Xây dựng mô hình thuật toán kích thích tế bào thần kinh và đáp ứng hành vi nhúng mũi trên chuột

Bài viết xây dựng mô hình thuật toán kích thích đối với đáp ứng hành vi nhúng mũi được mô phỏng. Xây dựng thành công mô hình và thuật toán là cơ sở đánh tham số điện kích thích tối ưu trong nghiên cứu động vật.

K Kỹỹ thuật điều khiển & Điện tử XÂY D DỰNG ỰNG MƠ HÌNH THU THUẬT ẬT TỐN KÍCH THÍCH T TẾ Ế BÀO BÀO TH THẦN ẦN KINH V VÀ À ĐÁP ỨNG H HÀNH ÀNH VI NHÚNG M MŨI ŨI TR TRÊN ÊN CHU CHUỘT ỘT Tạạ Quốc Giáp1*, Lê K Kỳỳ Bi Biên ên1, Nguyễn Nguyễn Lê Lê Chi Chiến ến2, Hoàng Thị Thị Thu Hiền3, Nguyễn Nguyễn Thế Tiến3 Tóm tắt: tắt: Kích thích ện tế bào bào th thần ần kinh đóng vai tr trò ò quan tr trọng ọng nghi nghiên ên điện cứu ứu thực nghiệm tr ên đđộng ộng vật Quan sát hhành ành vi kkết ết hợp với việc thu thập tín hiệu sinh học học là sở sở để đánh giá đáp ứng động vật thơng qua ccác ác tác nhân kích thích bên ngồi kích thích điện, ện, ddược ợc chất… nghi nghiên ên cứu cứu y – dư ợc học, dược việc ệc quan sát hhành ành vi đđộng ộng vật khơng thể mang tính tức thời m mà đòi đ òi hhỏi ỏi phải quan sát trư trường ờng diễn Khảo sát tham số kích thích điện tế bbào thần thần kinh vvà quan sát đáp ứng hhành ành vi nh ất định động vật giúp khảo sát đối ttượng ợng nghiên ccứu ứu cách chủ động, li liên ên ttục ục Trong phần bbài ài báo này, tác gi giảả xây dựng ựng mơ hhình ình thu thuật ật tốn kích thích đáp ứng hhành ành vi nhúng m mũi ược ợc mô ũi đđư Xây dựng thành cơng mơ hình thu thuật ật toán là sở sở đánh tham số điện kích thích tối tối ưu nghiên ccứu ứu động vật Từ khóa khóa:: Kích thích điện điện; T Tế bào thần thần kinh; kinh Tín hiệu ệu sinh học học;; Mơ hình kích thích thích; Thuật Thu tốn kích thích thích;; Đáp ứng hhành ành vi M MỞ Ở ĐẦU Được mô tả từ năm 1954 hai nhà bác hhọc Được ọc Canada llàà James Old Peter Milner nhận nh ận thấy động vật đđược ợc cấy điện cực kích thích điện vvào vùng vách ssẽẽ nhanh chóng học cách quay lại khu vực đđãã được ợc nhận kích thích tr trư ước ớc để tiếp tục nhận th thêm êm kích thích ccủng ủng cố Từ ượng ợng trên, trên, tác gi giảả đã nhận nhận thấy kích thích ddòng òng điện ện ện ttư chiều đóng vai tr chiều tròò nh nh ững phần th thưởng ởng qua huấn luyện động vật thiết kếế ph phù ù hợp hợp để nhận kích thích [[[12] [12]], [[[13] [12]], [13]] ] Hơn nnữa, ữa, kích thích điện tế bbào ần kinh có th thần đặc tính trội nghi nghiên ên ccứu ứu trí nhớ, động lực m màà nghiên ccứu ứu khác sử dụ dụng ng phần th phần thư ưởng ởng là th thức ức ăn, ttình ình dục dục hay ddược ợc chất [[3] [3]], ], [[6] [[6]], ], [[[9] [9]], ddễễ bị ảnh hhư ởng cảm ưởng xúc, tình tr trạng ạng lo lắng hay “b ão hòa” ph phần ần th thưởng ởng [[7] [7]], ], [[8] [[8]], ], [[[10] [10]], ], [[11] [[11]], ], [[[14] [14]] loại ại “bão [14] Là lo kích thích tr trực ực tiếp tác động vvào hệ hệ thống phần th thư ưởng ởng nnão ão bộ, bộ, động vật đư ợc tập thành thục thục ICSS (Intracranial Intracranial self – stimulation) stimulation có th thểể liên liên tục tục thực bbài ập để nhận ài ttập ph thưởng phần thưởng nhiều hay chí ng ngày ày tới lúc kiệt sức Thậm chí, cho ddù ù có th thểể dẫn tới nguy hiểm đến tính mạng, động vật chọn BSR (Brain stimulution reward) thay nh nhận ận đđược ợc thức ăn đđư ược ợc sưởi s ởi ấm môi tr trường ờng có nhiệt độ âm [[4] [4]], ], [[[13] [13]] ] Hơn nữa, nữa, giới hạn định, việc tăng ccường ờng độ kích thích (tương ứng với ới việc tăng liều) gây đáp ứng ICSS tăng ttương ương ứng; ng ngược ợc lại phần th thư ưởng ởng llàà thức ức ăn, nnư ước ớc uống, ttình ình ddục ục hay ddư ược ợc chất gây giảm đáp ứng Hình Đường Đường dẫn truyền Dopamin ccủa hệ mesolimbic vvàà mesocortical não chu chuột ột đư gắn ắn điện cực kích thích thích 96 T Q Giáp, …, N T Ti Tiến, ến, “Xây dựng mơ h hình ình thuật thuật toán … nhúng mũi chu chuột.”” Nghiên cứu khoa học công nghệ Các nghiên cứu cho thấy BSR phổ biến loài động vật từ cá người; nhiều vùng não bó não trước (medial forebrain bundle, MFB), hay vùng não thuộc hệ dopamin mesolimbic Thêm vào đó, số nghiên cứu cho thấy số vùng não khác tham gia vào hệ thống phần thưởng nhân vách vỏ não vùng trán trước [[4]], [[5]], [[12]], [[13]] ICSS mơ hình nghiên cứu lượng giá hành vi mà qua động vật thực nghiệm học cách tự thao tác để phát luồng xung kích thích vào vùng não định mà vùng não cho thuộc đường dẫn truyền liên quan tới xử lý phần thưởng não bộ, tham gia vào điều hòa phần thưởng tự nhiên lẫn ICSS [[12]] MƠ HÌNH THUẬT TỐN KÍCH THÍCH TẾ BÀO THẦN KINH 2.1 Xây dựng mơ hình Trên mơ hình, thơng tin đầu vào – hành vi nhúng mũi chuột tiếp nhận thông qua cảm biến quang, tín hiệu đưa vào mạch xử lý để đếm số lần nhúng mũi Tín hiệu xử lý kiểm sốt chương trình xử lý trung tâm Với lần nhúng mũi thỏa mãn điều kiện tốn, xử lý đưa tín hiệu điều khiển tạo xung kích thích thơng qua cổng giao tiếp ngoại vi IO NI6501 (hình 2) Mạch xử lý Màn hìn h Máy sóng DAC Bộ tạo kích thích IO 6501 Xử lý trung tâm ĐiệncựcKT Cảmbiến Chuột Hình Mơ hình hệ thống kích thích điện đáp ứng hành vi nhúng mũi Xung điện kích thích vào đầu chuột thơng qua điện cực kích thích cấy ghép não chuột Ở tập này, lần chuột nhúng mũi nhận phần thưởng xung kích thích có tác dụng tạo cảm giác hứng thú cho chuột thực hành vi Uđk(V) Xung điều khiển t (ms) Ikt(μA) Xung kích thích t (ms) Hình Dạng tín hiệu điều khiển xung kích thích đồng tự động hệ thống Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 60, - 2019 97 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 2.2 Thuật tốn kích thích tế bào thần kinh đáp ứng hành vi nhúng mũi Từ yêu cầu tập thực nghiệm chuột nhắt, tác giả xây dựng thuật tốn kích thích điện tế bào thần kinh hình đây: Pt = 0; maxPt; chammui = 0; t = 0; maxT; ptDelta = 0; tDelta = 0; delta; countInterval = 0; interval x t; y t Đọc liệu t++; delta++; no chammui =1 yes chammui = 0; pt++; ptDelta++ no tDelta = delta yes lưu ptDelta; ptDelta = 0; tDelta = no t == interval*(countInterval + 1) yes Pt == maxPt || t== maxT yes no countInterval++; Tạm dùng chương trình điều chỉnh tham số Tiếp tục chương trình Hình Lưu đồ thuật tốn kích thích điện nội sọ đáp ứng nhúng mũi Trong đó:           98 Pt: số phần thưởng; maxPt: số phần thưởng lớn (Điều kiện dừng chương trình); chammui: chuột chạm mũi vào cảm biến; t: biến đếm thời gian; maxT: thời gian tối đa (điều kiện dừng chương trình); ptDelta: số phần thưởng khoảng thời gian delta; tDelta: biến đến khoảng thời gian delta; delta: khoảng thời gian - để đếm số phần thưởng khoảng thời gian; countInterval: số lần dừng lại để điều chỉnh tham số; interval: khoảng thời gian để dừng lại điều chỉnh tham số T Q Giáp, …, N T Tiến, “Xây dựng mơ hình thuật tốn … nhúng mũi chuột.” Nghiên ccứu ứu khoa học công nghệ KẾT QUẢ V VÀ À THẢO THẢO LUẬN KẾT Sử dụng ngôn ngữ ngữ C vvàà C++ điều ều khiển đồng hệ thống vvàà thu th thập ập liệu Hình Giao di diện ện ch ương trình trình ghi đáp ứng kích thích với ới hhành ành vi nhúng m mũi ũi chương Bài tập tập với tham số kích thích đđược ợc lựa chọn llàà cường cường độ (intensity) hay tần số (frequency) Bin (hay delta khoảng thời gian để đếm số phần th thư ưởng ởng Tên Tên chu chuột ột delta)) khoảng nhập tr ên giao diện ện Ngồi Ngồi thơng tin vvềề thời gian, đối ttư ượng, ợng, giao diện ccòn òn hi hiển ển thịị số phần th thư ưởng ởng đđơn ơn vị vị thời gian, phi phiên ên ttập ập Các giá trị, tham số điều chỉnh ttùy ùy theo yêu ccầu ầu b ài ttập ập Mỗi chuột thực hành vi nhúng m Mỗi mũi ũi và nâng lên khu vực nhận th ởng z được thưởng coi m ột lần nhúng mũi Khi chuột thực nhúng mũi, cảm biến mức logic cao chuyển thành chuyển thành mức mức logic thấp, tín hiệu đđư ược ợc gửi tới hệ thống xử lý trung tâm T ương ứng Tương vvậy ậy là một lần chuột đđư ược ợc nhận th thư ưởng ởng Chương Chương trình trình ccủa hệ thống đếm số lần chuột nhận th chuột thư ưởng ởng vvàà hi hiển ển thị biểu đồ dạng cột đđư ược ợc cập nhật li liên ên ttục ục số lần nhận th thưởng ởng m ột session ttừng ừng phút (h (hình ình 5) ) K Kết ết thực nghiệm tr trường ờng hợp khảo khảo sát cường c ờng độ kích thích: Bảng ảng 11 Bảng ùy bi biến ến cường c ờng độ thực Bảng kết đáp ứng nhúng mũi ttùy chuột chuột nhắt ng ngày ày Cường độ (µA Cường µA) 20 30 40 50 60 70 chuột chuột 80 90 100 110 120 130 140 ngay1 Ctr07 14 49 95 95 127 120 159 160 136 151 150 Ctr12 27 78 118 159 146 170 151 174 141 155 135 147 160 Ctr14 14 84 94 144 120 107 158 125 113 77 113 34 Ctr16 12 11 87 135 107 93 181 200 202 204 154 194 Ctr21 10 48 66 66 107 135 115 127 162 174 39 Ctr22 11 21 167 70 165 197 177 194 225 Ctr25 23 52 72 100 70 119 161 61 58 19 24 75 Tạp ạp chí Nghi Nghiên ên cứu cứu KH&CN quân uân sự, sự, Số 60, - 2019 20 99 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Bảng Bảng kết đáp ứng nhúng mũi tùy biến cường độ thực chuột nhắt Cường độ (µA) 20 30 40 50 60 70 20 16 16 15 11 22 36 87 131 154 42 114 138 111 11 105 143 17 76 65 120 2 87 110 83 41 148 95 152 121 162 165 118 109 chuột 80 90 100 110 120 130 140 128 133 121 204 186 186 60 128 127 127 178 135 190 34 Ngay2 Ctr07 Ctr12 Ctr14 Ctr16 Ctr21 Ctr22 Ctr25 129 166 116 201 158 195 134 89 164 111 177 189 185 87 143 160 146 196 160 215 124 118 140 123 173 147 176 68 173 148 166 164 166 164 74 Kết thực nghiệm đánh giá đáp ứng với cường độ kích thích mô tả bảng 2; giá trị trung bình miêu tả hình 6: 160 140 BSR/phút 120 100 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Cường độ (µA) Hình Đáp ứng hành vi nhúng mũi tùy biến cường độ thực nghiệm chuột Kết thực nghiệm trường hợp khảo sát tần số kích thích: Bảng Bảng kết đáp ứng nhúng mũi tùy biến tần số thực chuột nhắt ngày Tần số (Hz) 16 20 25 32 40 50 63 80 100 126 158 NGAY1 Tên chuột Ctr027 12 31 18 29 58 48 123 144 103 110 146 Ctr029 15 5 25 10 29 233 265 84 191 253 Ctr030 19 12 24 27 82 92 158 211 191 169 192 Ctr032 19 12 16 74 168 161 145 155 143 Ctr033 18 17 27 62 93 128 112 151 74 Ctr034 12 32 20 19 23 117 147 204 195 214 179 Ctr006 24 62 103 101 191 250 190 222 240 250 181 100 T Q Giáp, …, N T Tiến, “Xây dựng mô hình thuật tốn … nhúng mũi chuột.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Bảng Bảng kết đáp ứng nhúng mũi tùy biến tần số thực chuột nhắt ngày Tần số (Hz) 16 20 25 16 13 24 22 17 15 31 10 10 24 30 106 32 40 Tên chuột Ctr027 Ctr029 Ctr030 Ctr032 Ctr033 Ctr034 Ctr006 34 52 32 20 62 11 41 13 73 13 29 111 215 50 NGAY2 53 59 77 115 115 167 262 63 80 100 126 158 99 219 159 202 108 178 245 132 228 152 190 146 187 212 110 259 189 183 138 188 226 133 258 154 176 135 202 235 95 271 130 179 81 157 185 Kết thực nghiệm đánh giá đáp ứng với tần số kích thích mơ tả bảng 4; giá trị trung bình miêu tả hình 7: 200 180 160 BSR/Session 140 120 100 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Tần số (HZ) Hình Đáp ứng hành vi nhúng mũi tùy biến tần số thực nghiệm chuột Dữ liệu lưu phân tích với mục đính nhằm đánh giá đáp ứng hành vi nhúng mũi chuột nhắt giá trị tham số cường độ tần số kích thích Hành vi nhúng mũi chuột nhiều hay số phần thưởng lớn tập khoảng giá trị tham số kích thích coi tối ưu Xung điện kích thích chiều với tham số cường độ khoảng 90 - 110μA tần số khoảng 100 – 130Hz phù hợp nghiên cứu chuột nhắt nghiên cứu công bố [[1]], [[2]] KẾT LUẬN Do BSR ảnh hưởng trực tiếp tới hệ thống phần thưởng não nên có nhiều tác động gây biến đổi hành vi ICSS động vật Hầu hết thí nghiệm liên quan tới ICSS nghiên cứu tính hiệu tác động, bao gồm tác động cấp tính trường diễn dược chất; cai thuốc (đối với dược chất gây nghiện); tác động việc gây tổn thương vùng đặc hiệu não tới ICSS; hay tác động lên gene, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 60, - 2019 101 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử receptor…Trong báo này, quan tâm đến xây dựng mơ hình thuật tốn ứng dụng điều khiển kích thích tế bào thần kinh thơng qua hành vi nhúng mũi chuột Mơ hình thuật tốn hệ thống kích thích điện tế bào có thơng qua hệ thống ghi đáp ứng nhúng mũi có khả phát đối tượng có kích thước 0,5mm tần số 100Hz với thời gian đáp ứng 0,5ms; hệ thống đảm bảo tính ổn định khơng xảy tượng lỗi q trình ghi đo Đó sở khảo sát thực nghiệm tham số kích thích điện phù hợp tế bào thần kinh gồm: cường độ tần số Trên sở tham số phù hợp thu sử dụng đánh giá đặc điểm tế bào vị trí hồi Hải mã, nghiên cứu tế bào thần kinh tác giả sớm công bố nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tạ Quốc Giáp, Nguyễn Lê Chiến, Lê kỳ Biên (2018), “Xây dựng mạch điện tử mô đáp ứng tế bào thần kinh với xung điện chiều”, Tạp chí nghiên cứu KH&CN Quân sự, số Đặc san FEE, 8-2018, 391-398 [2] Nguyễn Lê Chiến, Trần Hải Anh (2012) Mơ hình Gompertz’s hành vi tự kích thích nội sọ Tạp chí Sinh lý học, 16(2) [3] Bauer CT, Banks ML, Blough BE, and Negus SS (2013), “Use of intracranial selfstimulation to evaluate abuse-related and abuse-limiting effects of monoamine releasers in rats”, Br J Pharmacol 2013 Feb; 168(4): 850–862 [4] Berridge KC and Robinson TE (2003), “Parsing reward”, Trends in Neurosci 26(9): 507-513 [5] Carlezon Jr WA & Chartoff EH (2007), “Intracranial self-stimulation (ICSS) in rodents to study the neurobiology of motivation”, Nat prot., (11), 2987-2995 [6] Lazenka MF, Blough BE, Negus SS (2016), “Preclinical Abuse Potential Assessment of Flibanserin: Effects on Intracranial Self-Stimulation in Female and Male Rats”, J Sex Med; 13(3):338-349 [7] M Fukuda, T Kobayashi, J Bures, T Ono (1992), “Rat exploratory behavior controlled by intracranial self-stimulation improves the study of place cell activity”, 44(2-3): 121-31 [8] M Sidman, J V Brady, J J Boren, D G Conrad and A Schulman (2016), “Reward Schedules and Behavior Maintained by Intracranial Self-Stimulation” [9] Negus SS, Moerke MJ (2018), Determinants of opioid abuse potential: Insights using intracranial self-stimulation, Peptides 112:23-31 [10] Shizgal P, Murry B (1989), “Neuronal basis of intracranial self-stimulation, in The Neuropharmacological Basis of Reward”, (Liebman JM, Cooper SJ, editors., eds) Oxford University Press, New York [Ref list] [11] S Stevens Negus and Laurence L Miller (July 2014) Intracranial Self-Stimulation to Evaluate Abuse Potential of Drugs Pharmacol Rev 66:869–917 [12] Vlachou S., Markou A (2011), “Intracranial self-stimulation M.C Olmstead (Ed.), Animal models of drug addictions”, Springer, NewYork, 3-56 [13] Wise RA (1996), “Addictive drugs and brain stimulation reward” Annu Rev Neurosci 19: 319-40 [14] William A Carlezon Jr & Elena H Chartoff (2007), “Intracranial self-stimulation (ICSS) in rodents to study the neurobiology of motivation” Published online doi:10.1038/nprot.2007.441 102 T Q Giáp, …, N T Tiến, “Xây dựng mơ hình thuật tốn … nhúng mũi chuột.” Nghiên cứu khoa học công nghệ ABSTRACT BUILDING THE MODEL, THE ALGORITHM OF ELECTRICAL STIMULI TO NEURON AND BEHAVIORAL RESPONSE BY NOSE - POKING ON THE MICE Electrical stimulation of nerve cells plays an important role in experimental research in animals Behavioral observations combined with the bio-signal collection are the basis for assessing animal response through external stimuli such as electrical stimulation, pharmaceuticals, etc observing behavior on animals cannot be immediate but requires continuous observation, acting Examining the parameters of electrical stimulation of neurons and observing the response to certain behavior of animals will help us to examine the object in a proactive, continuous way In this article, the authors build a model of neuronal stimulation and stimulation algorithm for simulated nose-poking behavioral response Successful construction of models and algorithms are the basis for evaluating the system as well as the excitation electrical parameters in animal research through experimental exercises Keywords: Electrical stimulation; Neurons; Biological signals; Stimulation models; Stimulation algorithms; Behavioral responses Nhận ngày 16 tháng 01 năm 2019 Hoàn thiện ngày 22 tháng 02 năm 2019 Chấp nhận đăng ngày 16 tháng năm 2019 Địa chỉ: Viện Điện Tử - Viện Khoa học Công nghệ quân sự; Học viện Quân y; Học viện Kỹ thuật quân * Email: tqgiaphvqy@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 60, - 2019 103 ... Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 2.2 Thuật tốn kích thích tế bào thần kinh đáp ứng hành vi nhúng mũi Từ yêu cầu tập thực nghiệm chuột nhắt, tác giả xây dựng thuật tốn kích thích điện tế bào thần kinh. .. xây dựng mơ hình thuật tốn ứng dụng điều khiển kích thích tế bào thần kinh thơng qua hành vi nhúng mũi chuột Mơ hình thuật tốn hệ thống kích thích điện tế bào có thơng qua hệ thống ghi đáp ứng nhúng. .. Cảmbiến Chuột Hình Mơ hình hệ thống kích thích điện đáp ứng hành vi nhúng mũi Xung điện kích thích vào đầu chuột thơng qua điện cực kích thích cấy ghép não chuột Ở tập này, lần chuột nhúng mũi nhận