نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار،گروه مهندسی پزشکی،دانشکده مهندسی برق،دانشگاه علم و صنعت ایران،تهران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی پزشکی،دانشکده مهندسی برق،دانشگاه علم و صنعت ایران،تهران

3 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی پزشکی،دانشکده مهندسی برق،دانشگاه علم و صنعت ایران،تهران

10.22041/ijbme.2017.47702.1148

چکیده

نوسانات  غیر طبیعی پتانسیل عمل  (AP)، موجب بروز بیماری­های قلبی در سلول عضله بطنی می­شود. نوعی از این نوسانات که به‌ا صطلاح پس دی­پولاریزاسیون زود هنگام ()  نامیده می­شود، موضوع تحقیقات گسترده­ای در زمینه تشخیص و درمان بیماری­های قلبی است. امروزه اگر چه مدل­های سلول بطنی بسیاری ارایه شده است؛ اما ویژگی­های دینامیکی  همچنان از مسایل ناشناخته­ای است که نیاز به تحقیقات بیشتری دارد. در این تحقیق با استفاده از تجزیه و تحلیل صفحه فاز یک مدل کمینه سلول بطنی، نشان خواهیم داد که وقوع می­تواند ناشی از وقوع دوشاخگی­های هاف همبستر باشد. همچنین نشان خواهیم داد که در طی یک دوره قلبی (سیکل قلبی)، در گذر از یک حالت بدون  به یک حالت با، شواهدی از وقوع  پدیده آشوب وجود دارد. این یافته، بیانی نو برای رفتاری غیرطبیعی در عضله قلبی است  و دینامیک  را مطابق با یافته­های تجربی توضیح می­دهد. اگرچه این تحقیق  روی سلول عضله بطنی انجام شده است؛ اما نتایج به‌دست آمده می­تواند بر دیگر سیستم­های تحریک­پذیر نیز تعمیم داده شود و وقوع نوسانات در اثر تغییر پارامترهای سیستم را پیش­بینی کند.
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Bifurcation Analysis of Early Afterdepolarizations in a Ventricular Cell Model

نویسندگان [English]

  • Seyed Hojat Sabzpoushan 1
  • Niloofar Shahidi 2
  • Azadeh Ghajarjazy 3

1 Assistant Professor, Biomedical Engineering Department, School of Electrical Engineering, Iran University of Science & Technology, Tehran, Iran

2 MSc Student, Biomedical Engineering Department, School of Electrical Engineering, Iran University of Science & Technology, Tehran, Iran

3 PhD Candidate, Biomedical Engineering Department, School of Electrical Engineering, Iran University of Science & Technology, Tehran, Iran

چکیده [English]

Abnormal oscillations of ventricular cell action potential can lead to cardiac arrhythmias. Early afterdepolarizations (EADs) is one kind of these oscillations that have been widely studied in the field of cardiac arrhythmias diagnosis and therapies. Nowadays although ventricular cell models have been developed, yet dynamical mechanisms of EADs remain unknown that need more researches. In this paper, using phase plane analysis of a minimal model of ventricular cell, we show that EADs are occurred as a result of Hopf and homoclinic bifurcations in ventricular cell. We also show that during period pacing, chaos happens at the transition from no EAD to EADs. This result provides a distinct explanation for the EAD behavior of the cardiac cells and also explains EADs dynamics in accordance with experiment results. While this research was performed for ventricular cells, but the achieved results can be extend to other excitable systems and used in the prediction of oscillation due to the changes of system parameters.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Ventricular cell model
  • Early after depolarization
  • Bifurcation
  • chaos

[1]     S. Goktepe and E. Kuhl, "Computational modeling for cardiac electrophysiology: a novel finite element approach,"Int. J. Numer. Meth. Engng, vol. 79, pp. 156-178, 2009.

[2]     G. X. Liu, B. R. Choi, O. Ziv, W. Li, E. d. Lange, Z. Qu and G. Koren, "Differential conditions for early afterdepolarizations and triggered activity in cardiomyocytes derived from transgenic LQT1 and LQT2 rabbits,"J. Physiol.,vol. 590, pp. 1171-1180, March 2012.

[3]     M. G. Chang, C. Y. Chang, E. de lange, L. Xu, B. O'Rourke, H. S. Karagueuzian, L. Tung, E. Marban, A. Garfinkel, J. N. Weiss, Z. Qu and M. R. Abraham,"Dynamics of early afterdepolarization-modified triggered activity in cardiac monolayers,"Biophys. J., vol. 102, pp. 2706-2714, June 2012.

[4] D. Sato, L. H. Xie,T. P. Nguyen, J. N. Weiss and Z. Qu, " Irregularly appearing early afterdepolarizations in cardiac myocytes: Random fluctuations or dynamical chaos?," Biophys. J., vol. 99, pp. 765-773, August 2010.

 [5]    D. Sato, L. H. Xie, A. A. Sovari, D. X. Tran, N. Morita, F. Xie, H. Karagueuzian, A. Garfinkel, J. N. Weiss and Z. Qu, "Synchronization of chaotic early afterdepolarizations in the genesis of cardiac arrhythmias,"PNAS,vol. 106, no. 9, 2983-2988, March 2009.

[6] J. N. Welss, A. Garflnkel, H. S. Karagueuzlan, P. Sh. Chen and Z. Qu,"Early afterdepolarizations and cardiac arrhythmias,"Heart Rhythm, vol. 7, pp. 1891-1899, December 2010.

[7] A. G. EdwardsE. Grandi, J. E. Hake, S. Patel, P. Li, Sh. Miyamoto, J. H. Omens, J. H. Brown, D. M. Bers and A. D. McCulloch, "Non-equilibrium reactivation of  current drives early afterdepolarizations in mouse ventricle," CircArrhythmElectrophysiol., vol. 7, 1205-1213, December 2014.

[8] H. S. Karagueuzian, T. P. Nguyen, Z. Q and J. N. Weiss,"Oxidative stress, fibrosis, and early afterdepolarization-mediated cardiac arrhythmias,"Front. Physiol., vol. 4,pp. 4-19, February 2013.

[9]     S. Zimik,, N. Vandersickel, A. R. Nayak, A. V. Panfilov and R. Pandit, "A comparative study of early afterdepolarization-mediated fibrillation in two mathematical models for human ventricular cells,"PLoS ONE,vol. 10, 0130632, June 2015.

[10] http://cor.physiol.ox.ac.uk

[11] Z. Qu, L. H. Xie, R. Olcese, H. S. Karagueuzian, P. S. Chen, A. Garfinkel and J. N. Weiss, "Early afterdepolarizations in cardiac myocytes: beyond reduced repolarization reserve,"Cardiovasc. Res., vol. 99, pp. 6-15, April 2013.

[12] P. Gaspard and X. J. Wang, "Noise, chaos and -entropy per unit time,"Phys. Rep., vol. 235, pp.  291-343, December 1993.

[13]   A. Shilnikov, R. L. Calabrese and G. Cymbalyuk,"Mechanism of bistability: Tonic spiking and bursting in a neuron model,"Phys. Rev. E.,vol. 71, 056214, May 2005.

[14] P. Channell, G. Cymbalyuk and A. Shilnikov, "Origin of bursting through homoclinic spike adding in a neuron model," Phys. Rev. Lett., vol. 98, 134101, March 2007.

[15]P. Kugler, "Early afterdepolarizations with growing amplitudes via delayed subcritical hopfbifurcations and unstable manifolds of saddle foci in cardiac action potential dynamics,"PLoS ONE,vol. 10, 0151178, March 2016.