Nghiên cứu xây dựng mô hình mạch điện tử của tế bào thần kinh, mô phỏng hoạt động điện của tế bào thần kinnh thônng qua việc thay đổi các tham số đầu vào về cường độ và tần số xung kích thích. Qua đó, kiểm chứng giá trị điện áp đầu ra của mô hình mô phỏng so với cách đáp ứng thực tế của tế bào thần kinh.
Hỗ trợ ơn tập [ĐỀ CƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH ĐẠI HỌC] Nghiêên cứu khoa học công nghệ XÂY DỰNG MẠCH ĐIỆN TỬ MÔ PHỎNG ĐÁP ỨNG CỦA TẾ BÀO ThẦN KINH VỚI KÍCH THÍCH XUNG ĐIỆN MỘT CHIỀU Tạ Q uốc Giáp1*, Nguyễn Lê Chiến1, Lê Kỳ Biên2 Tóm tắt: N ghiên cứu xây dựng mơ hình mạch điện tử tế bàoo thần kinnh, mô hoạt độộng điệện tế bàoo thần kinnh thônng qua việệc thayy đổi thaam số đầu vàào cường độ tần số xuung kícch thích Qua đó, kiểmm chứnng giá trị điệện áp đầu mơ hìnnh mơ so vớới cách đáp ứng thhực tế tếế bào thần kinh Việc khảo sátt thay đổi cường độ tần số kích thích xung điện chiều đánh giá định lượng giá trị tham số kích thíchh chho điệnn đáp ứng lớn nhất thơng qua mơ hình mạch điện tử tế bào xâyy dựng Kết củủa nghiên cứu góóp phần hiểu biết sâu chế hoạt độngg điện mànng tế bào thôngg quua hoạt động củủa kênnh ion màng Na+, K+ ion khác Từ khóa: Mơ hình mạch điện tử; Tế bào thần kinh; Kích thích xung điện mộtt chiiều; Điện hoạt động MỞ ĐẦUU Não người có 1010-1011 tế bào thần kinh (còn gọi nơroon) liên kết chặặt chẽ vớii nhhau qua mạng lưới sợi trụục đuôi gaai Bản thân nơron lại đệm đỡ bổ trợ bởii tế bào thần kinh đệm Một nơron nhận tín hiệu từ 103-105 nơrron khác [[10]] Kích thích dòng điện m ột chiều có vai trò quuan trọng y sinhh, ứng dụng khử rung tim, phụục hồi chức giảmm đau vật lý trị liệu… Đặặc biệt, ngghiêên cứu hành vi độnng vật mà đáng quan tâm hơơn kích thíích điện nội sọ ứnng dụng mà mang lại Kích thích lên tế bào sống với xung điện đủ lớn sẽẽ gây đáp ứnng làm thay đổii điện màng Khi tham số kích thích tới ngưỡng định làm phát sinh điiện hoạt độnng tế bào Sau đáp ứng này, điện thhế mànng dần trởở giiá trị điện nghỉỉ ban đầu Nếu xuung kícch thích khơng đủ lớn tế bào khơnng kích hooạt Sự đáp ứng củủa mànng cho loại kích thích maang tínnh bị động Nếu xung kích thích đủ mạnhh, điện thếế màngg đạt tới ngưỡng m àng tạo xung điện đặc trưng xung thần kinh (hình 1) Hìnhh Thhay đổi điện màng tế bàoo (BB) tác dụngg cáác loại xung kích thích (CC) gây ứcc chhế (1) gây hưưng phấn (2, 3, 4) Xung (2) chưa đạt ngưỡng kích thhích nên gây đáp ứnng bị động Xung (3) chạm ngưỡng kích thích gây điệện đápp ứng (3b) Xung (4) vượt ngưỡng, điệnn đáp ứng luuôn xuất Hỗ trợ ôn tập [ĐỀ CƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH ĐẠI HỌC] Tạp chí Nghhiên cứu KH&&C N quân sự, Sốố Đặc san FEE, 08 - 2018 3911 Hỗ trợ ôn tập [ĐỀ CƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH ĐẠI HỌC] Đo lường – Tin học Điện màng tế bàoo đưược định nghhĩa chênh lệch điiện mặt mặt mànng mà nguyêên chênh lệch ion hai bên màng tế bào Trị số điện màng troong trạng tháái yên nghỉ (còn gọi trạng thái phân cực polarizzation) Ek ioon K+ quyyết địnnh tính theo phươnng trình Nernst thường daoo động khhoảng -70 mV đến -90 mV [[111]] = ( ) lnn ( ) Khi tế bào hưng phấn, điệện màng bị thay đổi thaay đổi tính thấmm màng vớii ion N a+ Kêênh Naa+ mở ra, ion N a+ mặt mààng ùa vào trrong tế bào làm táii phhân bố ioon hai bên m àng: số lượng ion mang điện tícch dương mặt màng nhhiều so với mặt mààng Lúc nàyy, màng bị đổi cực từ trạng thái phhân cực sang trạng tháái khử cực xuất điện hưng phhấn hay điện thếế hooạt độnng Điện nàyy theo sợi trụục lan truyền tới tế bào khác Trị số điện hoạt động có thểể đạt tới 120 mV xuất phát điể m điện m àng có trị số -90 m V nên điện thực tế đạt khhoảng +300mV độ ( ) ln = ( ) Saau hưng phấn, màng tế bào dần trở trrạng thhái ban đầầu, nghhĩa diễn trình tái cực mànng nhờ hooạt động bơm Na +/K + trrên mààng tế bào, làm tái lập trrạng thhái cân điệện tích hai bên mànng tế bào trước lúúc hưng phấnn [[2]] Giai đoạn gọii giai đoạn táii cựực (deppolaarization) Hìnnh Đáp ứnng màng tế bào kích thích có cường độ thay đổi (B) theo đưườnng cong cườnng độ - thời giann Mức cường độ kích thích nhỏ gây đááp ứng gọi ngưỡng sở (Rheobaase) Thời gian cực tiểu cần thiết cho xung kíích thích có cường độ gấp đơi ngưỡng sở để khởi động trình khử cực gọii thời trị (Chroonaxy) Nhữnng hiểuu biiết phảản ứng điệện tế bào kích thhíchh phương phháp mô tả gắn với khái niệmm m ạch điện tử với công thức biểu diễn phản ứnng chúng Từ luận điểm nàyy, chúnng ta tiến hànhh phưương pháp nhận biết mạch điện tử tương đương mặtt vậật lý chho tế bào có khả năngg kích thích 3992 T Q Giáp, N L Chiến, L K Biên, “Xây dựng mạch điệện tử … xung điện chiều.” Hỗ trợ ơn tập [ĐỀ CƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH ĐẠI HỌC] Nghiêên cứu khoa học cơng nghệ Hìnnh Mơ hình điện tế bào thần kinnh Hoodgkin Huuxleey lý thuyết điện hoạt động Đã có nhiều nghiên cứuu, đề xuất mơ hình hóa m àng tế bào tương tự mạcch điện tử mơ hình điện tế bào Hodgkkin Huxley [[5]] Đây mơ hình để nghiên cứu phát triểnn đề xuất mơ hìnhh điiện nơron: m hình điện nơron Lewis [[8]]], mơ hình điệnn nơron Harmon [[4]]], mơ hìnnh điệnn nơron Roy [[6]] mơ hìnhh điện nơronn Maedaa Makkino [[7]] Tronng đó, mơ hình Maeda Makino mang nhiiều ưu điểm mô phhỏng đượcc điện mạng neuroon theo thời gian thhực,, dễ dàng thaay đổi tham số mạch điiện xây dựng mơ hìnhh tốn học từ mạch Xuất phát từừ nhữnng vấn đề trên, nghiên cứu tiến hành với mục đích xây dựng mạch điện mơ phỏngg hoạt động điệện màng tế bào thần kinh ứng với kíchh thhích xung điện chiều, từ đóó giải thícch chế tạạo điện hoạt động tế bào thần kinh đáp ứnng kíchh thích tếế bào thầnn kinh với xuung điện mộtt chhiều Là sở để đánh giá đáp ứng hành vi trêên động vật thực nghiệm đốối với tín hiệu kích thích xuung điệện mộtt chiều mơ phhỏng M Ơ PH ỎNG CÁC T HAM SỐ KÍÍC H THÍÍCHH TRÊN MƠ HÌÌN H MAEDA VÀ MAKKIN O BẰ N G PHẦẦN MỀM NI MULTISIM Maedda Makino phươngg thức mơ hình hóa m ột nơrron sử dụng bóng bán dẫn cho tế bàoo thần kinh FitzHugh-Nagumo (FHN) [[3]] (được đơn giản hóa từ cơng thức Hodggkin-Huxley) FitzHugh-Nagumo đề xuất thay dòngg Na + nhanh mơ hình Hodggkin-Huxley với q trìnnh khử cựực nhanh, khhử cựcc, kích hooạt thaay trình khử hoạt động Na+ chậm làm chậm, táái phân cựực, K+ q trình khử hoạt tính chậm đơn Bằng cácch thêm quuá trình táái phân cực hơnn, mơ hình hố bởii hai bóng báán dẫn,, chúng có thhể tạo nơron điện với đáp ứng “bùng nổ” Trrong mạch điện hình gồm thànnh phần dao động bản, kênh Na + mơ hình hóaa 02 transitoor (Q1 – trannsitor ngược, Q2 – traansiitor thuận) mắc kiểểu Dalington có nhhiệmm vụ khuếch đại tín hiệu kênh Na + nối với nguồnn DC 5V; kênh K+ mô hình hóa transitor ngược Q3 xác định ngưỡnng tín hiệệu kích thích nối vớii ngguồn DC 0,04V Khi có tín hiệệu kích thhíchh xuung điện chiều có cường độ tần số xác định cáác trransitoor mở đóng nhhanh hay chậm tương ứng với kênh Na+ K+ mở đóng nhannh chậm Điệện áp đầu biểu diễn độ lớn dạng tín hiệệu Hỗ trợ ơn tập [ĐỀ CƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH ĐẠI HỌC] Tạp chí Nghhiên cứu KH&&C N quân sự, Sốố Đặc san FEE, 08 - 2018 3933 Hỗ trợ ôn tập [ĐỀ CƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH ĐẠI HỌC] Đo lường – Tin học Hìnhh Mơ hình điện tế bào thần kinh củủa Maeeda Makino kích thích xung điện chiều Trrong báo cáo này, nhóóm nghhiên cứu áp dụng lý thuyết, mơ hìnnh Maeda Makino do: - Mơ hình mạch điện đơn giản có khả giải thích hoạt độngg điiện màng tế bào; - Một số tham số mạchh ngguyên lý thay đổổi để phù hợp với nghiên cứu; - Các phhần tử transistor đóng vaai trò khóa đóngg mở kênh ioon Na +, K + ion khhác,, khuếch đạii tínn hiệu điện; - Sử dụnng chuỗi xunng với thham số xáác địnhh kích thích vào mạchh nguyên lý xác định đáp ứnng mạch Xung để m transistor có yêu cầu: sườn dốc thẳng đứng đảm bảo u cầu transistorr mở tức cóó xung điều khiiển (thường gặp xung ki m xung vuuông); đủ độ rộnng (độ rộnng xung lớn hơnn thời gian m transistor); đủ cônng suất Song troong kích thích điện vào mơ sinh học nói chungg, tế bào thầnn kiinh nói riêng cần giữ cho độ rộng xung khôông lớớn để giả m thiểu phản ứng điệện hóa xảy bề mặt điện cựực KẾT QUUẢ MÔ PH ỎNG VÀ T HẢO LUẬN Mơ tham số kích thích phần mềm NI Muultissim Với mơ hìnnh điệnn tế bào thần kinh mơ tả thể trênn hình 4, tác giiả kích thíích chuỗi xuung kích thícch kéo dài 0,5s gồm xungg kích thíích vng cathode 0,3ms (hìnhh 5), có tần số cườnng độ tùy biến Hình Dạng xung kích thhíchh chiều với tham số xác định Qua bááo cáo công bố trước [1,12] cho thấy đáp ứnng xunng kíchh thhích tế bào thầnn kinh chuột nhắt có cường độ khoảng 10 - 120μA (đááp ứng tối ưu 3994 T Q Giáp, N L Chiến, L K Biên, “Xây dựng mạch điệện tử … xung điện chiều.” Hỗ trợ ôn tập [ĐỀ CƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH ĐẠI HỌC] Nghiêên cứu khoa học công nghệ khhoảng 1000 μA), tần số trrong khoảảng 10 – 120Hz (đđáp ứnng tối ưu khoảnng 100Hz) Đáp ứnng mạạch điện khảo sát trongg cáác điều kiện cố định tầần số xung kích thích mức 800Hz cường độộ xuung kích thícch cố định mứức 70 μA Các điềuu kiện đặt tương ứng với bááo cáo N guyễn Lê Chiến cs [10] troong khảo sát tươnng ứng trêên chuột nhắt Chùmm xung điện ápp đáp ứng với xungg kích thích có cưườnng độ tầnn số vượtt nggưỡng kích thích (ở tần số 80Hz cườnng độ 70μA) thể hiệện hình Hình Dạng điệện áp đáp ứnng mơ hình kícch thích vượt ngưỡng 3.1 Đáp ứng cố định tầnn số 80Hz, biến đổổi cường độ dòng điện Kết thểể hình biểu thị thay đổổi xung điện áp đáp ứng với kích thhích xung điện chiều giữ nguyên tần số tạại 80Hz, thay đổổi cường độ với bước 10μA Qua kết cho thấy điện áp đápp ứng tăng lên tươơng ứnng với cườngg độ kích thíích Tuuy nhiên, biến thiên khơng tuyến tính với khoảng “bùng nổ” điện áp đáp ứngg từ giá trị cường độ vào khoảnng 5-100μAA Hình Sự thay đổi điiện áp theeo cường độ kích thích tầần số 80H z Kết thể hiiện hình cho thấy đáp ứng điệện áp cùùng đơn vị thờời gian biểu diễn mối quan hệ cường độ kích thíích tươơng ứnng 10 μA so vớii 200μAA (hìnhh 8.A);; 100μA với 100μA hình 8.B); 110μA với 100μA (hình 8.C) 100μA với 90μA hìnhh 8.D) Qua kết khảo sát chho thấy cườnng độ xung điện khhoảng 100μA chho đáp ứng điện áp bùng nổ biểu thị số lượng xuung hình 8C điệnn ápp ghhi đo tạại hình Đối với cường độ lớn 1000μAA số xungg nhhỏ (hình 8CC) điện ápp đááp ứng lạii bùùng nổ khơng kiểm soốt, giải thích nguy đánhh thủng kênnh dẫn điện tế bào Bêên cạnh đó, kết thhể hình hìnnh còòn cho thấy đáp ứng điệện áp biến đổi chậmm thay đổổi cường độ kích thhích đááp ứng lớn khoảng cường độ 100μA Tạp chí Nghhiên cứu KH&&C N quân sự, Sốố Đặc san FEE, 08 - 2018 3955 Hỗ trợ ơn tập [ĐỀ CƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH ĐẠI HỌC] Đo lường – Tin học Hình Kích thích xuung điệện 1chiiều tần số 80Hz, cườngg độ thhay đổi 3.2 Đáp ứng cố định cườngg độ, thay đổi tần số dòng điện Hình Thay đổi điện áp thheo tần số kích thícch, giữ cường độ 80μAA Kết hìnhh cho thấy thhay đổi giá trị tần số từ – 110Hz, điệnn ápp đááp ứng có xuu hướnng tăng nhannh đạt giá trrị cực đại khoảảng tần số 100Hz thể xu hướng giảm tần số lớn 3996 T Q Giáp, N L Chiến, L K Biên, “Xây dựng mạch điệện tử … xung điện chiều.” Hỗ trợ ơn tập [ĐỀ CƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH ĐẠI HỌC] Nghiêên cứu khoa học cơng nghệ Hình 10 Kíích thích bằnng xung điện chiềều cường độ 80μA, thay đổi tần số Kết thểể hình 10 chho thấy đááp ứng điện áp trênn đơn vị thờời gian biểu diễn mối quan hệ củaa tần số kích thích tương ứng 0Hz khơnng có đáp ứnng xung điện áp so với 10Hz có đáp ứngg chhậm , khơng có đáp ứnng xung trrong khoảng thời giann từ đến 0,5s (hìnnh 10.A); 20Hz đáp ứng xung chậậm nhiều số xungg so với 1000Hz (hình 10.B)); 90H z đáp ứnng xung chậm cùùng khhoảng thời gian từ đến 0,5s số lượng xunng so với 100Hz (hình 10.C) 100 Hz số xunng “bùng nổ”” nhhiềuu so với 110Hz (hình 10.D) Điện áp bùng nổ đáp ứnng nhanh khoảng tần số 1000Hz biểu thị số lượng xung đááp ứng lớn troong đơn vị thhời gian điện áp hiển thị thiết bị ghhi đo điện lớn Với tầần số nhỏ lớớn 1000Hz đáp ứng điện hoạt động chậậm (hhay độ trễ đááp ứng với tần số lớn hơơn), điện áp trunng bìnhh hiển thị thhiết bị đo điện nhỏ KẾT LUẬ N Trrong báo này, quaan tâm đến khảoo sáát tham số cường độ dònng điện tần sốố kíích thích xuung điệện chiều phhù hợp giá trị cường độ tần số xung điện kích thích tối ưu Đó cơơ sở đề xuất xây dựng mơ hình thuật tốn kích thícch xung điện chiều với cường độ tầnn số tối ưu tế bào thần kinh thực nghhiệ m động vật tương ứnng với giá trị thaam số cường độ tầnn sốố xuung điện mộtt chiều khảo sát mô tác giả sớm công bố cácc nghiên cứu TÀI LIIỆUU THAAM KHẢO [1] Carlezzon Jr WA & Chartofff EH “Intracraniial self-stimuulation (ICSS) in rodents to study the neurobioologgy of m otivation” Nat prot., (111), 2987-2995 2007 [2] Gulrajjani RM, Rooberge FA, Mathieu PA “Thhe modellingg of a bursst-geneerating neuuron with a fieldd-efffect transsistor analog”, Biool C ybern 255(4):2227- 40 19977 Tạp chí Nghhiên cứu KH&&C N quân sự, Sốố Đặc san FEE, 08 - 2018 3977 Hỗ trợ ôn tập [ĐỀ CƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH ĐẠI HỌC] Đo lường – Tin học [3] FitzHugh, R “Impulses and physiological states in theoretical models of nerve membrane” Biophys J 1, 445–466 1961 [4] Harmon L D., “Problems in neural modeling” In: Neural theory and modeling, edit by R.F REISS Stanford: Stanford University Press 1964 [5] Hodgkin AL, Huxley AF “A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve” J Physiol 117: 500– 554.1952 [6] Roy, Guy, “A simple electronic analog of the squid axon membrane”, IEEE Trans Biomed Eng 19(1):60-3; 1972 Jan [7] Maeda, Y and Makino H, “A pulse-type hardware neuron model with beating, bursting excitation and plateau potential”, BioSystems 58 (2000) 93-100 [8] Lewis E.R “An Electronic Model of Neuroelectric Point Processes”, 1968 [9] Wise RA “Addictive drugs and brain stimulation reward” Annu Rev Neurosci 19: 319-40 1996 [10] Nunez PL & Srinivasan R “Electric fields of the brain: the neurophysics of EEG” 2nd ed Oxford university press The Oxford, USA 1981 [11] Bộ môn Sinh lý học, Học viện Quân y “Những khái niệm Sinh lý học” Trong: Giáo trình Sinh lý học, tập I (Tái lần thứ nhất) NXB QĐND, Hà Nội, 2007, trang 31-34 [12] 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) ABSTRACT BUILDING UP A CIRCUIT SIMULATION FOR NEURONAL RESPONSES TO DC PULSE To build up a circuit simulation for neuronal network, this study investigated responses of the circuit with changes in intensity and frequency of stimulation pulses The circuit would have been accessed for the highest voltage responses as consequences of stimulation parameters changed The results contributed to understanding of membrane electrical activities via membrane sodium and potassium channels Keywords: Circuit simulation; Neuron; DC stimulation; Action potentials Nhận ngày 01 tháng năm 2018 Hoàn thiện ngày 10 tháng năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 20 tháng năm 2018 Địa chỉ: 1Học viện Quân y; Viện Điện tử - Viện Khoa học Công nghệ quân * Email: tqgiaphvqy@gmail.com 398 T Q Giáp, N L Chiến, L K Biên, “Xây dựng mạch điện tử … xung điện chiều.” ... mạch điện mô phỏngg hoạt động điệện màng tế bào thần kinh ứng với kíchh thhích xung điện chiều, từ đóó giải thícch chế tạạo điện hoạt động tế bào thần kinh đáp ứnng kíchh thích tế bào thầnn kinh. .. xuất xây dựng mơ hình thuật tốn kích thícch xung điện chiều với cường độ tầnn số tối ưu tế bào thần kinh thực nghhiệ m động vật tương ứnng với giá trị thaam số cường độ tầnn sốố xuung điện mộtt chiều. .. khơnng có đáp ứnng xung điện áp so với 10Hz có đáp ứngg chhậm , khơng có đáp ứnng xung trrong khoảng thời giann từ đến 0,5s (hìnnh 10.A); 20Hz đáp ứng xung chậậm nhiều số xungg so với 1000Hz