Xây dựng mạch điện tử mô phỏng đáp ứng của tế bào thần kinh với kích thích xung điện một chiều

0
218
Xây dựng mạch điện tử mô phỏng đáp ứng của tế bào thần kinh với kích thích xung điện một chiều

Xây dựng mạch điện tử mô phỏng đáp ứng của tế bào thần kinh với kích thích xung điện một chiều

Mọi ý kiến đóng góp xin gửi vào hòm thư: hotroontap@gmail.com

Tổng hợp các đề cương đại học hiện có của Đại Học Hàng HảiĐề Cương VIMARU 

Kéo xuống để Tải ngay đề cương bản PDF đầy đủ: Sau “mục lục” và “bản xem trước”

(Nếu là đề cương nhiều công thức nên mọi người nên tải về để xem tránh mất công thức)

Đề cương liên quan: PHƯƠNG THỨC LỰA CHỌN TỪ NHÂN VIÊN BÁN HÀNG ĐẾN GIÁM ĐỐC BÁN HÀNG KHU VỰC


Mục Lục

Tải ngay đề cương bản PDF tại đây: Xây dựng mạch điện tử mô phỏng đáp ứng của tế bào thần kinh với kích thích xung điện một chiều

 

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 mô hình mạch điện tử của tế bàoo thần kinnh, mô phỏng hoạt độộng điệện của tế bàoo thần kinnh thônng qua việệc thayy đổi các thaam số đầu vàào về cường độ và tần số xuung kícch thích. Qua đó, kiểmm chứnng giá trị điệện áp đầu ra của mô hìnnh mô phỏng so vớới cách đáp ứng thhực tế của tếế bào thần kinh. Việc khảo sátt sự thay đổi cường độ và tần số kích thích xung điện một chiều và đánh giá định lượng tại giá trị nào của tham số kích thíchh chho ra điệnn thế đáp ứng là lớn nhất nhất thông qua mô hình mạch điện tử của tế bào đã xâyy dựng. Kết quả củủa nghiên cứu này góóp phần hiểu biết sâu hơn về cơ chế hoạt độngg điện của mànng tế bào thôngg quua hoạt động củủa các kênnh ion trên màng như Na+, K+ và các ion khác.

 

Từ khóa: Mô hình mạch điện tử; Tế bào thần kinh; Kích thích xung điện mộtt chiiều; Điện thế hoạt động.

 

1. MỞ ĐẦUU

 

Não người có 1010-1011 tế bào thần kinh (còn gọi là các nơroon) liên kết chặặt chẽ vớii nhhau qua mạng lưới sợi trụục và đuôi gaai. Bản thân các nơron lại được đệm đỡ và bổ trợ bởii các tế bào thần kinh đệm. Một nơron có thể nhận tín hiệu từ 103-105 các nơrron khác [[10]].

 

Kích thích dòng điện m ột chiều có vai trò quuan trọng trong y sinhh, như ứng dụng trong khử rung tim, trong phụục hồi chức năng và giảmm đau trong vật lý trị liệu… Đặặc biệt, trong ngghiêên cứu hành vi độnng vật mà đáng quan tâm hơơn cả là kích thíích điện nội sọ do những ứnng dụng mà nó có thể mang lại.

 

Kích thích lên tế bào sống với một xung điện đủ lớn sẽẽ gây ra đáp ứnng làm thay đổii điện thế màng. Khi tham số kích thích tới một ngưỡng nhất định sẽ làm phát sinh điiện thế hoạt độnng của tế bào. Sau đáp ứng này, điện thhế mànng sẽ dần trởở về giiá trị điện thế nghỉỉ ban đầu của nó. Nếu xuung kícch thích không đủ lớn thì tế bào sẽ khônng được kích hooạt. Sự đáp ứng củủa mànng cho loại kích thích này maang tínnh bị động. Nếu xung kích thích đủ mạnhh, điện thếế màngg đạt tới ngưỡng và m àng tạo ra một xung điện đặc trưng là xung thần kinh (hình 1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hìnhh 1. Thhay đổi điện thế màng tế bàoo (BB) dưới tác dụngg cáác loại xung kích thích (CC) gây ứcc chhế (1) và gây hưưng phấn (2, 3, 4). Xung (2) chưa đạt ngưỡng kích thhích nên chỉ gây ra được một đáp ứnng bị động. Xung (3) chạm ngưỡng kích thích có thể gây ra được điệện thế đápp ứng (3b). Xung (4) vượt quá ngưỡng, điệnn thế đáp ứng luuôn xuất hiện.

 

Tạp chí Nghhiên cứu KH&&C N quân sự, Sốố Đặc san FEE, 08 – 2018

3911

 

Đo lường – Tin học

 

Điện thế màng của một tế bàoo đưược định nghhĩa là chênh lệch điiện thế giữa mặt trong và mặt ngoài mànng mà nguyêên do là do sự chênh lệch giữa các ion hai bên màng tế bào. Trị số điện thế màng troong trạng tháái yên nghỉ (còn gọi là trạng thái phân cực – polarizzation) Ek do ioon K+ quyyết địnnh được tính theo phươnng trình Nernst và thường daoo động trong khhoảng -70 mV đến -90 mV [[111]].

.          (        )

=       . lnn (            )

Khi tế bào hưng phấn, điệện thế màng bị thay đổi do thaay đổi tính thấmm của màng vớii ion N a+. Kêênh Naa+ được mở ra, các ion N a+ ở mặt ngoài mààng ùa vào trrong tế bào làm táii phhân bố các ioon hai bên m àng: số lượng các ion mang điện tícch dương ở mặt trong màng nhhiều hơn so với ở mặt ngoài mààng. Lúc nàyy, màng bị đổi cực từ trạng thái phhân cực sang trạng tháái khử cực và xuất hiện điện thế hưng phhấn hay điện thếế hooạt độnng. Điện thế nàyy sẽ theo sợi trụục lan truyền tới các tế bào khác. Trị số điện thế hoạt động có thểể đạt tới 120 mV nhưng vì ở xuất phát điể m điện thế m àng đã có trị số là -90 m V nên điện thế trên thực tế đạt khhoảng +300mV.

ạ  độ

 =

.

ln

(

)

 
 

.

(

)

 

Saau khi hưng phấn, màng tế bào dần trở về trrạng thhái ban đầầu, nghhĩa là diễn ra quá trình tái cực mànng nhờ hooạt động của bơm Na+/K + trrên mààng tế bào, làm tái lập trrạng thhái cân bằng điệện tích hai bên mànng tế bào như trước lúúc hưng phấnn [[2]]. Giai đoạn này được gọii là giai đoạn táii cựực (deppolaarization).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hìnnh 2. Đáp ứnng của màng tế bào đối với các kích thích có cường độ thay đổi (B) theo đưườnng cong cườnng độ thời giann. Mức cường độ kích thích nhỏ nhất gây ra được đááp ứng được gọi là ngưỡng cơ sở (Rheobaase). Thời gian cực tiểu cần thiết cho 1 xung kíích thích có cường độ gấp đôi ngưỡng cơ sở để khởi động quá trình khử cực gọii là thời trị (Chroonaxy).

 

Nhữnng hiểuu biiết về phảản ứng điệện của các tế bào có thể kích thhíchh được và các phương phháp mô tả gắn với các khái niệmm về m ạch điện tử và với các công thức biểu diễn các phản ứnng của chúng. Từ các luận điểm nàyy, chúnng ta có thể tiến hànhh các phưương pháp nhận biết các mạch điện tử tương đương về mặtt vậật lý chho các tế bào có khả năngg kích thích.

 

3992        T. Q. Giáp, N. L. Chiến, L. K. Biên, “Xây dựng mạch điệện tử … xung điện một chiều.”

 

 

Nghiêên cứu khoa học công nghệ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hìnnh 3. Mô hình điện tế bào thần kinnh của Hoodgkin và Huuxleey

 

và lý thuyết điện thế hoạt động.

 

Đã có nhiều nghiên cứuu, đề xuất mô hình hóa m àng tế bào tương tự như một mạcch điện tử như mô hình điện tế bào của Hodgkkin và Huxley [[5]]. Đây cũng là mô hình cơ bản để các nghiên cứu kế tiếp phát triểnn và đề xuất các mô hìnhh điiện nơron: m ô hình điện nơron của Lewis [[8]]], mô hình điệnn nơron của Harmon [[4]]], mô hìnnh điệnn nơron của Roy [[6]] và mô hìnhh điện nơronn của Maedaa và Makkino [[7]]. Tronng đó, mô hình của Maeda và Makino mang nhiiều ưu điểm do mô phhỏng đượcc điện thế mạng neuroon theo thời gian thhực,, dễ dàng thaay đổi các tham số của mạch điiện và có thể xây dựng được mô hìnhh toán học từ mạch này. Xuất phát từừ nhữnng vấn đề trên, nghiên cứu được tiến hành với mục đích xây dựng mạch điện mô phỏngg hoạt động điệện của màng tế bào thần kinh ứng với kíchh thhích xung điện một chiều, từ đóó giải thícch các cơ chế tạạo ra điện thế hoạt động của tế bào thần kinh và đáp ứnng kíchh thích của tếế bào thầnn kinh với xuung điện mộtt chhiều. Là cơ sở để đánh giá đáp ứng hành vi trêên động vật thực nghiệm đốối với tín hiệu kích thích xuung điệện mộtt chiều đã được mô phhỏng.

 

2. M Ô PH ỎNG CÁC T HAM SỐ KÍÍC H THÍÍCHH TRÊN

MÔ HÌÌN H MAEDA VÀ MAKKIN O BẰ N G PHẦẦN MỀM NI MULTISIM

 

Maedda và Makino chỉ ra phươngg thức mô hình hóa m ột nơrron sử dụng 3 bóng bán dẫn cho một tế bàoo thần kinh FitzHughNagumo (FHN) [[3]] (được đơn giản hóa từ công thức Hodggkin-Huxley). FitzHughNagumo đề xuất thay thế dòngg Na+ nhanh của mô hình Hodggkin-Huxley với quá trìnnh khử cựực nhanh, khhử cựcc, kích hooạt và thaay thế quá trình khử hoạt động Na+ chậm và làm chậm, táái phân cựực, K+ bằng một quá trình khử hoạt tính chậm đơn thuần. Bằng cácch thêm một quuá trình táái phân cực hơnn, được mô hình hoá bởii hai bóng báán dẫn,, chúng có thhể tạo ra một nơron điện với đáp ứng “bùng nổ”.

 

Trrong mạch điện trên hình 4 gồm 2 thànnh phần dao động cơ bản, kênh Na+ được mô hình hóaa bởi 02 transitoor (Q1 – trannsitor ngược, Q2 – traansiitor thuận) mắc kiểểu Dalington có nhhiệmm vụ khuếch đại tín hiệu kênh Na+ được nối với nguồnn DC 5V; kênh K+ được mô hình hóa bởi transitor ngược Q3 xác định ngưỡnng tín hiệệu kích thích và được nối vớii ngguồn DC 0,04V. Khi có tín hiệệu kích thhíchh là xuung điện 1 chiều có cường độ và tần số xác định thì cáác trransitoor được mở hoặc đóng nhhanh hay chậm tương ứng với các kênh Na+ và K+ được mở và đóng nhannh hoc chậm. Điệện áp đầu ra được biểu diễn trên độ lớn và dạng tín hiệệu.

 

Tạp chí Nghhiên cứu KH&&C N quân sự, Sốố Đặc san FEE, 08 – 2018

3933

 

Đo lường – Tin học

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hìnhh 4. Mô hình điện tế bào thần kinh củủa Maeeda và Makino được kích thích

 

bằng xung điện 1 chiều.

 

Trrong báo cáo này, nhóóm nghhiên cứu áp dụng lý thuyết, mô hìnnh Maeda và Makino do:

 

  • Mô hình mạch điện đơn giản nhưng có khả năng giải thích được hoạt độngg điiện thế màng tế bào;
  • Một số tham số của mạchh ngguyên lý được thay đổổi để phù hợp với nghiên cứu;
  • Các phhần tử transistor đóng vaai trò khóa đóngg mở kênh ioon Na+, K + và các ion khhác,, cũng như khuếch đạii tínn hiệu điện;
  • Sử dụnng chuỗi xunng với các thham số xáác địnhh kích thích vào mạchh nguyên lý và xác định đáp ứnng của mạch. Xung để m ở transistor có yêu cầu: sườn dốc thẳng đứng đảm bảo yêu cầu transistorr mở tức thì khi cóó xung điều khiiển (thường gặp là xung ki m hoặc xung vuuông); đủ độ rộnng (độ rộnng xung lớn hơnn thời gian m ở của transistor); đủ cônng suất. Song troong kích thích điện vào mô sinh học nói chungg, tế bào thầnn kiinh nói riêng cần giữ cho độ rộng xung khôông được quá lớớn để giả m thiểu bất kỳ phản ứng điệện hóa nào xảy ra trên bề mặt điện cựực.

KẾT QUUẢ MÔ PH ỎNG VÀ T HẢO LUẬN

 

Mô phỏng các tham số kích thích bằng phần mềm NI Muultissim.

 

Với mô hìnnh điệnn tế bào thần kinh được mô tả thể hiện trênn hình 4, các tác giiả đã kích thíích bằng chuỗi xuung kích thícch kéo dài 0,5s gồm các xungg kích thíích vuông cathode 0,3ms (hìnhh 5), có tần số và cườnng độ có thể tùy biến.

 

 

 

 

 

 

 

Hình 5. Dạng xung kích thhíchh 1 chiều với tham số xác định.

 

Qua các bááo cáo đã được công bố trước đây [1,12] cho thấy đáp ứnng xunng kíchh thhích của tế bào thầnn kinh trên chuột nhắt có cường độ trong khoảng 10 – 120μA (đááp ứng tối ưu

 

3994        T. Q. Giáp, N. L. Chiến, L. K. Biên, “Xây dựng mạch điệện tử … xung điện một chiều.”

 

 

Nghiêên cứu khoa học công nghệ

 

khhoảng 1000 μA), tần số trrong khoảảng 10 – 120Hz (đđáp ứnng tối ưu khoảnng 100Hz). Đáp ứnng của mạạch điện được khảo sát trongg cáác điều kiện cố định tầần số xung kích thích ở mức 800Hz hoặc cường độộ xuung kích thícch được cố định ở mứức 70 μA. Các điềuu kiện này được đặt tương ứng với bááo cáo của N guyễn Lê Chiến và cs. [10] troong một khảo sát tươnng ứng trêên chuột nhắt.

 

Chùmm xung điện ápp khi đáp ứng với xungg kích thích có cưườnng độ và tầnn số vượtt nggưỡng kích thích (ở tần số 80Hz và cườnng độ 70μA) được thể hiệện trên hình 6.

 

 

 

 

 

 

 

Hình 6. Dạng điệện áp đáp ứnng của mô hình khi kícch thích vượt ngưỡng.

 

3.1. Đáp ứng khi cố định tầnn số tại 80Hz, biến đổổi cường độ dòng điện

 

Kết quả thểể hiện trên hình 7 biểu thị thay đổổi của xung điện áp đáp ứng với kích thhích bằng xung điện 1 chiều khi giữ nguyên tần số tạại 80Hz, thay đổổi cường độ với bước 10μA. Qua kết quả này cho thấy điện áp đápp ứng tăng lên tươơng ứnng với cườngg độ kích thíích. Tuuy nhiên, sự biến thiên này là không tuyến tính với khoảng “bùng nổ” điện áp đáp ứngg từ giá trị cường độ vào khoảnng 5-100μAA.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hình 7. Sự thay đổi điiện áp theeo cường độ kích thích tại tầần số 80H z.

 

Kết quả thể hiiện trên hình 8 cho thấy đáp ứng điệện áp trên cùùng một đơn vị thờời gian biểu diễn mối quan hệ của 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) và 100μA với 90μA hìnhh 8.D). Qua kết quả khảo sát chho thấy cườnng độ xung điện trong khhoảng 100μA chho đáp ứng điện áp ra bùng nổ nhất biểu thị bằng số lượng xuung ở hình 8C và điệnn ápp ghhi đo được tạại hình

  1. Đối với cường độ lớn hơn 1000μAA thì số xungg nhhỏ hơn (hình 8CC) và điện ápp đááp ứng lạii bùùng nổ không kiểm sooát, giải thích nguy cơ đánhh thủng các kênnh dẫn điện trong tế bào. Bêên cạnh đó, kết quả thhể hiện trên hình 7 và hìnnh 8 còòn cho thấy các đáp ứng điệện áp biến đổi chậmm khi thay đổổi cường độ kích thhích và đááp ứng lớn nhất ở khoảng cường độ 100μA.

 

Tạp chí Nghhiên cứu KH&&C N quân sự, Sốố Đặc san FEE, 08 – 2018

3955

 

Đo lường – Tin học

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hình 8. Kích thích bằng xuung điệện 1chiiều ở tần số tại 80Hz, cườngg độ thhay đổi.

 

3.2. Đáp ứng khi cố định cườngg độ, thay đổi tần số dòng điện

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hình 9. Thay đổi điện áp thheo tần số kích thícch, giữ cường độ 80μAA.

 

Kết quả trên hìnhh 9 cho thấy khi thhay đổi giá trị tần số từ 0 – 110Hz, điệnn ápp đááp ứng có xuu hướnng tăng nhannh và đạt giá trrị cực đại tại khoảảng tần số 100Hz và thể hiện xu hướng giảm ở tần số lớn hơn.

 

3996        T. Q. Giáp, N. L. Chiến, L. K. Biên, “Xây dựng mạch điệện tử … xung điện một chiều.”

 

 

Nghiêên cứu khoa học công nghệ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hình 10. Kíích thích bằnng xung điện 1 chiềều cường độ tại 80μA, thay đổi tần số.

 

Kết quả thểể hiện trên hình 10 chho thấy đááp ứng điện áp trênn cùng một đơn vị thờời gian biểu diễn mối quan hệ củaa tần số kích thích tương ứng 0Hz khônng có đáp ứnng xung điện áp so với 10Hz có đáp ứngg chhậm , không có đáp ứnng xung trrong khoảng thời giann từ 0 đến 0,5s (hìnnh 10.A); tại 20Hz đáp ứng xung chậậm hơn nhiều và số xungg ít hơn so với 1000Hz (hình 10.B)); tại 90H z đáp ứnng xung chậm hơn và trong cùùng khhoảng thời gian từ 0 đến 0,5s số lượng xunng ít hơn so với 100Hz (hình 10.C) và 100 Hz số xunng “bùng nổ”” nhhiềuu so với 110Hz (hình 10.D). Điện áp ra bùng nổ nhất và đáp ứnng nhanh nhất ở khoảng tần số 1000Hz biểu thị bằng số lượng xung đááp ứng lớn nhất troong cùng đơn vị thhời gian và điện áp hiển thị trên thiết bị ghhi đo điện thế là lớn nhất. Với các tầần số nhỏ hơn hoặc lớớn hơn 1000Hz thì đáp ứng điện thế hoạt động chậậm hơn (hhay độ trễ đááp ứng với các tần số đó lớn hơơn), điện áp trunng bìnhh hiển thị trên thhiết bị đo điện thế là nhỏ hơn.

 

  1. KẾT LUẬ N

Trrong bài báo này, chúng tôi quaan tâm đến khảoo sáát các tham số cường độ dònng điện và tần sốố kíích thích của xuung điệện một chiều phhù hợp và ở giá trị nào của cường độ và tần số của xung điện kích thích là tối ưu. Đó là cơơ sở đề xuất xây dựng mô hình và thuật toán kích thícch xung điện một chiều với cường độ và tầnn số tối ưu đối với tế bào thần kinh được thực nghhiệ m trên động vật tương ứnng với giá trị thaam số cường độ và tầnn sốố xuung điện mộtt chiều đã khảo sát trong mô phỏng sẽ được các tác giả sớm công bố trong cácc nghiên cứu tiếp theo.

 

TÀI LIIỆUU THAAM KHẢO

 

  • Carlezzon Jr WA & Chartofff EH. “Intracraniial self-stimuulation (ICSS) in rodents to study the neurobioologgy of m otivation”. Nat. prot., 2 (111), 2987-2995. 2007.
  • 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

 

Đo lường – Tin học

 

  • FitzHugh, R. “Impulses and physiological states in theoretical models of nerve membrane”. Biophys. J. 1, 445–466. 1961.
  • Harmon L. D., “Problems in neural modeling”. In: Neural theory and modeling, edit.

by R.F. REISS. Stanford: Stanford University Press 1964.

  • 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.
  • Roy, Guy, “A simple electronic analog of the squid axon membrane”, IEEE Trans Biomed Eng. 19(1):60-3; 1972 Jan.
  • Maeda, Y and Makino H, “A pulse-type hardware neuron model with beating, bursting excitation and plateau potential”, BioSystems 58 (2000) 93-100.
  • Lewis E.R. “An Electronic Model of Neuroelectric Point Processes”, 1968.
  • Wise RA. “Addictive drugs and brain stimulation reward”. Annu. Rev. Neurosci. 19: 319-40. 1996.
  • Nunez PL & Srinivasan R. “Electric fields of the brain: the neurophysics of EEG”. 2nd Oxford university press. The Oxford, USA. 1981.
  • Bộ môn Sinh lý học, Học viện Quân y. “Những khái niệm cơ bản trong Sinh lý học”.

Trong: Giáo trình Sinh lý học, tập I (Tái bản lần thứ nhất). NXB QĐND, Hà Nội, 2007, trang 31-34.

 

  • Nguyễn Lê Chiến, Trần Hải Anh (2012) “Mô hình Gompertz’s và 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 bài ngày 01 tháng 7 năm 2018

 

Hoàn thiện ngày 10 tháng 9 năm 2018

Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 9 năm 2018

 

Địa chỉ: 1Học viện Quân y;

2Viện Điện tử – Viện Khoa học và Công nghệ quân sự.

  • Email: tqgiaphvqy@gmail.com.

 

 

 

 

 

 

 

398           T. Q. Giáp, N. L. Chiến, L. K. Biên, “Xây dựng mạch điện tử … xung điện một chiều.”


Tải xuống tài liệu học tập PDF miễn phí

Tải Xuống Tại Đây

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here