مطالعۀ تأثیر میدان الکتریکی نوسانی در زمان و مکان بر فعالیت نورونی به کمک مدل نورون نقطه‌ای توسعه‌یافته

Abstract

با توجه به ساختار الکتریکی- شیمیایی سلول‌های عصبی، انتظار می‌رود که اعمال تحریک الکتریکی بر دینامیک‌ شبکه‌های عصبی تأثیر گذاشته، و فعالیت مغزی را تقویت یا تضعیف کند. برهمین مبنا در دو دهۀ گذشته، استفاده از تحریک الکتریکی برای درمان اختلالات عصبی مانند افسردگی، صرع، پارکینسون، و … مقبولیت زیادی پیدا کرده‌است. البته پاسخ بافت عصبی به تحریک بیرونی، خطی نیست، یعنی مطالعات عملی بر روی مدل‌های حیوانی و نیز مدل‌سازی‌های محاسباتی، نشان می‌دهند که تغییر در دامنه و الگوی تغییرات تحریکِ الکتریکی می‌تواند به نتایج کاملاً متفاوتی منجر شود. در اغلب روش‌های تحریک، میدان الکتریکی ناشی از تزریقِ مستقیم جریان به سَر (و مغز) شدت نسبتاً پایینی دارد. درک ناقص از سازوکار و پیچیدگی‌های تحریکِ الکتریکی، گاهی پزشکان را به اتخاذ رویکردِ مبتنی ‌بر آزمون و خطا وادار می‌سازد؛ یعنی عملا بیمار را در معرض خطر قرار می‌دهد. ما با استفاده از مدل‌سازی محاسباتی، و به صورت تحلیلی پاسخ غشای تک نورون به تحریک جریانی خارج سلولی را که در مکان و زمان نوسان می‌کند محاسبه کرده، و اثر ویژگی‌های مختلف تحریک خارج سلولی بر پاسخ نورونی را بررسی کرده‌ایم. مشخصاً، ناهمگنی مکانی میدان الکتریکی، و اثرگذاری آن بر فعالیت نورون را، با استفاده از مدل توسعه‌یافتۀ نقطه‌ای که ساده اما حاوی اطلاعات هندسی سلول عصبی است، اولین‌بار و به‌طور کامل در نظر گرفته‌ایم. نتایج به دست‌آمده نشان می‌دهند که پاسخ وابسته به بسامد زمانی نورون‌ها شدیداً به بسامد و فاز مکانی تحریک بستگی دارد. در واقع شدت ناهمگنی میدان در مکان می‌تواند رفتار بسامدی نورون را تحت تأثیر قرار دهد. نتایج این مطالعه به طراحی روش‌های بهینه برای تحریک بافت عصبی، و همچنین تخمین میزان خطرات ناشی از قرار گرفتن ناخواسته در میدان های الکتریکی کمک می‌کند.

Keywords

• تحریک الکتریکی مغز
• میدان الکتریکی ناهمگن
• مدل گوی و میله
• نورون نقطه‌ای توسعه یافته
• رفتار بسامدی