。本實(shí)驗(yàn)選用較為典型的Chay模型10 ,這種模型主要是用來研究可興奮神經(jīng)元以及非興奮神經(jīng)元通過細(xì)胞間反饋?zhàn)饔卯a(chǎn)生的振蕩形式中含有異常的神經(jīng)節(jié)律,相對經(jīng)典神經(jīng)元Hodgkin Huxley,新添加了Ca2+通道的動力學(xué)變量,通過研究Ca2+濃度變化對Ca2+敏感K+通道的電導(dǎo)的影響,反應(yīng)出離子波動對神經(jīng)纖維動作電位發(fā)放的慢動力作用。Chay模型涉及參數(shù)較多,但其中主要有V、n和C三個動力學(xué)變量,分別代表膜電壓、K+通道開放概率、細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度。在不同的條件刺激下,各參數(shù)的變化

7、結(jié)果能良好的反映刺激對于神經(jīng)元動作電位的影響。本實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇充分考慮混沌放電的臨界狀態(tài),選取合適的參數(shù)11 搭建模型,圖像及數(shù)據(jù)均采用MATLABR2008a軟件。2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果2.1 正弦波對模型的影響正弦波是儀器設(shè)計(jì)中最常見的波的形式,這種波形容易產(chǎn)生,而且還可以作為其他波形的調(diào)制波形混合使用;此外由于腦內(nèi)神經(jīng)元之間的復(fù)雜聯(lián)系對離子通道、受體等的作用,突觸后電位具有不同的變率和時程,可以通過正弦波的振幅及頻率較好的模擬發(fā)生緩慢的突觸后電位,對正弦波的刺激對神經(jīng)元的影響進(jìn)行相關(guān)的研究。正弦波的參數(shù)選擇不同,其刺激效果也不同(圖1)。在頻率f固定的情況下,膜電位的發(fā)放需要達(dá)到一定的強(qiáng)度(圖

8、1A),隨著刺激幅度的增大,在刺激周期內(nèi)所產(chǎn)生的膜電位的個數(shù)也會增加(圖1B、C);在刺激幅值Id不變的情況下,不同的刺激頻率也會導(dǎo)致膜電位發(fā)放情況的變化,隨著頻率的增加,刺激周期內(nèi)膜電位的個數(shù)成減少趨勢,到最后只產(chǎn)生一個周期性的膜發(fā)放(圖1D、E、F),但是發(fā)放電位的平均時間間隔和平均幅度的波動很小,且發(fā)放的頻率等于刺激半波的頻率。以上結(jié)果可以看到刺激頻率不同、強(qiáng)度不同,神經(jīng)纖維產(chǎn)生的動作電位也有所不同,且在一定的范圍之內(nèi)變化是有一定規(guī)律的。但是,如果將固定參數(shù)的刺激施予患者,則容易導(dǎo)致患者產(chǎn)生適應(yīng)性以及耐受性,這一問題的解決就需要借助于調(diào)制波。2.2 調(diào)制波刺激下膜電位的變化調(diào)制12 是使

9、消息載體的某些特性隨消息變化的過程。調(diào)制的作用是把消息置入消息載體,便于傳輸或處理。用調(diào)制信號控制載波的某些參數(shù),使其隨之變化,就可實(shí)現(xiàn)調(diào)制,由圖2可以看出,與基波相比調(diào)制波的頻率有規(guī)律地發(fā)生著變化。將基波以及調(diào)制波導(dǎo)入Chay模型,發(fā)現(xiàn)其刺激以后膜電位發(fā)生了變化(圖3AE)。可以看到兩種刺激效果膜電位幅值以及發(fā)放的間期(ISI)并未見明顯的變化,但是調(diào)制波刺激產(chǎn)生的膜電位產(chǎn)生了輕微的振蕩。以往的研究表明,在外部刺激或干擾的條件下產(chǎn)生的波形也會有不同程度的振蕩,干擾越大,振蕩程度越大,其主要是由于干擾或者刺激的引入導(dǎo)致了膜放電系統(tǒng)的復(fù)雜性增強(qiáng)。n值表示的是K+通道開放概率,是Chay模型中最重

10、要的動力學(xué)參數(shù)之一,觀察變量n與膜電位發(fā)放的關(guān)系(圖3C、G),可以看到兩者并無明顯的差異。說明在兩種不同條件的刺激下,并未對K+通道開放產(chǎn)生影響,因此刺激以后的膜電位在幅值和ISI未出現(xiàn)明顯的改變(圖3AE)。起主要作用的是調(diào)制波的調(diào)制信號,而不是載波信號。C是另一個最重要的動力參數(shù),其表示細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度,觀察變量C與膜電位發(fā)放的關(guān)系(圖3B、F),發(fā)現(xiàn)后者發(fā)生了分岔13 ,結(jié)合變量n以及VnC(圖3DH)的變化,可認(rèn)為引起膜電位振蕩的原因主要是調(diào)制波刺激中的載波部分引起的細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度的改變,導(dǎo)致刺激的變化更加明顯有效。3 分析及討論由圖2可以看到,調(diào)制以后的波形幅度發(fā)生周期性的變

11、化,而不是保持恒定的狀態(tài),這就保證了刺激施加在機(jī)體的時候能保持一個循序漸進(jìn)的過程,不會產(chǎn)生突兀的刺激感覺。但是由于其有規(guī)律的變化性,也使受刺激部位不至于因?yàn)殚L時間刺激導(dǎo)致適應(yīng)性。膜電位的發(fā)生需要一定的刺激程度,但是過大的刺激會導(dǎo)致機(jī)體耐受性的增強(qiáng),不利于吸收;而以上結(jié)果表明,調(diào)制以后的波形在不影響膜電位發(fā)放的幅值和ISI的基礎(chǔ)上,能夠通過改變細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度,達(dá)到基波刺激所沒有的效果。分岔是重要的動力學(xué)參數(shù)值14 ,其表示跨越臨界點(diǎn)所導(dǎo)致穩(wěn)定狀態(tài)定性變化的現(xiàn)象。相對于基波的刺激,調(diào)制波的引入能使膜電位從穩(wěn)定態(tài)過渡到另一種動態(tài)。這也就可以解釋調(diào)制波刺激以后機(jī)體的敏感性增加,刺激的效率顯著提高5

12、,6 。中頻電刺激相對于低頻電刺激,具有阻抗低、電流易通過的特點(diǎn),且容易被人體吸收。如果將調(diào)制的頻率擴(kuò)大到中頻波段,即低頻調(diào)制的中頻電刺激,則可以滿足更高要求的設(shè)計(jì)。本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果具有一定的推論性,還需要結(jié)合基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)的證明。近年來,將混沌理論引入生物醫(yī)學(xué),使一些令人迷惑不解的現(xiàn)象得到了解決,將混沌控制應(yīng)用于神經(jīng)系統(tǒng)及心血管系統(tǒng)也取得了不錯的效果15 。根據(jù)病情的需求,對不同的波形進(jìn)行調(diào)制,或許對神經(jīng)疾病治療起到顯著的輔助作用。參考文獻(xiàn)：1Sbruzzi G,Ribeiro RA,Schaan BD,et al.Functional electrical stimulation in t

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