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

96 TH Từ khóa Đáp nh đư kích thích c chi kế ph nh ph xúc, tình tr kích thích tr thành th ph có th reward) [[4] với việc tăng liều) gây ra đáp ứng ICSS tăng t thức ăn, n XÂY D cứu thực nghiệm tr sinh h thích bên ngoài như kích thích đi việc quan sát h quan sát trư sát đáp nghiên c dựng mô h ph thích t ứng h Đư ận thấy động vật đ ợc cách quay lại khu vực đ ều đóng vai tr ững đặc tính nổi trội trong nghi ần th ần ], [ ẦN KINH V Tóm t ỏng. Xây dựng : ợc mô tả từ năm ù h ư thư ể dẫn tới nguy hiểm đến tính mạng, động vật vẫn sẽ chọn BSR [13] ọc l ối Kích thích đi ành vi. ợp để nhận kích thích [ ởng l ạng lo lắng hay “b ục ICSS ởng trong nhiều giờ hay thậm chí cả ng thay vì nh ]. Hơn n ư T. Q. ỰNG ắt: à cơ s ứng h ứu một cách chủ động, li ưu trong nghiên c ủng cố. Từ à th ực tiếp tác động v ớc uống, t Giáp, , N. T. Ti Kích thích đi ờng diễn. Khảo sát các tham số kích thích điện tế b ình thu Tạ Quốc Giáp ở để đánh giá đáp ứng của động vật thông qua c ành vi trên đ ành vi nh ện ò nh ức ăn, t (Intracranial self ận đ ữa, ở một giới hạn nhất định, việc tăng c MÔ HÌNH THU À ĐÁP Hoàng ên đ ật toán kích thích đối với đáp ứng h thành công mô hình và thu ; T ược cấy điện cực kích thích điện v ư nh ình d ế bào th 1954 khi hai nhà bác h hiện t ình d ược thức ăn hoặc đ ục hay d ện tế b ộng vật. Quan sát h ất định của động vật sẽ giúp chúng ta khảo sát đối t ư ững phần th ão hòa” ph ỨNG H Th ộng vật không thể mang tính tức thời m ứu động vật. ần kinh ã ợng tr [12] ục hay d ào h ến, “Xây dựng mô h 1*, ị Thu Hiền được nhận kích thích tr ên c – ư Lê K ào th ện, d ên t ; ên, các tác gi ], [ ứu về trí nhớ, động lực m ệ thống phần th stimulation ợc chất sẽ gây giảm đáp ứng. ÀNH VI NHÚNG M ần kinh đóng vai tr Tín 1. M ưởng qua đó có thể huấn luyện động vật bằng thiết [13] ược chất ần th ẬT TOÁN ỳ Bi ược chất trong nghi ục. Trong phần b hiệu sinh học Ở ĐẦU ]. Hơn n ư ên 3, Nguy ành vi k ưởng ợc s ương 1, ật toán l ọc Canada l ả đ [[3] ) có th ày cho t ưởi ấm trong môi tr ình thu Nguy ; ã nh ữa, kích thích điện tế b ], [ [[7] ư ứng; ng KÍCH THÍCH T ễn Thế Tiến ết hợp với việc thu thập tín hiệu à cơ s Mô ào vùng vách s ư [6] ], [ ởng của n ể li ật toán nhúng mũi tr ễn L ài báo này, các tác gi ành vi nhúng m hình kích thích ớc đó để tiếp tục nhận th ận thấy kích thích d ], [ [8] ên t ới lúc kiệt sức. Thậm chí, cho d Hình 1. Dopamin c mesocortical trong não chu đư K ê Chi ò quan tr ở đánh tham số điện kích à James Old và Peter Milner [9] ], [ ục thực hiện b ường độ kích thích ược lại đối với phần th ợc ỹ thuật điều khiển & Điện tử ên c à nghiên c ], d [10] ão b gắn điện cực kích thích ŨI TR ến 3 ào th ễ bị ảnh h ], [ Đư ủa hệ mesolimbic v 2, ọng trong nghi ác tác nhân kích ứu y ần kinh v ; ẽ nhanh chóng học [11] ộ, động vật đ ường có nhiệt độ âm ờng dẫn truyền ÊN CHU à đ Thu ứu khác sử dụ ], [ (Brain stimulution Ế B – dư òi h ũi đ ật toán kích thích òng ào th ư [14] ài t ợc học, ỏi phải à ư ần kinh có ởng bởi cảm ập để nhận (tương ên chu ÀO quan ượng ả xây ợc mô êm các điện một ]. Là lo ư ư ỘT ên ợc tập ứng ởng l à ột . ột.” ; ng ại ù à Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 60, 4 - 2019 97 Các nghiên cứu cho thấy BSR phổ biến ở các loài động vật từ cá cho tới con người; trên nhiều vùng não bộ như bó giữa não trước (medial forebrain bundle, MFB), hay các vùng não thuộc hệ dopamin mesolimbic. Thêm vào đó, một số nghiên cứu cho thấy một số vùng não khác cũng tham gia vào hệ thống phần thưởng như nhân vách giữa và vỏ não vùng trán trước. [[4]], [[5]], [[12]], [[13]]. ICSS là mô hình nghiên cứu lượng giá hành vi mà qua đó động vật thực nghiệm học được cách tự thao tác để phát luồng xung kích thích vào vùng não nhất định của chính nó mà vùng não này được cho là thuộc về đường dẫn truyền liên quan tới xử lý phần thưởng của não bộ, tham gia vào điều hòa cả các phần thưởng tự nhiên lẫn ICSS [[12]]. 2. MÔ HÌNH THUẬT TOÁN KÍCH THÍCH TẾ BÀO THẦN KINH 2.1. Xây dựng mô hình Trên mô hình, thông tin đầu vào – hành vi nhúng mũi của chuột được tiếp nhận thông qua cảm biến quang, tín hiệu được đưa vào mạch xử lý để đếm số lần nhúng mũi. Tín hiệu được xử lý được kiểm soát bởi chương trình ở bộ xử lý trung tâm. Với mỗi lần nhúng mũi thỏa mãn điều kiện bài toán, bộ xử lý sẽ đưa tín hiệu điều khiển bộ tạo xung kích thích thông qua cổng giao tiếp ngoại vi IO NI6501 (hình 2). DAC Bộ tạo kích thích IO 6501 Mạch xử lý C ảm b iế n Máy hiện sóng Xử lý trung tâm Chuột Đ iện cự c K T Màn hình Hình 2. Mô hình hệ thống kích thích điện và đáp ứng hành vi nhúng mũi. Xung điện kích thích vào đầu chuột thông qua điện cực kích thích được cấy ghép dưới não chuột. Ở bài tập này, mỗi lần chuột nhúng mũi sẽ nhận được một phần thưởng là xung kích thích có tác dụng tạo cảm giác hứng thú cho chuột thực hiện hành vi. Xung điều khiển Xung kích thích t (ms) t (ms) Ikt(μA) Uđk(V) Hình 3. Dạng tín hiệu điều khiển và xung kích thích được đồng bộ tự động của hệ thống. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử T. Q. Giáp, , N. T. Tiến, “Xây dựng mô hình thuật toán nhúng mũi trên chuột.” 98 2.2. Thuật toán kích thích tế bào thần kinh và đáp ứng hành vi nhúng mũi Từ yêu cầu bài tập thực nghiệm trên chuột nhắt, các tác giả xây dựng thuật toán kích thích điện tế bào thần kinh ở hình 4 dưới đây: t++; delta++; chammui = 0; pt++; ptDelta++ lưu ptDelta; ptDelta = 0; tDelta = 0 tDelta = delta yes yes no t == interval*(countInterval + 1) no no chammui =1 yes yes no Pt == maxPt || t== maxT countInterval++; Tạm dùng chương trình điều chỉnh tham số Tiếp tục chương trình Đọc dữ liệu xt; yt Pt = 0; maxPt; chammui = 0; t = 0; maxT; ptDelta = 0; tDelta = 0; delta; countInterval = 0; interval Hình 4. Lưu đồ thuật toán kích thích điện nội sọ và đáp ứng nhúng mũi. Trong đó:  Pt: số phần thưởng;  maxPt: số phần thưởng lớn nhất (Điều kiện dừng chương trình);  chammui: nếu 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 trong khoảng thời gian delta;  tDelta: biến đến trong khoảng thời gian delta;  delta: khoảng thời gian - để đếm số phần thưởng trong một khoảng thời gian;  countInterval: số lần dừng lại để điều chỉnh tham số;  interval: khoảng thời gian để dừng lại điều chỉnh tham số. Nghiên c Tạp chí Nghi (frequency). Bin (hay đư thị số phần th đư coi là m chuy như v chu trong m Cư chu Ctr07 Ctr12 Ctr14 Ctr16 Ctr21 Ctr22 Ctr25 Sử dụng Bài t ợc nhập tr ợc điều chỉnh t M ển th ột nhận th K ờng độ ột Hình 5. ỗi khi chuột thực hiện h ột lần nhúng mũi. Khi chuột thực hiện nhúng mũi, cảm biến đang ở mức logic cao ậy l ột ết quả thực nghiệm trong tr ứu khoa học công nghệ ập với tham số kích thích đ ành m à m session (µA ên c ngôn ng ên giao ư ột lần chuột đ ư ) ứu KH&CN Giao di ởng trong một đ ức logic thấp, tín hiệu đ ởng v 20 14 27 14 12 ữ C v ùy theo yêu c và trong t 4 3 6 ện ch delta diện. Ngo à hi Bảng 1 30 78 11 10 23 à C++ đi ển thị biểu đồ dạng cột đ 5 4 1 quân s 3 ương tr ) là kho ư ừng phút (h . B 40 118 84 11 52 . K ài các thông tin v ơn v ầu của b ành vi nhúng m ợc nhận th ảng kết quả đáp ứng nhúng mũi t 1 9 7 ự, Số ẾT QUẢ V ều khiển đồng bộ hệ thống v ình ảng thời gian để đếm số phần th 50 49 159 94 87 48 4 72 ị thời gian, trong một phi ường hợp 60, 4 ghi ược lựa chọn l ài t ư ư ình 60 95 146 144 135 66 7 100 đáp ập. ợc gửi tới hệ thống xử lý trung tâm. T ởng. Ch 5). - 20 À TH ứng kích thích ũi v kh 70 95 170 120 107 66 21 70 19 ề thời gian, đối t à nâng lên ương tr ư ảo sát c ẢO LUẬN ợc cập nhật li 80 ngay1 127 151 107 93 107 167 119 à cư ờng độ (intensity) hay tần số ình c ường độ kích thích: 90 120 174 158 181 135 70 161 à thu th với h ên t ở khu vực nhận th ư ủa hệ thống sẽ đếm số lần ên t ùy bi 100 159 141 125 200 115 165 61 ành vi nhúng m ư ợng, giao diện c ập. Các giá trị, tham số ục số lần nhận th ến c trên chu ập dữ liệu ởng. T 110 160 155 113 202 127 197 58 ường độ thực hiện ên chu ột nhắt ng 120 136 135 77 204 162 177 19 ưởng ương ũi. ột cũng òn hi z 130 151 147 113 154 174 194 24 đư ứng ưởng ày 99 ển ợc 1. 140 150 160 34 194 39 225 75 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử T. Q. Giáp, , N. T. Tiến, “Xây dựng mô hình thuật toán nhúng mũi trên chuột.” 100 Bảng 2. Bảng kết quả đáp ứng nhúng mũi tùy biến cường độ thực hiện trên chuột nhắt 2. Cường độ (µA) 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 chuột Ngay2 Ctr07 20 7 11 5 22 95 129 89 143 128 118 128 173 Ctr12 16 36 87 131 154 152 166 164 160 133 140 127 148 Ctr14 9 42 114 138 111 121 116 111 146 121 123 127 166 Ctr16 5 11 2 105 143 162 201 177 196 204 173 178 164 Ctr21 16 17 76 65 120 165 158 189 160 186 147 135 166 Ctr22 4 2 2 87 110 118 195 185 215 186 176 190 164 Ctr25 15 8 83 41 148 109 134 87 124 60 68 34 74 Kết quả thực nghiệm đánh giá đáp ứng với cường độ kích thích được mô tả trên bảng 1 và 2; giá trị trung bình được miêu tả trên hình 6: Hình 6. Đáp ứng hành vi nhúng mũi tùy biến cường độ thực nghiệm trên chuột. Kết quả thực nghiệm trong trường hợp khảo sát tần số kích thích: Bảng 3. Bảng kết quả đáp ứng nhúng mũi tùy biến tần số thực hiện trên chuột nhắt ngày 1. Tần số (Hz) 16 20 25 32 40 50 63 80 100 126 158 Tên chuột NGAY1 Ctr027 12 31 18 29 58 48 123 144 103 110 146 Ctr029 15 5 5 25 10 29 233 265 84 191 253 Ctr030 19 12 24 27 82 92 158 211 191 169 192 Ctr032 19 6 5 12 16 74 168 161 145 155 143 Ctr033 4 7 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 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 20 40 60 80 100 120 140 160 B SR /p h ú t Cường độ (µA) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 60, 4 - 2019 101 Bảng 4. Bảng kết quả đáp ứng nhúng mũi tùy biến tần số thực hiện trên chuột nhắt ngày 2. Tần số (Hz) 16 20 25 32 40 50 63 80 100 126 158 Tên chuột NGAY2 Ctr027 16 17 10 34 52 53 99 132 110 133 95 Ctr029 5 3 10 3 32 59 219 228 259 258 271 Ctr030 3 9 24 20 62 77 159 152 189 154 130 Ctr032 13 15 30 11 41 115 202 190 183 176 179 Ctr033 7 8 6 13 73 115 108 146 138 135 81 Ctr034 24 6 8 13 29 167 178 187 188 202 157 Ctr006 22 31 106 111 215 262 245 212 226 235 185 Kết quả thực nghiệm đánh giá đáp ứng với tần số kích thích được mô tả trên bảng 3 và 4; giá trị trung bình được miêu tả trên hình 7: Hình 7. Đáp ứng hành vi nhúng mũi tùy biến tần số thực nghiệm trên chuột. Dữ liệu được lưu và phân tích với mục đính nhằm đánh giá đáp ứng hành vi nhúng mũi trên chuột nhắt đối với giá trị của tham số cường độ và tần số kích thích. Hành vi nhúng mũi của chuột nhiều nhất hay số phần thưởng lớn nhất trong một bài tập thì khoảng giá trị tham số kích thích đấy được coi là tối ưu. Xung điện kích thích một chiều với các tham số cường độ khoảng 90 - 110μA và tần số khoảng 100 – 130Hz phù hợp đối với nghiên cứu trên chuột nhắt đã được nghiên cứu và công bố [[1]], [[2]]. 4. KẾT LUẬN Do BSR ảnh hưởng trực tiếp tới hệ thống phần thưởng của não bộ nên có rất nhiều tác động có thể gây biến đổi hành vi ICSS trên động vật. Hầu hết các thí nghiệm liên quan tới ICSS đều nghiên cứu về tính hiệu quả của các tác động, bao gồm tác động cấp tính hoặc trường diễn của các dược chất; cai thuốc (đối với dược chất gây nghiện); tác động của việc gây tổn thương các vùng đặc hiệu của não tới ICSS; hay các tác động lên gene, 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 B SR /S e ss io n Tần số (HZ) Kỹ thuật điều khiển & Điện tử T. Q. Giáp, , N. T. Tiến, “Xây dựng mô hình thuật toán nhúng mũi trên chuột.” 102 receptorTrong bài báo này, chúng tôi quan tâm đến xây dựng mô hình thuật toán ứng dụng điều khiển kích thích tế bào thần kinh thông qua hành vi nhúng mũi trên chuột. Mô hình thuật toán trong hệ thống kích thích điện tế bào có thông qua hệ thống ghi đáp ứng nhúng mũi có khả năng phát hiện đối tượng có kích thước 0,5mm tại tần số 100Hz với thời gian đáp ứng 0,5ms; hệ thống đảm bảo tính ổn định và không xảy ra hiện tượng lỗi trong quá trình ghi đo. Đó là cơ sở khảo sát thực nghiệm tham số kích thích điện phù hợp đối với tế bào thần kinh gồm: cường độ và tần số. Trên cơ sở bộ tham số phù hợp nhất thu được sẽ được sử dụng trong đánh giá đặc điểm của tế bào vị trí hồi Hải mã, cũng như trong các nghiên cứu đối với tế bào thần kinh sẽ được các tác giả sớm công bố trong các nghiên cứu tiếp theo. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Tạ Quốc Giáp, Nguyễn Lê Chiến, Lê kỳ Biên (2018), “Xây dựng mạch điện tử mô phỏng đáp ứng của tế bào thần kinh với xung điện một 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) Mô hình Gompertz’s và 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 self- stimulation 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., 2 (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. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 60, 4 - 2019 103 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 bài ngày 16 tháng 01 năm 2019 Hoàn thiện ngày 22 tháng 02 năm 2019 Chấp nhận đăng ngày 16 tháng 4 năm 2019 Địa chỉ: 1 Viện Điện Tử - Viện Khoa học và Công nghệ quân sự; 2 Học viện Quân y; 3Học viện Kỹ thuật quân sự. * Email: tqgiaphvqy@gmail.com.