Nghiên cứu sự lan truyền xung động trong tế bào thần kinh khi được kích thích bởi tia laser công suất thấp được điều biến báo cáo tổng kết kết quả đề tài khcn cấp trường msđt t khud 2011 24

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA FOG BÁO CÁO TỔNG KẾT KẾT QUẢ ĐỀ TÀI KHCN CẤP TRƯỜNG Tên đề tài: NGHIÊN CỨU SỰ LAN TRUYỀN XUNG ĐỘNG TRONG TẾ BÀO THẦN KINH KHI ĐƯỢC KÍCH THÍCH BỞI TIA LASER CƠNG SUẤT THẤP ĐƯỢC ĐIỀU BIẾN Mã số đề tài: T-KHUD-2011-24 Thời gian thực hiện: 15/3/2011-15/3/2012 Chủ nhiệm đề tài: TS Trần Thị Ngọc Dung Cán tham gia đề tài: PGS.TS Trần Minh Thái PGS.TS Bác sĩ Trần Công Toại Thành phố Hồ Chí Minh – Tháng12/2013 Danh sách cán tham gia thực đề tài (Ghi rõ học hàm, học vị, đơn vị công tác gồm môn, Khoa/Trung tâm) TS Trần Thị Ngọc Dung Bộ môn Vật lý Kỹ thuật Y sinh, Khoa Khoa học ứng dụng, Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TPHCM PGS.TS Trần Minh Thái PTN Công nghệ Laser, Khoa Khoa học ứng dụng, Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TPHCM PGS TS Bs Trần Công Toại Bộ môn Mô học – Phôi Di truyền, Đại học Y Phạm Ngọc Thạch Bộ môn Mô học – Giải phẩu bệnh, Khoa Y- ĐHQG TpHCM Bộ môn Mô học – Giải phẩu bệnh, ĐH Y Dược TpHCM , TÓM TẮT BÁO CÁO TỔNG KẾT I Tổng quan Từ năm 1990, PTN Công nghệ Laser – Trường ĐHBK TPHCM chế tạo triển khai việc điều trị nhiều chứng bệnh quang châm quang trị liệu laser bán dẫn cơng suất thấp làm việc dãi sóng hồng ngoại gần Các thông số tiêu biểu thiết bị quang châm, quang trị liệu PTN Công nghệ Laser chế tạolà: bước sóng: 780nm, 940nm; cơng suất phát: 0-12mW; tần số điều biến: Hz đến 100 Hz Các bước sóng cơng suất phát laser PTN Công nghệ Laser lựa chọn từ nghiên cứu mô lan truyền chùm laser phương pháp Monte Carlo cho chùm tia đạt đến huyệt mô độ sâu khác da với cơng suất đủ để gây kích thích sinh học Tuy nhiên chưa có nhiều nghiên cứu định lượng việc điều biến chùm laser Laser bán dẫn so với laser He-Ne ngồi ưu điểm kích thước nhỏ, tiêu tốn lượng, hiệu điện hoạt động thấp, phải kể đến ưu điểm laser bán dẫn dễ điều biến Bằng cách điều biến dòng điện, ta điều biến ánh sáng phát Trong việc ứng dụng tia laser châm cứu, điều biến chùm laser sử dụng để kích thích hay ức chế ức chế hoạt động tế bào thần kinh thủ thuật bổ tả kim châm Tần số kích thích thấp khử phân cực màng tế bào gây điện hoạt động, tần số cao từ 200Hz đến 30kHz kích thích liên tục sử dụng để ức chế điện hoạt động tế bào thần kinh ngoại vi [1, 2, 3, 4, 5, 6] Kích thích tần số cao ứng dụng lâm sàng trường hợp cần ức chế hoạt động thần kinh điều trị đau [7, 8] Việc nghiên cứu kích thích điện nghiên cứu nhiều, thực nghiệm đưa vào ứng dụng điều trị lâm sàng Tuy nhiên kích thích tế bào thần kinh phương pháp quang học giai đoạn bắt đầu Trong [9, 10, 11], đề cập đến việc kích thích, ức chế tế bào thần kinh phương pháp quang học Để tìm hiểu ảnh hưởng tia laser bán dẫn công suất thấp lên đáp ứng tế bào thần kinh nhằm tối ưu hoá thiết bị quang châm quang trị liệu, đề tài nghiên cứu lan truyền xung động tế bào thần kinh kích thích tia laser công suất thấp điều biến đặt II Mục tiêu đề tài nghiên cứu • Nghiên cứu lan truyền xung động thần kinh sợi trục axon tế bào thần kinh • Khảo sát ảnh hưởng số dạng điều biến kích thước sợi thần kinh lên đáp ứng sợi thần kinh chiếu tia laser III Nội dung báo cáo tổng kết kết nghiên cứu Báo cáo tổng kết gồm phần: Phần Lý thuyết tế bào thần kinh mơ hình điện Trong phần trình bày cấu trúc tế bào thần kinh, sở sinh học làm xuất điện màng tế bào trạng thái nghỉ trạng thái kích thích, định luật vật lý áp dụng để xác định điện màng tế bào mơ hình điện tế bào thần kinh phương trình cáp lan truyền xung động thần kinh Phần Sử dụng SIMULINK để giải phương trình cáp để khảo sát đáp ứng tế bào thần kinh số dạng kích thích Trong phần này, nhóm nghiên cứu sử dụng SIMULINK để giải phương trình cáp để khảo sát đáp ứng tế bào thần kinh số dạng kích thích gồm kích thích liên tục, kích thích dạng xung vng, kích thích dạng tam giác, kết có phù hợp với kết biết tần số kích thích thấp khử phân cực màng tế bào gây điện hoạt động, kích thích liên tục gây ức chế Phần Ảnh hưởng dạng điều biến xung kích thích đến đáp ứng tế bào thần kinh khả ứng dụng thủ thuật bổ tả quang châm Trong phần này, trình bày vấn đề bổ tả châm cứu cổ truyền đề xuất việc sử dụng dạng xung tam giác điều biến để có trạng thái ức chế thủ thuật bổ tả châm cứu cổ truyền Sử dụng SIMULINK cho xung tam giác có kiểu tăng nhanh-giảm chậm, tăng chậm-giảm nhanh, tăng giảm với cường độ kích thích khác nhau, tần số kích thích khác Ta thấy có phụ thuộc đáp ứng vào dạng kích thích, cường độ kích thích, tần số điều biến IV Ứng dụng có từ kết nghiên cứu Các kết nghiên cứu giúp tối ưu hóa thiết bị thiết bị quang châm, quang trị liệu chế tạo PTN Công nghệ Laser - Trường ĐH Bách khoaĐHQG TPHCM V Kết luận kiến nghị Đây kết nghiên cứu ban đầu, cần có nghiên cứu vấn đề đáp ứng thần kinh tương quan với kỹ thuật châm cứu bổ tả y học cổ truyền, giúp cải tiến thiết bị quang châm quang trị liệu PTN Công nghệ Laser Tp.HCM, ngày tháng năm Chủ nhiệm đề tài (Ký ghi rõ họ tên) TS Trần Thị Ngọc Dung Tp.HCM, ngày tháng năm TL HIỆU TRƯỞNG MỤC LỤC PHẦN LÝ THUYẾT VỀ TẾ BÀO THẦN KINH VÀ MƠ HÌNH ĐIỆN 2  I Tổng quan tế bào thần kinh [12] 2  1.1 Cấu trúc tế bào thần kinh 2  1.2 Màng tế bào 3  1.3 Synapse (Khớp thần kinh) 3  1.4 Điện màng tế bào 4  1.4.1 Điện nghỉ, nồng độ ion kênh ion 4  1.4.2 Điện hoạt động 5  1.5 Truyền dẫn xung thần kinh sợi trục 6  II Cơ sở y sinh học [13,14,15] 7  2.1 Các định luật 7  Định luật Fick 7  Định luật Ohm 7  Hệ thức Einstein 7  2.2 Điện nghỉ màng tế bào ion 7  2.3 Cân Donnan 8  2.4 Phương trình Goldman 9  2.5 Bơm ion 11  III Mơ hình mạch điện màng tế bào 11  Mơ hình Hodgkin-Huxley 13  PHẦN II SỬ DỤNG SIMULINK ĐỂ KHẢO SỰ ĐÁP ỨNG CỦA XUNG ĐỘNG THẦN KINH ĐỐI VỚI MỘT SỐ DẠNG XUNG KÍCH THÍCH 14  Sản phẩm Phương pháp giải toán đáp ứng xung động thần kinh số dạng xung kích thích 14  I Giải phương trình đáp ứng tế bào thần kinh có kích thích phương pháp số 14  - Phương pháp Eulers: 14  - Phương pháp Runge-Kutta 14  - Sử dụng SIMULINK Matlab 14  II Một số kết thu 16  III Kết luận 19  PHẦN III ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC DẠNG ĐIỀU BIẾN XUNG KÍCH THÍCH ĐẾN ĐÁP ỨNG CỦA TẾ BÀO THẦN KINH & KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG THỦ THUẬT BỔ TẢ TRONG QUANG CHÂM 20  Sản phẩm Bản kiến nghị ảnh hưởng có dạng điều biến đáp ứng tế bào thần kinh giúp tối ưu hoá thiết bị quang châm quang trị liệu 20  I.  Giới thiệu 20  II.  Đắc khí, sở thủ thuật phép bổ tả châm cứu 20  III.  Một số vấn đề liên quan đến kích thích tế bào thần kinh 21  IV.  Đề xuất việc sử dụng chùm laser điều biến thủ thuật bổ tả 23  V.  Kết luận 30  TÀI LIỆU THAM KHẢO 31  Sản phẩm 3: báo cáo hội nghị khoa học 33  PHẦN LÝ THUYẾT VỀ TẾ BÀO THẦN KINH VÀ MƠ HÌNH ĐIỆN I Tổng quan tế bào thần kinh [12] Mô sinh học cấu tạo từ đơn vị tế bào Các tế bào chuyên biệt hóa cấu tạo sinh lý để thực nhiệm vụ khác Tất tế bào có điện khác màng Màng tế bào chúng sản sinh xung điện hóa truyền dẫn chúng dọc màng tế bào Trong tế bào tượng điện thường kèm theo co tế bào Trong tế bào khác tế bào tuyến, tế bào có lơng, điện màng đóng vai trị quan trọng trong việc thực chức chúng Trong đề tài nghiên cứu ta quan tâm tới điện màng tế bào thần kinh tạo điện hoạt động lan truyền tế bào 1.1 Cấu trúc tế bào thần kinh Tế bào thần kinh chia thành phần chính: (1) Thân tế bào, cịn gọi soma; (2) Đuôi gai (dendrite) (3) Sợi trục (axon) (4) Đầu cuối tiền synapse (presynaptic terminals) Chúng miêu tả Hình Hình Cấu tạo tế bào thần kinh Thân nơron gồm nhân tế bào, ty thể, lưới nội chất, ribosom bào quan khác Tế bào thần kinh chứa 70-80% nước; vật chất khơ có khoảng 80% protein 20% lipid Thể tích tế bào vào khoảng 600 tới 70.000 µm³ Thân tế bào nối với nhánh nhỏ gọi đuôi gai (dendrite) sợi trục (axon) Đuôi gai tiếp nhận xung từ tế bào thần kinh khác truyền chúng tới thân tế bào (tín hiệu hướng tâm) Sợi trục, truyền tín hiệu từ thân tế bào tới tế bào thần kinh khác tới tế bào Chiều dài sợi trục từ 1m cột sống người đến vài mili-mét não Đường kính sợi trục từ đến 500 µm Nói chung đường kính sợi trục lớn vận tốc truyền xung động thần kinh lớn Vận tốc truyền xung động thần kinh từ 0.5m/s đến 120m/s Các sợi trục lớn bao bọc lớp cách điện gọi vỏ myelin, tạo tế bào Schwann Vỏ myelin không liền mạch mà chia thành đoạn Giữa tế bào Schwann nút Ranvier, cho phép xung động thần kinh hay điện hoạt động nhảy từ nút sang nút khác Ở cuối sợi trục mạng lưới đến 1000 nhánh gọi đầu cuối tiền synap 1.2 Màng tế bào Tế bào bao bọc kín màng tế bào có bề dày từ 7,5-10 nm Thành phần cấu tạo nên màng tế bào axit béo gọi phosphoglycerides Một phosphoglycerides có cấu tạo từ axit photphoric axit béo gọi glixerit Một đầu phân tử ưa nước, đuôi cấu tạo từ chuỗi hidrocacbon kỵ nước Nếu phân tử axit béo đặt nước, chúng tạo thành cụm nhỏ, đầu axit ưa nước phía ngồi, hydrocacbon kỵ nước phía Nếu chúng đặt cẩn thận bề mặt nước, chúng tự định hướng cho tất đầu axit nằm nước thị Nếu lớp phân tử khác thêm vào thêm chút nước lên đỉnh, đuôi hydrocacbon hướng xuống tầng tạo thành lớp kép Lớp kép cấu trúc sở màng tế bào Theo quan điểm điện sinh học, kênh ion cấu tạo thành phần quan trọng màng tế bào Đó phân tử xuyên màng cho ion Natri, Kali, Clo qua màng tế bào Sự dịch chuyển ion sở tượng điện sinh học Hình minh họa cấu tạo màng tế bào Hình Cấu tạo màng tế bào Thành phần lớp lipid kép với kỵ nước phía màng Đại phân tử xuyên màng tạo thành kênh ion cho Natri, Kali, Clo chảy qua màng phát sinh tượng điện sinh học 1.3 Synapse (Khớp thần kinh) Chỗ tiếp xúc sợi trục tế bào cạnh dùng để giao tiếp gọi synap Khe synap dày từ 10 đến 50 nm Hình Synapse 1.4 Điện màng tế bào Màng tế bào đươc tích điện dương phía ngồi tích điện âm bên màng Sự phân cực điện tính thấm có chọn lọc màng tế bào ion Các điện tích tạo nên điện màng tế bào Ở tế bào thần kinh, hiệu điện màng khoảng từ 60mV đến 90mV, phụ thuộc vào loại tế bào Theo quy ước, điện màng Vo=0mV, điện màng Vm định nghĩa điện mặt màng Vi so với điện mặt màng Vo, Vm = Vi - Vo Ở trạng thái nghỉ, điện màng khoảng -60mV đến -70mV Khi điện màng lớn điện nghỉ (resting potential), ta nói tế bào trạng thái khử phân cực (depolarization), điện màng tế bào thấp điện nghỉ, màng trạng thái phân cực (hyperpolarization) Điện màng phân thành loại: Điện điều hòa nhịp: hoạt động tính tế bào, xuất khơng có kích thích ngồi Điện thay đổi có kích thích bên ngồi Khi có chuỗi kích thích, có đáp ứng sinh Nếu đáp ứng ngưỡng đáp ứng không lan truyền Nếu đáp ứng đủ mạnh, xung thần kinh (xung điện hoạt động) sản sinh tuân theo quy luật “tất khơng” q trình khơng bị suy giảm dọc sợi trục 1.4.1 Điện nghỉ, nồng độ ion kênh ion Điện nghỉ màng tế bào tồn có chênh lệch phân bố ion bên bên màng Màng tế bào dày khoảng 10nm có cấu trúc lipid kép nên có điện dung Ngồi màng tế bào có nhiều ion Na+ Cl-, bên màng tế bào có nhiều K+ anions hữu A-, chủ yếu amino acids protein Các ion qua màng qua kênh (channel) Có hai loại kênh: kênh thụ động (passive channel) kênh hoạt động (active channel) Các kênh thụ động luôn mở có tính chọn lọc, cho loại ion qua Các kênh thụ động tồn K+, Na+ Cl-, synap có kênh thụ động cho Ca++ Kênh hoạt động đóng mở tùy theo đáp ứng kích thích điện hóa Các kênh hoạt động có tính chọn lọc, cho loại ion qua Các kênh thụ động liên quan đến việc trì điện nghỉ màng, kênh hoạt động liên quan đến điện hoạt động màng Nếu tế bào thần kinh kích thích, điện màng thay đổi Nếu kích thích màng khơng đủ gây điện màng đạt tới ngưỡng màng khơng kích hoạt Sự đáp ứng màng cho loại kích thích mang tính bị động Nếu kích thích có tác dụng kích thích đủ mạnh, điện màng đạt tới ngưỡng màng tạo xung điện đặc trưng xung thần kinh Điện hoạt động khơng phụ thuộc cường độ tác nhân kích thích Xung hoạt động màng tế bào hoạt động tuân theo luật “tất không” 1.4.2 Điện hoạt động Điện hoạt động biến đổi nhanh điện nghỉ màng tế bào, từ phân cực sang khử phân cực, đảo cực phân cực Mật độ ion (Na+) màng tế bào cao gấp mười lần bên màng, mật độ ion (K+) bên màng cao gấp 30 lần bên ngồi Khi màng tế bào bị kích thích, điện màng thay đổi từ -70 mV tới -50 mV, tính thấm ion natri kali qua màng thay đổi Trước hết, tính thấm ion natri tăng nhanh, cho phép ion natri chảy từ bên vào bên trong, làm cho bên màng dương tính Bên đạt tới điện khoảng +20 mV Sau đó, tính thấm ion kali tăng từ từ cho phép ion kali chảy từ bên bên ngoài, trả lại điện tế bào giá trị nghỉ Giá trị cực đại dao động điện màng suốt trình hoạt động khoảng 100mV, khoảng thời gian xung thần kinh 1ms, minh họa Hình Sau trình hoạt động, bơm Na-K hồi phục nồng độ ion bên màng giá trị ban đầu Hình Xung động thần kinh sau kích thích vượt ngưỡng 1.5 Truyền dẫn xung thần kinh sợi trục Vận tốc truyền xung động phụ thuộc vào điện trở suất môi trường màng vào điện dung màng đơn vị dài Điện dung lớn, với tham số khác khơng đổi, vận tốc truyền dẫn chậm Trở kháng lớn, số thời gian lớn, vận tốc truyền dẫn chậm Nhiệt ảnh hưởng lớn đến số thời gian độ dẫn điện natri, nhiệt độ giảm làm giảm vận tốc truyền dẫn Vận tốc truyền xung thần kinh sợi trục khơng có bao myelin: v= iNa _ max (1) ri cm2 Vth Trong v : vận tốc xung thần kinh [m/s] iNa_max: dòng điện cực đại ion natri đơn vị dài [A/m] Vth: điện áp ngưỡng [V] ri: trở kháng theo trục đơn vị dài [Ω/m] cm: điện dung màng đơn vị dài [F/m] Một sợi trục có bao myelin phát sinh xung thần kinh nút (eo) Ranvier Trong sợi trục xung động thần kinh lan truyền từ nút sang nút khác Một lan truyền gọi truyền dẫn bước nhảy Điện dung màng đơn vị chiều dài sợi trục có bao myêlin nhỏ nhiều so với sợi trục bao myelin Vì vỏ myelin làm tăng tốc độ truyền dẫn Trở kháng bào tương sợi trục đơn vị chiều dài tỉ lệ nghịch với tiết diện ngang sợi trục tức tỉ lệ nghịch với bình phương đường kính Điện dung màng đơn vị chiều dài tỉ lệ thuận với đường kính Vận tốc truyền dẫn sợi trục có bao myêlin tỉ lệ thuận với đường kính sợi trục Vận tốc truyền dẫn sợi trục có bao myêlin cho giá trị xấp xỉ sau: v=6d (2) Trong đó: v= vận tốc (m/s), d đường kính sợi trục với đơn vị µm Tốc độ truyền xung động thần kinh từ số tài liệu Tài liệu Nội dung Đơn vị chuẩn Myers, David G.Psychology 4th Edition.New York:Worth Publishers Inc,1995: 43 Tùy thuộc vào loại sợi thần kinh, xung động thần kinh truyền với vận tốc từ dặm 200 dặm nhiều " 0.9–89.41 m/s Comptons Interactive Encyclopedia Softkey Multimedia Inc, 1997 Một vài hoạt động cần đáp ứng nhanh, việc rút tay khỏi lị nóng Để truyền thông tin cần thiết cho hoạt động vậy, sợi thấn kinh đường kính lớn dẩn truyền xung động thần kinh đến 330 feet giạy hay 100m/s Các loại hoạt động khác 100 m/s (thụ động) 20–30 m/s (suy nghĩ) III Kết luận SIMULINK Matlab với ưu cho phép giải phương trình vi phân phức hợp cách dễ dàng giúp cho việc giải phương trình cáp với mơ hình Hodgkin-Huxleys điện dẫn qua màng ứng với tín hiệu kích thích khác trở nên đơn giản Việc khảo sát đáp ứng tế bào có kích thích khác cường độ kích thích, thời gian kích thích, dạng xung kích thích giúp ích cho việc tối ưu hố thiết bị điều trị dựa kích thích tế bào thần kinh Việc nghiên cứu đặc biệt có ý nghĩa việc ứng dụng quang châm liên quan đến việc châm bổ, tả châm cứu cổ truyền Đây kết ban đầu, cần tiếp tục nghiên cứu, tìm dạng xung tối ưu ứng với mục đích khác 19 PHẦN III ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC DẠNG ĐIỀU BIẾN XUNG KÍCH THÍCH ĐẾN ĐÁP ỨNG CỦA TẾ BÀO THẦN KINH & KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG THỦ THUẬT BỔ TẢ TRONG QUANG CHÂM Sản phẩm Bản kiến nghị ảnh hưởng có dạng điều biến đáp ứng tế bào thần kinh giúp tối ưu hoá thiết bị quang châm quang trị liệu I Giới thiệu Từ năm 1990, PTN Công nghệ Laser – Trường ĐHBK TPHCM chế tạo triển khai việc điều trị nhiều chứng bệnh quang châm quang trị liệu laser bán dẫn công suất thấp làm việc dãi sóng hồng ngoại gần Các thông số thiết bị quang châm, quang trị liệu PTN Công nghệ laser chế tạo tiêu biểu là: Bước sóng: 780nm, 940nm Cơng suất phát: 0-12mW Tần số điều biến: Hz đến 100 Hz Các bước sóng cơng suất phát laser PTN Công nghệ Laser lựa chọn từ nghiên cứu mô lan truyền chùm laser phương pháp Monte Carlo cho chùm tia đạt đến huyệt mô độ sâu khác da với cơng suất đủ để gây kích thích sinh học Laser bán dẫn so với laser He-Ne ưu điểm kích thước nhỏ, tiêu tốn lượng, hiệu điện hoạt động thấp, phải kể đến laser bán dẫn dễ điều biến Bằng cách điều biến dịng điện, ta điều biến ánh sáng phát Trong việc ứng dụng tia laser châm cứu, điều biến chùm laser sử dụng thủ thuật bổ tả kim châm II Đắc khí, sở thủ thuật phép bổ tả châm cứu Theo y học đại, thể gặp kích thích bên ngồi (châm cứu ) xung động cảm thụ thần kinh nhận truyền lên não Tuy nhiên cảm thụ hoạt động phải tuân theo quy luật muốn cho tín hiệu thể cảm nhận phải đạt cường độ định gọi “Ngưỡng” Ngưỡng thay đổi tùy theo thời gian, khơng gian tình trạng tâm sinh lý thể Như vậy, theo y học đại, đắc khí châm cứu phản ứng thể kích thích kim châm đạt đến ngưỡng kích thích Bổ tả thủ thuật áp dụng châm để nâng cao hiệu châm cứu Theo y học đại, kích thích nhẹ gây hưng phấn nhẹ, kích thích mạnh liên tục gây trạng thái ức chế toàn thân Như vậy, người bệnh trạng thái ức chế (hư chứng, thể suy yếu ) dùng cường độ nhẹ gây hưng phấn kích thích Ngược lại, người bệnh trạng thái hưng phấn (thực chứng, tà khí thịnh) dùng cường độ mạnh liên tục (tả pháp) gây tượng ức chế 20 Trong trình điều trị bệnh nhân, người thầy thuốc châm cứu, phải quan tâm đến thủ thuật bổ tả Tùy theo trường hợp chọn lựa thầy thuốc mà thủ thuật tiến hành đồng thời sau đạt cảm giác “đắc khí” (a) Chỉ định phép bổ - Những bệnh mà Y học cổ truyền chẩn đoán hư, thường bệnh mắc lâu - Cơ thể suy nhược, sức đề kháng giảm (b) Chỉ định phép tả - Những bệnh mà Y học cổ truyền chẩn đoán thực, thường bệnh mắc - Cơ thể bệnh nhân khỏe, phản ứng với bệnh mạnh (c) Những loại thủ thuật bổ tả kinh điển Các thủ thuật bổ tả phân loại gồm: bổ tả theo cường độ vê kim, bổ tả theo thở, theo chiều mũi kim, thứ tự châm, bổ tả theo kích thích bậc, bổ tả theo bịt khơng bịt lỗ châm, bổ tả theo thời gian lưu kim, bổ tả theo chất liệu kim Những thủ thuật bổ tả tóm tắt Bảng Để bổ tả dùng thủ thuật, dùng phối hợp thủ thuật Bảng Các thủ thuật bổ tả Tính chất Cường độ Hơ hấp Theo kinh Tốc độ Đóng mở Thời Gian Chất Kim III Bổ Vê kim Thở ra: Châm Thở vào: rút kim Thuận chiều Châm vào từ từ Rút kim nhanh Khi rút kim: bịt chặt nơi châm Lưu kim lâu Kim vàng Tả Vê kim nhiều lần Thở vào: châm Thở ra: rút kim Ngược chiều kinh Châm nhanh Rút kim chậm Khi rút kim: Không bịt nơi châm Không lưu kim lâu Kim Bạc Một số vấn đề liên quan đến kích thích tế bào thần kinh Khả kích thích hay ức chế hoạt động tế bào thần kinh với kích thích điện có tần số khác sở khoa học thần kinh Tần số kích thích thấp khử phân cực màng tế bào gây điện hoạt động, tần số cao từ 200Hz đến 30kHz kích thích liên tục sử dụng để ức chế điện hoạt động tế bào thần kinh ngoại vi [1, 2, 3, 4, 5, 6] Kích thích tần số cao ứng dụng lâm sàng trường hợp cần ức chế hoạt động thần kinh điều trị đau [7, 8] Việc nghiên cứu kích thích điện nghiên cứu nhiều, thực nghiệm đưa vào ứng dụng điều trị lâm sàng Tuy nhiên kích thích tế bào thần kinh phương pháp quang học giai đoạn bắt đầu Trong [9, 10, 11], đề cập đến việc kích thích, ức chế tế bào thần kinh phương pháp quang học, với công suất chiếu trực tiếp vào tế bào thần kinh 7mW/mm2 Tại PTN Công nghệ Laser, thiết bị quang châm quang trị liệu hoạt động mức cơng suất 5mW, 10mW, 12mW Một số tính tốn cường độ sáng độ sâu 1cm, điện trường, mật độ dịng điện dịch chiếu tia laser cơng suất 5mW, 10mW, 20mW, có tính đến mát lượng hấp thu, phản xạ trình bày Bảng 21 Bảng Cường độ sáng, điện trường mật độ dòng điện dịch ứng với công suất chiếu khác Cường độ Cường độ Cường độ Cường độ sáng sau sáng độ Bán kính sáng phản sáng sâu 1cm vết (mm) (mW/mm xạ (W/m2) (W/m2) 2) (W/m2) 0.18 176.93 169.85 7.71E-03 0.35 353.86 339.70 1.54E-02 0.71 707.71 679.41 3.08E-02 Công suất (mW) 10 20 Điện trường (V/m) Mật độ dòng điện dịch (A/m2) 1.87E+04 2.64E+04 3.73E+04 8.27E+07 1.17E+08 1.65E+08 Điện trường qua màng tế bào tính công thức E=V/d Khi trạng thái nghỉ, Vr=-70mV, bề dày màng tế bào nm, điện trường qua màng 1.17 x10^7 V/m Nếu tính tốn thơng qua chiếu tia laser với công suất 5mW, 10mW, 20mW điện trường độ sâu 1cm vào khoảng 10^4V/m, nhỏ nhiều so với điện trường trạng thái nghỉ Màng tế bào lớp lipid kép coi tụ điện, tia laser có chất sóng điện từ, điện trường biến thiên qua màng coi tác động dịng điện dịch với mật độ dịng điện dịch cho cơng thức: r r r ∂D ∂E jd = − = −ε oε r ∂t ∂t Với điện trở suất màng tế bào 1.6 x10^7 Ωm, Bảng trình bày giá trị mật độ dòng điện dẫn, mật độ dịng điện dịch ứng với cơng suất chiếu khác Với điện trở suất màng tế bào 1.6 x10^7 Ωm Bảng Mật độ dòng điện dẫn, mật độ dịng điện dịch ứng với cơng suất chiếu khác Công suất (mW) Điện trường (V/m) Mật độ dòng điện dẫn Mật độ dòng điện dẫn tia laser (mA/cm2) 10 20 1.87E+04 2.64E+04 3.73E+04 1.17E-03 1.65E-03 2.33E-03 1.17E-04 1.65E-04 2.33E-04 Mật độ dòng điện dịch (A/m2) Mật độ dòng điện dịch (mA/cm2) 8.27E+07 1.17E+08 1.65E+08 8.27E+06 1.17E+07 1.65E+07 Mật độ dòng điện dẫn vị trí q nhỏ 1.17x10^-4 (mA/cm2), để tạo xung động thần kinh, tế bào thần kinh có khoảng 10000 sợi gai (dendrites), tổng hợp kích thích từ sợi gai đạt giá trị đủ để tạo xung động thần kinh Từ Bảng 2, mật độ dòng điện dịch lớn so với dịng điện dẫn, kích thích màng tế bào dịng điện dịch tương ứng với kích thích từ trường, vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu 22 IV Đề xuất việc sử dụng chùm laser điều biến thủ thuật bổ tả Sau nghiên cứu đáp ứng tế bào thần kinh xung kích thích khác nhau, nhóm nghiên cứu chúng tơi đề xuất sử dụng dạng xung điều biến tam giác khác tương ứng với thủ thuật bổ tả Từ Hình đáp ứng tế bào thần kinh với dạng kích thích tam giác khác nhau, tăng nhanh-giảm chậm (xung 1), tăng chậm – giảm nhanh (xung 2), tăng – giảm (xung 3) , với cường độ cực đại 2mA/cm2, tần số lặp xung 100Hz (Hình 1), ta thấy đáp ứng có phụ thuộc vào dạng xung, với dạng xung (1), xung động thần kinh xuất nhanh dạng xung (2) (3) xung kich thich 2.5 xung xung xung Dong dien kich thich mA/cm2 1.5 0.5 0 10 15 thoi gian (ms) 20 25 30 Hình Xung kích thích dạng tam giác, tăng nhanh-giảm chậm (xung 1), tăng chậm – giảm nhanh (xung 2), tăng –giảm (xung 3) , cường độ cực đại 2mA/cm2, tần số lặp xung 100Hz dien the hoat dong 60 xung xung xung 40 hieu dien the mang Vm(V) 20 -20 -40 -60 -80 10 15 thoi gian (ms) 20 25 30 Hình Đáp ứng tế bào thần kinh có kích thích dạng tam giác, tăng nhanhgiảm chậm (xung 1), tăng chậm – giảm nhanh (xung 2), tăng –giảm (xung 3) , cường độ cực đại 2mA/cm2, tần số lặp xung 100Hz 23 Từ Hình đáp ứng tế bào thần kinh với dạng kích thích đồng dạng tăng nhanhgiảm chậm với cường độ cực đại 2mA/cm2, 1mA/cm2, 0.5mA/cm2, tần số lặp xung 100Hz (Hình 3), ta thấy đáp ứng có phụ thuộc vào cường độ kích thích, cường độ kích thích nhỏ xuất xung động thần kinh chậm hơn, độ lớn điện hoạt động lớn xung kich thich 2.5 xung xung xung Dong dien kich thich mA/cm2 1.5 0.5 0 10 15 thoi gian (ms) 20 25 30 Hình Kích thích tam giác dạng tăng nhanh-giảm chậm với cường độ cực đại 2mA/cm2, 1mA/cm2, 0.5mA/cm2, tần số lặp xung 100Hz dien the hoat dong 60 xung xung xung hieu dien the mang Vm(V) 40 20 -20 -40 -60 -80 10 15 thoi gian (ms) 20 25 30 Hình Đáp ứng tế bào thần kinh với dạng kích thích đồng dạng tăng nhanhgiảm chậm với cường độ cực đại 2mA/cm2, 1mA/cm2, 0.5mA/cm2, tần số lặp xung 100Hz 24 Từ Hình đáp ứng tế bào thần kinh với kích thích đồng dạng tăng nhanh-giảm chậm với cường độ cực đại 0.05mA/cm2, 0.03mA/cm2, tần số lặp xung 100Hz (Hình 5), ta thấy cường độ kích thích nhỏ 0.03mA/cm2, xung động thần kinh không tiếp tục xuất hiện, với kích thích nhỏ, sau xung động thần kinh xuất lần đầu tiên, giai đoạn q phân cực, kích thích khơng đủ độ lớn để đưa điện màng tế bào vượt giá trị ngưỡng để xuất xung động thần kinh xung kich thich 0.05 xung xung 0.045 Dong dien kich thich mA/cm2 0.04 0.035 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 10 15 thoi gian (ms) 20 25 30 Hình Kích thích tam giác tăng nhanh-giảm chậm với cường độ cực đại 0.05mA/cm2, 0.03mA/cm2, tần số lặp xung 100Hz dien the hoat dong 40 xung xung hieu dien the mang Vm(V) 20 -20 -40 -60 -80 10 20 30 thoi gian (ms) 40 50 60 Hình Đáp ứng tế bào thần kinh với dạng kích thích đồng dạng tăng nhanhgiảm chậm với cường độ cực đại 0.05mA/cm2, 0.03mA/cm2, tần số lặp xung 100Hz 25 Từ Hình đáp ứng tế bào thần kinh với dạng kích thích đồng dạng tăng nhanhgiảm chậm với cường độ cực đại 0.02mA/cm2, 0.01mA/cm2, tần số lặp xung 100Hz (Hình 7), ta thấy cường độ kích thích nhỏ, xung động thần kinh không xuất xung kich thich 0.05 xung xung 0.045 Dong dien kich thich mA/cm2 0.04 0.035 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 10 15 thoi gian (ms) 20 25 30 Hình Kích thích tam giác tăng nhanh-giảm chậm với cường độ cực đại 0.02mA/cm2, 0.01mA/cm2, tần số lặp xung 100Hz dien the hoat dong -61.5 xung xung -62 hieu dien the mang Vm(V) -62.5 -63 -63.5 -64 -64.5 -65 -65.5 -66 -66.5 10 15 thoi gian (ms) 20 25 30 Hình Đáp ứng tế bào thần kinh với dạng kích thích đồng dạng tăng nhanhgiảm chậm với cường độ cực đại 0.02mA/cm2, 0.0.01mA/cm2, tần số lặp xung 100Hz 26 Từ Hình 10 đáp ứng tế bào thần kinh với kích thích đồng dạng tăng nhanh-giảm chậm với cường độ cực đại 2mA/cm2, tần số lặp xung 100Hz 50Hz (Hình 9), ta thấy với cường độ kích thích này, xung động thần kinh kích thích 100Hz nhiều gấp lần tần số 50Hz xung kich thich 2.5 xung xung Dong dien kich thich mA/cm2 1.5 0.5 0 10 20 30 thoi gian (ms) 40 50 60 Hình Kích thích tam giác dạng tăng nhanh-giảm chậm với cường độ cực đại 2mA/cm2, tần số lặp xung 100Hz (xung 1) 50 Hz (xung 2) dien the hoat dong 60 xung xung hieu dien the mang Vm(V) 40 20 -20 -40 -60 -80 10 20 30 thoi gian (ms) 40 50 60 Hình 10 Đáp ứng tế bào thần kinh với xung kích thích tăng nhanh-giảm chậm, cường độ cực đại 2mA/cm2, tần số lặp xung 100Hz (xung 1) 50 Hz (xung 2) 27 Từ Hình 12 đáp ứng tế bào thần kinh với kích thích đồng dạng tăng nhanh-giảm chậm với cường độ cực đại 1mA/cm2, tần số lặp xung 100Hz 50Hz (Hình 11), ta thấy xung động thần kinh xuất kích thích 100Hz, không tạo xung động thần kinh tiêu biểu kích thích nhiều tần số 50Hz xung kich thich 1.5 Dong dien kich thich mA/cm2 xung xung 0.5 0 10 20 30 thoi gian (ms) 40 50 60 Hình 11 Kích thích tam giác dạng tăng nhanh-giảm chậm với cường độ cực đại 1mA/cm2, tần số lặp xung 100Hz (xung 1) 50 Hz (xung 2) dien the hoat dong 60 xung xung hieu dien the mang Vm(V) 40 20 -20 -40 -60 -80 10 20 30 thoi gian (ms) 40 50 60 Hình 12 Đáp ứng tế bào thần kinh với xung kích thích tăng nhanh-giảm chậm, cường độ cực đại 1mA/cm2, tần số lặp xung 100Hz (xung 1) 50 Hz (xung 2) 28 Từ Hình 14 đáp ứng tế bào thần kinh với kích thích đồng dạng tăng nhanh-giảm chậm với cường độ cực đại 0.05mA/cm2, tần số lặp xung 100Hz 50Hz (Hình 13), ta thấy có đáp ứng đặc biệt, xung động thần kinh xuất với tần số 100Hz 50Hz xung kich thich 0.1 xung xung 0.09 Dong dien kich thich mA/cm2 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 10 20 30 thoi gian (ms) 40 50 60 Hình 11 Kích thích tam giác dạng tăng nhanh-giảm chậm với cường độ cực đại 1mA/cm2, tần số lặp xung 100Hz (xung 1) 50 Hz (xung 2) dien the hoat dong 40 xung xung hieu dien the mang Vm(V) 20 -20 -40 -60 -80 20 40 60 thoi gian (ms) 80 100 120 Hình 12 Đáp ứng tế bào thần kinh với xung kích thích tăng nhanh-giảm chậm, cường độ cực đại 1mA/cm2, tần số lặp xung 100Hz (xung 1) 50 Hz (xung 2) 29 V Kết luận Qua nghiên cứu ta thấy đáp ứng tế bào thần kinh phụ thuộc vào dạng xung, tần số lặp xung, độ lớn xung, dựa vào việc điều dạng xung, tần số lặp, độ lớn xung, đưa đến tác động tương quan thuật bổ tả châm cứu cổ truyền Đây kết ban đầu, cần có nghiên cứu vấn đề đáp ứng thần kinh tương quan với kỹ thuật châm cứu bổ tả y học cổ truyền, nhằm giúp cải tiến thiết bị quang châm quang trị liệu PTN Công nghệ Laser, để việc điều trị có hiệu 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Waataja, J J., Tweden, K S & Honda, C N “Effects of high-frequency alternating current on axonal conduction through the vagus nerve” J Neural Eng 8, 056013 (2011) [2] Jensen, A L & Durand, D M “High frequency stimulation can block axonal conduction” Exp Neurol 220, 57–70 (2009) [3] Bhadra, N & Kilgore, K L “High-frequency electrical conduction block of mammalian peripheral motor nerve” Muscle Nerve 32, 782–790 (2005) [4] Bhadra, N., Lahowetz, E A., Foldes, S T & Kilgore, K L “Simulation of highfrequency sinusoidal electrical block of mammalian myelinated axons” J Comput Neurosci 22, 313–326(2007) [5] Bhadra, N & Kilgore, K L “Direct current electrical conduction block of peripheral nerve” IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng 12, 313–324 (2004) [6] Kilgore, K L & Bhadra, N “High frequency mammalian nerve conduction block: simulations and experiments” Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc 1, 4971– 4974 (2006) [7] Slavin, K V., Colpan, M E., Munawar, N., Wess, C & Nersesyan, H “Trigeminal and occipital peripheral nerve stimulation for craniofacial pain: a single-institution experience and review of the literature” Neurosurg Focus 21, E5 (2006) [8] Slavin, K V., Nersesyan, H & Wess, C “Peripheral neurostimulation for treatment of intractable occipital neuralgia” Neurosurgery 58, 112–119 (2006) [9] Liske, H et al “Optical inhibition of motor nerve and muscle activity in vivo” Muscle Nerve 47,916–921 (2013) [10] Han, X., Qian, X., Stern P., Chuong, A S & Boyden, E S “Informational lesions: optical perturbation of spike timing and neural synchrony via microbial opsin gene fusions” Front Mol Neurosci 2, 12 (2009) [11] Liske, H et al “Optical control of neuronal excitation and inhibition using a single opsin protein, ChR2”, Sci Rep.3, Art.No 3110, (2013), ISSN (online): 20452322 [12] Malmivuo J and Plonsey R., Bioelectromagnetism, Oxford University Press, 1995 [13] Hodgkin A L., and Huxley A F., “A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve”, J Physiol., vol 117, 1952, pp 500-544 [14] Enderle J D., Blanchard S M., and Bronzino J D., Introduction to Biomedical Engineering, Elsevier Academic Press, 2005 [15] Roth B J and Basser P J., “A model of the stimulation of a nerve fiber by electromagnetic induction”, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol 37, no 6, 1990, pp 588-597 [16] Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2006 31 32 Sản phẩm 3: báo cáo hội nghị khoa học Trần Thị Ngọc Dung, Trần Minh Thái, Nghiên cứu đáp ứng tế bào thần kinh tác dụng kích thích khác cường độ kích thích thời gian kích thích, Hội nghị Tồn quốc Vật lý Kỹ thuật & Ứng dụng lần thứ Thời gian 8/10 – 11/10, Huế Báo cáo tiểu ban Vật lý Y sinh Vật lý hạt nhân Mã số báo cáo B-16.Thông tin chi tiết http://iop.vast.ac.vn/activities/hnvlktud_caep/program.html Trần Thị Ngọc Dung, Trần Minh Thái, Trần Công Toại, Ứng dụng SIMULINK viêc nghiên cứu đáp ứng tế bào thần kinh tác dụng kích thích khác cường độ kích thích thời gian kích thích” Kỷ yếu Hội nghị Khoa học & Công nghệ lần thứ 13, Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG Tp.HCM Thời gian 31/10/2013 – 01/11/2013, p 180187 33 ... hoá thi? ?t bị quang châm quang trị liệu, đề t? ?i nghiên cứu lan truyền xung động t? ?? bào thần kinh kích thích tia laser cơng su? ?t thấp điều biến đ? ?t II Mục tiêu đề t? ?i nghiên cứu • Nghiên cứu lan truyền. .. điện thường kèm theo co t? ?? bào Trong t? ?? bào khác t? ?? bào tuyến, t? ?? bào có lơng, điện màng đóng vai trị quan trọng trong việc thực chức chúng Trong đề t? ?i nghiên cứu ta quan t? ?m t? ??i điện màng t? ?? bào. .. t? ?? t? ?? bào thần kinh khác truyền chúng t? ??i thân t? ?? bào (t? ?n hiệu hướng t? ?m) Sợi trục, truyền t? ?n hiệu t? ?? thân t? ?? bào t? ??i t? ?? bào thần kinh khác t? ??i t? ?? bào Chiều dài sợi trục t? ?? 1m c? ?t sống người