BIOFIZIKALNE OSNOVE MAGNETSKE I ELEKTRI ČNE

STIMULACIJE ŽIV ČANOG TKIVA

KATEDRA ZA MEDICINSKU FIZIKU I BIOFIZIKUDr.sc. Damir Kovačić

Damir.Kovacic@mefst.hr

Biofizika senzoričkih i motoričkih sustava

Električna i magnetska stimulacija živčanog tkiva

Prevoñenje energije okoliša u neurobiološke signale

• Senzorički receptori selektivno uzorkuju male porcije energije iz okoliša, koje koriste za kontrolirano stvaranje živčanih signala

• Obrazac tih signala, zajedno sa specifičnim putem kojim informacija dolazi do CNS-a čini internu biološku reprezentaciju specifične komponente vanjskog svijeta

• Senzacijaje dio složenijeg procesa percepcije, koja uključuje integraciju s iskustvom i usporedbu s drugim senzacijama, da bi se procijenili kvalitet, intenzitet i važnost senzacije

Vrste pobude

• elektromagnetska: toplina, svjetlo

• mehanička: tlak, zvučni valovi, druge vibracije

• kemijska

Svim je pobudama zajednička oznaka intenzitet:

mjera energije (ili koncentracije kod kemijske

pobude) koja interagira sa senzoričkim receptorom.

Vrste receptora

• Pobuda izaziva senzorički modalitet, primjer su 5 tradicionalnih osjeta: okus, miris, dodir, vid i sluh. Složeniji osjeti (npr. vlažnost) su kombinacija osnovnih (tlak i temperatura).

• Fotoreceptori detektiraju svjetlo, u funkciji su osjeta vida, kemoreceptorisudjeluju u osjetima ukusa i mirisa, te kontroli arterijske krvi, mehanoreceptori ćute fizikalnu deformaciju, sudjeluju u osjetu dodira i sluha, te prate stres u mišiću i tetivi, termički receptori detektiraju toplinsku izmjenu, proprioceptori daju informacije o položaju zglobova i aktivnosti mišića, nociceptori detektiraju štetne tvari, itd.

Kortikalne mape

• Pobuda izaziva receptorski (mikrofonski, generatorski) potencijal u receptorskoj stanici (dijelu membrane): depolarizacija ili hiperpolarizacija

• Ta pretvorba specifične energije u električnu naziva se transdukcija signala. Mehanizam je promjena permeabilnosti membrane

• Ako je receptorski potencijal dovoljno velik neuron okida akcijski potencijal. To se naziva konverzija signala.

• Neovisno o vrsti pobude informacija se počinje prenositi kao niz akcijskih potencijala u primarnom aferentnom neuronu

• Dakle, vrsta pobude se ne poznaje po tipu odgovora (koji je uvijek isti) već po specifičnom mjestu u SŽS koje je na kraju pobuñeno.

• Percepcija intenziteta pobude: (i) prvenstveno učestalost (frekvencija) akcijskih potencijala, ali i (ii) broj pobuñenih neurona

• Veza izmeñu intenziteta pobude i percepcije pobude je sub-linearna. Razlozi: (i) ograničenost veličine receptorskog potencijala, (ii) ograničenost učestalosti okidanja živčanih signala u aksonu. To se naziva kompresija signala

• Smisao: mogućnost percepcije pobuda ogromnih raspona intenziteta (1 : 1012 –slušni sustav, 1: 1011

–vidni sustav).

Kompresija signala

Adaptacija

• Većina senzornih receptora na konstantni podražaj ne odgovara konstantnim, već u vremenu opadajućim generatorskim potencijalom. Posljedično se smanjuje i frekvencija akcijskih potencijala

• Adaptacija može biti brza ili spora

Smisao adaptacije

• izbjegavanje preopterećenja

• ignoriranje manje važnih, stalnih pobuda

• mogućnost percepcije brzine promjene (a ne samo veličine) pobude

Biofizika motoričkih sustava

• Osim senzoričkog dijela, imamo i motorne sustave koji kontroliraju naše pokrete, akcije i izvršenja (execution)

• Osnovna podjela:– Donji motorički sustav (direktno nadziru mišiće

i efektore) – Gornji motorički sustav (omogućuje složene

sekvence pokreta i akcija preko kontrole nižih motoričkih sustava)

4 podsustava za motornu kontrolu:- moždano deblo / leñna moždina

- mali mozak / cerebellum

- bazalni ganglij

- silazni modulirajući putevi iz gornjeg motoričkog dijela

Osnovni elementi motoričkih sustava• Motoneuroni i motoričke jedinice

Motorički homunculus

Govor – primjer vrlo složene senzoričko-motoričke aktivnosti

Čitanje pisanog teksta

A

A

A

A

A

A

Električna stimulacija živčanog tkiva

Električna stimulacija živčanog tkiva

• Istraživanje neurofiziologije živčanog sustava

• Terapeutska primjena u svrhu povrata funkcija izgubljenih zbog oštećenja živčanog sustava

J. Ruohonen, PhD thesis, 1998

E-field

Local depolarisation at bends

Cell membrane

Histed et al Neuron 2009

Kohlearni implantati

(umjetne pužnice)

• Neuroprostetski ureñajikoji omogućuju djelomičnu čujnost

•~200,000 osoba širom svijeta je primilo UMP

•Dob implantacije: od 6 mjeseci života

Umjetne pužnice

(UMP)

Sensorineural hearing loss most commonly results from loss or damage to outer hair cells

Vremenska preciznost električne stimulacije

Zeng (2002)

Vremenska (temporalna) visina tona u osoba s UMP

Cohen (1996)

Prostorna (spektralna) visina tona u osoba s UMP

Velike razlike u korištenju UMP- Koliko “pužničari” razumiju rečenice ? -

Blamey et al (2001)

Medicinska bionikaPovezivanje elektroničkih i

računalnih komponenti

Inovativnost:* elektroda na CMOS supstratu* Jedinstvena pobuda svakog pojedinačnog neurona* dvosmjerna komunikacija elektroda - neuron

Nova tehnologija umjetne pužnice temeljene na auditornom neuroelektronskom sučelju

Problemi/izazovi: * Spajanje neurona sa čipom* Stabilnost i vitalnost neuronskih mreža

*Primjer sadašnjeg sučelja s 12 elektroda

*Novo sučelje s 16 384 elektroda na mjestu jedne!

* Na svaku elektrodu se može usaditi jedan neuron

Pilot rezultat: uspješan in-vitro uzgoj primarnog auditornog neurona na čipu

Dokaz neurofiziološki aktivnih neurona

Transkranijalnamagnetska stimulacija

(TMS)

Elektromagnetska polja

• Svojstvo prostora koje okružuje nabijene čestice može biti opisano pomoću elektromagnetskih polja

• Razlikujemo dvije komponente:– Električno polje [V/m = volti po metru]

– Magnetsko polje [T = tesla]

+ -

Električno polje

Struja

Magnetsko polje

Mala opaska…

• TMS = Transkranijalnamagnetskastimulacija ALI: Magnetsko polje ne može podražiti živčano tkivo

• Preciznije: ”Transkranijalna električna stimulacija inducirana magnetskim poljem”

– TMS stvara električno polje koje podražuje neurone

– Upravo isti podražajući mehanizmi kao i kod izravne električne stimulacije putem elektroda

• Magnetsko polje≠ Električno polje

Princip: Elektromagnetska indukcija

Aktivacija neurona

Električno polje

• 100 V/m

• Precizno fokusiranje TMS

Korteks

Lubanja

Magnetsko polje• 30,000 tesla/s• maksimum 1-2 tesla

Struja zavojnice

Principi TMS-a

J. Ruohonen, PhD thesis, 1998

MEP –Evocirani motorni potencijali

20 ms