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

Nghiên c Tạp chí Nghi XÂY D Từ khóa: nhau qua m các t kh nghiên c ứng dụng m điện thế m ho ban đ đáp mạnh, điện thế m kinh ( Hình ức chế (1) v đư ph vào v ra c kh định l nh cứu n thông qua ho Não ng ế b Kích thích dòng ử rung tim, trong phục hồi chức năng v Kích thích lên t ạt động của tế b ứng của ợc một đáp ứng bị động. Xung (3) chạm ng TH Tóm t ỏng hoạt động điện của tế b ủa mô h ảo sát sự t ất thông qua mô h ào th ầu của nó. Nếu xung kích thích không đủ lớn th hình 1). 1. ứu khoa học công nghệ ỰNG MẠCH ĐIỆN TỬ MÔ PHỎNG ĐÁP ỨNG CỦA TẾ B ẦN KINH VỚI KÍCH THÍCH XUNG ĐIỆN MỘT CHIỀU ề c ượng tại giá trị n ày góp ph Mô hình m ư ứu h àng. Khi th Thay đ đáp ên c ắt: ường độ v ời có ạng l ần kinh đệm. Một n ành vi đ à nó có th màng cho lo à gây hưng ph ứng (3b). Xung (4) v ứu KH&CN Nghiên c ình mô ph hay đ ạt động của các k ư ổi điện thế m Tạ Quốc Giáp ần hiểu ạch điện tử 10 ới sợi trục v đi ế b ào. Sau đáp àng đ à t ổi c 10-10 ện một chiều có vai tr ộng vật m ể mang lại. ào s am s ạt tới ng ứu xây dựng mô h ần số xung kích thích. Qua đó, kiểm chứng giá trị điện áp đầu ỏng so với cách đáp ứng thực tế của tế b ư ào c ình m 11 quân s ờng độ v bi ; Tế tế b ống với một xung điện đủ lớn sẽ gây ra đáp ứng l ố kích thích tới một ng ại kích thích n àng t ấn (2, 3, 4). Xung (2) ch ủa tham số kích thích cho ra điện thế đáp ứng l ạch điện tử của tế b ết sâu h bào th ào th à đuôi gai. B ơron có th à đáng quan tâm hơn c ứng n ư ự, Số 1* ào th à t ênh ion trên màng như Na ần kinh ỡng v ế b ượt quá ng , Nguy ần số kích thích xung điện một chiều v ần kinh (c ày, đi à màng t ào (B) dư Đặc san ần kinh thông qua việc thay đổi các tham số đầu ơn v ; 1. M ễn L ình m ề c Kích Ở ĐẦU ản thân các n ể nhận tín hiệu từ 10 ò quan tr à gi ện thế m ày mang tính b ư ơ ch thích xung đi òn g ảm đau trong v ạo ra một xung điện đặc tr ới tác dụng các loại xung kích thíc ư ỡng, điện thế đáp ứng luôn xuất hiệ FEE ê Chi ạch điện tử của tế b ào đ ư ưa đ ỡng kích thích có thể gây ra đ , 0 ế hoạt động điện của m ọi l ọng trong y sinh, nh ỡng nhất định sẽ l àng s 8 - ến1 ã xây d à các nơron) liên k ơron l ả l ì tế b ạt ng 20 , Lê K ện một chiều à kích thích đi ẽ dần trở về giá trị điện thế nghỉ ào s ị động. Nếu xung kích thích đủ 18 ựng. Kết quả của nghi +, K ại đ 3 ật lý trị liệu Đặc biệt, trong ưỡng kích thích n ỳ Bi + và các ion khác. ư -10 ẽ không đ ên ào th ; ợc đệm đỡ v 5 các nơron khác [ 2 ào th Điện ện nội sọ do những àm phát sinh đi ần kinh. Việc th ư ược kích hoạt. Sự ưng là xung th ần kinh, mô à đánh giá à l àng t ế hoạt động. ết chặt chẽ với ứng dụng trong ên ch ư ớn nhất à b àm thay đ h (C) gây ợc điện thế n ế b ổ trợ bởi ỉ gây ra . 391 ÀO ên ào [10] ện thế ]. ổi ần 392 mặt ngo số điện thế m Ek kho ion Na phân b nhi trạng thái khử cực v theo s mV nhưng v tế đạt khoảng +30mV. tái c bằng điện tích hai b là giai đo Hình đư đư pháp mô t ứng của chúng. Từ các luận điểm n biết các mạch điện tử t Đi do ion K ảng Khi t ều h Sau khi hưng ph ực m ờng cong c ợc gọi l có cư Nh ện thế m - +. Kênh Na ố các ion hai b ơn so v ợi trục lan truyền tới các tế b 2 ững hiểu biết về phản ứng điện của các tế b T. Q. Giáp, ài màng mà nguyên do là do s 70 mV đ ế b àng nh ạn tái cực (depolarization). . Đáp ờng độ gấp đôi ng ả gắn với các khái niệm về mạch điện tử v àng trong tr + ào hưng ph ì ở xuất phát điểm điện thế m ư à ngư àng c quy ới ở mặt ngo ờ hoạt động của b ứng của m ờng độ ỡng c ủa một tế b ết định đ ến + đư à xu ấn, m ên màng t N. L. Chi -90 mV [ ấn, điện thế m ợc mở ra, các ion Na ên màng: s - ơ s ương đương v ạng thái y ất hiện điện thế h àng t àng t thời gian. Mức c ở (Rheobase). Thời gian cực tiểu cần thiết cho 1 xung kích thích ược tính theo ph ài màng. Lúc này, màng b ư ến, ào đư [11] ế b ế b ế b ỡng c L. K. Biên ]. ố l ào d ơm Na ào như trư ào đ ợc định nghĩa l ên ngh àng b ượng các ion mang điện tích d ào khác. Tr ạ ần trở về trạng thái ban đầu, nghĩa l ối với các kích thích có c ơ sở để khởi động quá tr ày, chúng ta có th ề mặt vật lý cho các tế b ự ch = ưng ph độ ư (Chronaxy) , “ ênh l ỉ (c ương tr . . ị thay đổi do thay đổi tính thấm của m + àng đ +/K ớc lúc h ờng độ kích thích nhỏ nhất gây ra đ Xây òn g ln ở mặt ngo ã có tr = + trên màng t dựng mạch điện tử ệch giữa các ion hai b ( ( ấn hay điện thế hoạt độn ị số điện thế hoạt động có thể đạt tới 120 . . ào có th à chênh l ọi l ình Nernst và th ) ) ln ( ưng ph . à v à tr ài màng ùa vào trong t ị đổi cực từ trạng thái phân cực sang ị số l ( ới các công thức biểu diễn các ể tiến h ạng thái phân cực à ) ) ế b ấn [ ể kích thích đ ệch điện thế giữa mặt trong v -90 mV nên đi ào, làm tái l [2] ình kh ào có kh ]. Giai đo ường độ thay đổi (B) theo ành các phương pháp nh ương ử cực gọi l xung đi ên màng t ường dao động trong ư ả năng kích thích. Đo lư ở mặt trong m g. Đi à di ập trạng thái cân ạn n ợc v ờng ện một chiều. - pola ế b ện thế n ện thế tr ễn ra quá tr ư à th à các phương ế b ào làm tái ày đư ợc đáp ứng ời trị – Tin h ào. Tr rization) àng v ên th àng ày s ợc gọi ph ọc à ị ới ẽ ực ình ản ận ” Nghiên c Tạp chí Nghi tử nh các nghiên c của Lewis [ và mô hình Maki dễ d mạch n dựn xung đi kinh và đáp giá đáp chi cho m Hodgkin Hodgkin kh ch hai bóng bán d hình hóa b có nhi hình hóa b ngu xác đ và K dạng tín hiệu. Đã có nhi àng thay đ g m ều đ Maeda và Makino ch ử hoạt động ậm đ Trong m ồn DC 0,04V. Khi có tín hiệu kích thích l + ư mô h no mang nhi ày. Xu ạch điện mô phỏng hoạt động điện của m ện một chiều ã MÔ HÌNH MAEDA VÀ MAKINO B ột tế b ơn thu ệm vụ khuếch đại tín hiệu k ịnh th đư ứu khoa học công nghệ ứng h đư -Huxley). FitzHugh -Huxley v ởi 02 transitor (Q1 ì các transitor ợc mở v ên c Hình ều nghi ình ứu kế tiếp phát triển v [8] đi ứng kích thích của tế b ành vi trên đ ợc mô phỏng. ào th ần. Bằng cách th ạch điện tr ởi transitor ng ứu KH&CN đi ], mô hì ện n ổi các tham số của mạch điện v ất phát từ những vấn đề tr 2. MÔ PH Na ẫn, chúng có thể tạo ra một n 3 ện tế b ơron c ều ần kinh FitzHugh ới quá tr + ch à đóng nhanh ho . Mô hình ên c nh đi ưu đi , từ đó giải thích các c ậm v ên ứu, đề xuất mô h ào c ủa Maeda v ểm do mô phỏng đ ỉ ra ph hình 4 ư đư quân s ủa ện n ộng vật thực nghiệm đối với tín hiệu kích thích xung điện một ỎNG CÁC THAM SỐ KÍCH THÍCH TR - ình kh à làm ch ợc Q3 ợc mở hoặc đóng nhanh hay chậm t đi và lý thuy Hodgkin và Huxley [ ơron ương th Nagumo êm m – transitor ngư ự, Số ện tế b à đ ào th - ử cực nhanh, khử cực, kích hoạt v gồm 2 th ênh Na xác đ ặc chậm. Điện áp đầu ra đ ề xuất các mô h c à Makino [ Nagumo (FHN) [ ậm, tái phân cực, ột quá t Đặc san ào th ết ình hóa màng t ủa Harmon [ ên, nghiên c ần kinh với xung điện một chiều. L ức mô h đề xuất thay thế d ịnh ng điện thế hoạt động. ư ơ ch ơron đi ành ph + đư ần kinh của ợc điện thế mạng neuron theo thời gian thực, à có th ế tạo ra điện thế hoạt động của tế b ẰNG PHẦN MỀM NI MULTISIM ình hóa rình tái phân c ợc, Q2 ợc nối với nguồn DC 5V; k ư à xung đi FEE [ àng t ần dao động c ỡng tín hiệu kích thích v , 0 [ [4] 7]]. Trong đó, mô h ể xây dựng đ ứu đ [ ện với đáp ứng “b – 8 - ế b 5] ình ], mô hình ế b m 3]] (đư K+ transitor thu ện 1 chiều có c 20 Hodgkin và Huxley ào tương t ]. Đây c đi ược tiến h ào th ột n òng bằng một quá tr ực h 18 ện n ơron s ợc đ ư ũng l ơron: đi ần kinh ứng với kích thích ơn gi Na ơn, đư ơ b ương ợc biểu diễn tr ện n ược mô h ành v ử dụng 3 bóng bán dẫn + ùng n ản, k ận) mắc kiểu Dalington ự nh à mô hình c mô hình ơron c ÊN ản hóa từ công thức nhanh c à thay th ợc mô h ứng với các k ư m ình c ới mục đích ình kh ổ”. ênh Na ênh K ường độ v ột mạch điện ủa Maeda v ình toán h à cơ s à đư ên đ đi ủa Roy [ ở để ủa mô h ế quá tr ử hoạt tính ình hoá b + + ợc nối với ơ b ện n ào th đư đư à t ênh Na ộ lớn v 393 ản để ơron [ ọc từ xây đánh ợc mô ợc mô ần số 6]] à ần ình ình ởi + à 394 màng t cũ định đáp ứng của mạch. Xung để mở transistor có y yêu c vuông); đ trong kích thích đi rộng xung không đ mặt điện cực. thích b 0,3ms ( của tế b Trong báo cáo này, nhóm nghiên c - M - M - Các ph ng như khu - S Mô ph Với mô h Qua các báo cáo đ Hình ô hình m ế b ột số tham số của mạch nguy ử dụng chuỗi xung với các tham số xác định kích thích v ầu transistor mở tức th ằng chuỗi xung kích thích kéo d hình 5 ào th T. Q. Giáp, ào; ủ độ rộng (độ rộng xung lớn h ỏng các tham số kích thích bằng phần mềm NI Multisim. 4. ần tử transistor đóng vai tr ếch đại tín hiệu điện; ình ), có t ần kinh tr Mô hình ạch điện đ đi Hình ện v ư ện tế b ần số v N. L. Chi ào mô sinh h ợc quá lớn để giảm thiểu 3. K 5. ã ên chu điện tế b ẾT QUẢ MÔ PHỎNG ào th Dạng xung kích thích 1 chiều với tham số xác định đư ơn gi ì khi có xung à cư ợc công bố tr ột nhắt có c ến, ản nh ần ờng độ L. K. Biên ào th bằng xung điện 1 chiều. kinh đư ần kinh của Maeda v ứu áp dụng lý thuyết, mô h ưng có kh ên lý ọc nói chung, tế b có th đư ò khóa ơn th ợc mô tả thể hiện tr ài 0,5s g ư ư , “ ợc thay đổi để ph đi ể t ớc đây ờng độ trong khoảng 10 Xây đóng m ều khiển (t ời gian mở của transistor); đủ công suất. Song bất kỳ phản ứng điện hóa n ùy bi dựng mạch điện tử ả năng giải thích đ VÀ TH ồm các xung kích thích vuông cathode ến. [1 êu c ào th ,12 ở k ầu: s hư ] cho th à Makino đư ênh ion Na ờng gặp l ần kinh nói ri ẢO LUẬN ù h ườn dốc thẳng đứng đảm bảo ên ấy đáp ứng xung kích thích ình ợp với nghi ào m hình 4 Maeda và Makino do: ược hoạt động điện thế + à xung kim ho - 120μA ( xung đi ợc kích thích , K ạch nguy êng c , các tác gi Đo lư + và các ion khác, ào x . ờng ện một chiều. ên c ần giữ cho độ đáp ứu; ên lý và xác ảy ra tr ứng tối – Tin h ặc xung ả đ ên b ã kích ọc ề ưu ” Nghiên c Tạp chí Nghi kho ứng của mạch điện đ 80Hz ho đặt t trên chu ngưỡng kích thích 3.1 bằng xung điện 1 chiều khi giữ nguy Qua k Tuy nhiên, s giá tr biểu diễn mối quan hệ của c 10μA v Qua k áp ra bùng n 7. Đ bùng n Bên c đổi chậm khi thay đổi c ảng 100 ương Chùm xung điện áp khi đáp ứng với xung kích thích có cường độ và tần số vượt . Đáp Kết quả thể hiện tr Kết quả thể hiện tr ối với c ột nhắt. ết quả n ị cư ới 100 ết quả khảo sát cho thấy c ổ không kiểm soát, giải thích nguy c ạnh đó, kết quả thể hiện tr ứu khoa học công nghệ ặc c ứng với báo cáo của Nguyễn L Hình ứng khi cố định tần số tại 80Hz, biến đổi c ờng độ v Hình ên c μA), t ường độ xung kích thích đ ự μA ổ nhất biểu thị bằng số l ường độ lớn h ứu KH&CN 6. ày cho th biến thi 7 ần số trong khoảng 10 (ở tần số Dạng điện áp đáp ứng của mô h ào kho . S hình 8 ược khảo sát trong các điều kiệ ên ên này là không tuy ự thay đổi điện áp theo c ên hình 7 ấy điện áp đáp ứng tăng l ảng 5 hình 8 .B); 110μA v ơn ường độ kích thích v quân s 80 ư Hz và cường độ bi -10μA. ờng độ kích thích t ư 100μA th ên ự, Số ểu thị thay đổi của xung điện áp đáp ứng với kích thích cho th ờng độ xung điện tr hình 7 ên t ới 100 ượng xung ở h Đặc san ược cố định ở mức 70 ê Chi ần số tại 80Hz, thay đổi c ấy đáp ứng điện áp tr ì số xung nhỏ h – ến tính với khoảng “b μA ( ơ đánh th và à đáp 120Hz (đáp ến v 70 ường độ kích thích tại tần số 80Hz hình 8 FEE μ ình khi kích thích v ương hình 8 ứng lớn nhất ở , 0 n c à cs. [ A) ên tương ong kho ình 8C và còn cho th 8 - ố định tần số xung kích thích ở mức được thể hiện trên hình ường độ d ứng 10 .C) và 100 ơn (h ủng các k 20 ứng tối 10] trong m 18 μA. C ứng với c ên cùng m μA so v ảng 100 đi ình 8C) và ấy các đáp ứng điện áp biến òng ùng n ện áp ghi đo đ ênh d kho ưu kho ác đi ột khảo sát t ường độ với b μA v ảng c ượt ng điện ường độ kích thích. ổ” điện áp đáp ứng từ ột đ ới 20 ới 90 μA cho đi ẫn điện trong tế b ảng 100Hz). Đáp ều kiện n ện áp đáp ứng lại ư 6 ưỡng ơn v μA ( μA đáp ờng độ 100 . . ư . ị thời gian hình 8 hình 8 ược tại ày đư ương ớc 10 ứng điện 395 ứng μA. .A); .D). hình μA. ợc ào. 396 3.2. Đáp có xu hư hư Kết quả tr ớng giảm ở tần số lớn h Hình T. Q. Giáp, ứng khi cố định c Hình ớng tăng nhanh v 8. Kích thích b ên 9 hình . Thay đ N. L. Chi 9 ằng xung điện 1chiều ở tần số tại 80Hz, c cho th ơn. ường độ, thay đổi tần số d ổi điện áp theo tần số kích thích, giữ c à đ ến, ấy khi thay đổi giá trị tần số từ 0 ạt giá trị cực đại tại khoảng tần số 100Hz v L. K. Biên, “Xây dựng mạch điện tử òng điện ư – ư ờng độ 80 110Hz, đi xung đi ờng độ thay đổi Đo lường ện một chiều. μA ện áp đáp ứng à th . ể h – Tin h . iện xu ọc ” Nghiên c Tạp chí Nghi biểu diễn mối quan hệ của tần số kích thích t áp so v 0,5s ( (hình 10 0,5s s với 110Hz ( 100Hz bi áp hi 100Hz thì hơn), đi tần số kích thích của xung điện một chiề của xung điện kích thích l kích thích xung đi thực nghiệm tr chi tiếp theo. [1]. [2]. Kết quả thể hiện tr ển thị tr Trong bài báo này, chúng tôi quan tâm đ ều đ Hình ới 10Hz có đáp ứng chậm, không có đáp ứng x hình 10 ố l ện áp trung b ã kh Carlezon Jr WA & Chartoff EH. study the neurobiology of motivation Gulrajani RM neuron with a field ứu khoa học công nghệ .B); t ượng xung ít h ểu thị bằng số l đáp ên c 10. .A); t ại 90Hz đáp ứng xung chậm h hình ên thi ảo sát trong mô phỏng sẽ đ ứu KH&CN Kích thích b ứng điện thế hoạt động chậm ên đ ại 20Hz đáp ứng xung chậm h 10.D). Đi ết bị ghi đo điện thế l ện một chiều với c ộng vật t , ên ơn so v ình hi Roberge FA h ư -effect transistor analog quân s ằng xung điện 1 chiều c ình 10 ện áp ra b ợng xung đáp ứng lớn nhất trong c ển thị tr à t ương ới 100Hz ( ối ưu. Đó là cơ s TÀI LI ự, Số cho th ên thi ứng với giá trị tham số c , Mathieu PA ùng n 4. K ường độ v Đặc san ấy đáp ứng điện áp tr hình 10 à l ết bị đo điện thế l u phù h ược các tác giả sớm công bố trong các nghi ỆU THAM KHẢO “Intracranial self ổ nhất v ớn nhất. Với các tần số nhỏ h ẾT LUẬN ến khảo sát các tham số c ”. Nat. prot., 2 (11), 2987 ương ơn và trong cùng kho hơn (hay đ ở đề xuất xây dựng mô h à t FEE ơn nhi .C) và 100Hz s ợp v ần số tối . “ ”, , 0 ường độ tại 80 ứng 0Hz không có đáp ứng xung điện à đáp à The mode Biol Cybern. 8 - ung trong kho ều v ộ trễ đáp ứng với các tần số đó lớn ở giá trị n 20 ứng nhanh nhất ở khoảng tần số à nh ưu đ ường độ v -stimulation (ICSS) in rodents 18 ên cùng m à số xung ít h ùng đơn v ỏ h ối với tế b lling of a burst μA, thay ố xung “b ơn. ào c 25(4):227 ảng thời gian từ 0 đến ảng thời gian từ 0 đến ủa c à t -2995. 2007. ột đ ường độ d ần số xung điện một đ ơn so v ùng n ị thời gian v ơn ho ường độ v ình và thu ào th - ổi tần số ơn v ần kinh đ 40. 1977. ị thời gian ổ” nhiều so ặc lớn h òng -generating ới 100Hz đi à t ật toán ên c 397 . à đi ện v ần số ư ện ơn à ợc ứu to Đo lường – Tin học T. Q. Giáp, N. L. Chiến, L. K. Biên, “Xây dựng mạch điện tử xung điện một chiều.” 398 [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 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. [12]. 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.