بخشی از مقاله
چکیده - نورون هرمی لایه 5 نئوکورتیکال یکی از لایههای قشر مغز را تشکیل میدهد. آکسون این نورون انتقال سیگنالها را در نواحی دورتری از قبیل عقدههای قاعدهای، تنهی مغزی و نخاع کنترل میکند. ویژگیهای الکتروفیزیولوژیکی در این نوع از نورونها تضمین کنندهی عملکرد طبیعی آن میباشد. نتایج تحقیقات گوناگون نشان می دهد ویژگیهای تحریکپذیری این نورونها در اثر بیماریها تغییر میکند.
بنابراین شبیهسازی این ویژگیها میتواند برای تشخیص و درمان بیماریهای مربوطه مفید باشد. خاصیت تحریکپذیری در نورونها با ویژگیهای استراحت - - v R ، حد آستانهی تحریک - - vT ، مقدار بیشینه - - v P و ولتاژ نقطهی عطف نمودار شیب -ولتاژ - - vI مشخص میشود. در این تحقیق روشی برای طراحی و پیادهسازی ویژگیهای تحریکپذیری در نورون هرمی لایه 5 نئوکورتیکال با دو متغیر حالت پیشنهاد شدهاست.
روش پیشنهادی با در دست داشتن ویژگیهای vR ، vT ، vI و vP دلخواه، مدلی برای شبیهسازی ویژگی تحریکپذیری این نورون ارایه میدهد. نتایج نشان میدهد که مدل پیشنهادی به خوبی قادر به شبیهسازی مورفولوژی پاسخ و نمودار شیب-ولتاژ و همچنین طرح کلی صفحهی فاز دینامیک نورون هرمی بعنوان یک سیستم تحریکپذیر میباشد.
-1 مقدمه
نورون هرمی لایه 5 نئوکورتیکال1 یکی از لایه های قشر مغز را تشکیل می دهد. آکسون این نورونها انتقال سیگنالها را در نواحی دورتری از قبیل عقده های قاعده ای، تنه ی مغزی و نخاع کنترل می کنند1]و[2 و ویژگیهای الکتروفیزیولوژیکی در این نورونها تضمین کنندهی عملکرد طبیعی آن میباشد.[3] رابطه ی بین بیماری ها و عملکرد غیرطبیعی نورونها پیش از این در تحقیقات مختلف نشان داده شدهاست.[4]
بطور مثال یکی از علل شناخته شده ی عقب ماندگی ذهنی در انسان، اختلال طیف الکل در جنینی2 است که در اثر آن عملکرد طبیعی نورون های هرمی قشری دچار اختلال می گردند. Granato و همکاران در سال 2012 ویژگی های الکتروفیزیولوژیک نورون های هرمی را در موش های بالغ جوان که در طول هفتهی اول زندگی مورد استنشاق اتانول قرار گرفتند بررسی کردند. نتایج این تحقیق نشان می دهد ویژگی های تحریک پذیری دندریت در حضور اتانول تغییر میکند.[5]
با توجه به مطالب فوق، بررسی تحریکپذیری بعنوان یکی از ویژگیهای مهم نورون حایز اهمیت است. یک سیستم تحریک پذیر بطور معمول در حالت استراحت - - v R است اما می تواند در اثر تحریک از حالت استراحت منحرف شود، در صورتیکه این انحراف کمتر از حد آستانه - - vT ، باشد با طی مسیر کوتاهی به حالت استراحت باز میگردد. اما اگر انحراف بیشتر از حد آستانه باشد به حالت بیشینه - - v P می رود و با طی مسیر طولانیتری به حالت استراحت باز میگردد
شکل :1 پاسخ سیستم تحریکپذیر به الف - تحریک کوچکتر از آستانه ب - تحریک بزرگتر از آستانه در گذشته مدل هایی که دارای خاصیت تحریکپذیری باشد ارایه شدهاست. اولین مدل از سلول تحریکپذیر توسط هاچکین و هاکسلی در سال 1952 ابداع گردید که بر اساس مشاهدات آزمایشگاهی و یافتههای الکتروفیزیولوژیکی بدست آمدهاست.[6]
فیتزهوگ و ناگومو در سال 1961 یک مدل ریاضی برای که در آن I fi ، جریانی داخلشونده و سریع و تحریکپذیری ارایه کردند. این مدل که به FHN معروف است مدلی ریاضی و نه فیزیکی برای سیستمهای تحریکپذیر است و پارامترهای آن مفهوم فیزیکی و یا الکتروفیزیولوژیکی صریحی ندارند.[7] دسته ی دیگری از مدل های نورونی به نام مدل های کمینه3 مطرح شدهاند.
اینگونه مدل ها، ساده و در عین حال حاوی اطلاعات کافی از رفتار الکتروفیزیولوژیکی سلول میباشند. بسیاری از مدل های کمینه میتوانند به معادلات مرتبه دوم کاهش یابند که قابل آنالیز توسط روش های هندسی صفحه فاز هستند که یکی از مزیتهای این دسته از مدلها است.[8] مطابق شکل 2 برخی از مهمترین ویژگیهای الکتروفیزیولوژیکی پتانسیل عمل نورون عبارتند از: - 1 - ولتاژ استراحت - - v R ، - 2 - ولتاژ آستانه - - vT ، - 3 - ولتاژ بیشینه - - v P ، - 4 - شیب در محدوده ی ولتاژ استراحت تا آستانه - - S R T و - 5 - شیب در محدودهی ولتاژ آستانه تا بیشینه - . - ST P
ویژگی های فوق در تحقیقات گوناگون به شیوههای مختلفی بیان شده است. بطور مثال در سال 1966، Jenerick به بررسی تغییرات شیب با ولتاژ در پتانسیل عمل عضلات مخطط پرداخت.[9] همچنین در سال 2011، Trombin و همکارانش در نتایج تحقیقات خود بر روی قشر انتورینال4 مغز خوکچه هندی نشان دادند که ویژگی های الکتروفیزیولوژیکی نمودار شیب -ولتاژ میتواند در هنگام تشنج کانونی تغییرکند.[4] یکی از این ویژگیها ولتاژ نقطهی عطف نمودار شیب -ولتاژ؛ vI میباشد که در شکل 9 نشان داده شدهاست.
-2 روش
شکل 3 -الف طرح کلی پاسخ نورون بعنوان سیستمی تحریک پذیر را به تحریکی مناسب نشان میدهد. همانطور که در شکل آمده در این تحقیق مسیر حرکت پاسخ از vP به vR بطور کیفی با طرحی نزولی که مورفولوژی دقیق آن مهم نیست در نظر گرفته میشود. شکل :3 الف - طرح کلی پاسخ یک سیستم تحریک پذیر در این تحقیق ب - مدار معادل نورون هرمی لایه 5 نئوکورتیکال در اینجا بدون از دست دادن کلیت، مشاهده ی حاصل از نورون هرمی لایه 5 نئوکورتیکال، ولتاژ یک خازن فرض و با حرف v نشان داده شده است.
