نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی
نویسندگان
1 کارشناسی ارشد مهندسی پزشکی - بیومکانیک، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران
2 استادیار مهندسی پزشکی، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران
چکیده
با توجه به اهمیت مغز و سلولهای عصبی و بیماریها و آسیبهای مربوط به این سلولها، تحقیقات بسیار گستردهای در این حوزه انجام میشود؛ اما بهدلیل تخصصی بودن رفتار این سلولها، هر تحقیقی تنها یک جنبه(الکتروفیزیولوژیکی، شیمیایی و مکانیکی) از این سلول را بررسی کرده است. تحقیقی که بتواند تأثیر این عوامل را بر هم و بهطور جامع بر رفتار سلول عصبی نشان دهد، انجام نشده است. از آنجا که ارتباط روابط مکانیکی و الکتریکی سلول عصبی، نقش تعیین کنندهای در بسیاری از بیماریها، آسیبها(مانندضربات مغزی) و درمانها (مانند تحریک با امواج فراصوت) دارد؛ از اینرو نیاز به مدلسازی اثر نیروی مکانیکی بر عملکرد الکتروفیزولوژیک سلول عصبی حس میشود. این تحقیق، یکی از اولین گامها برای دستیابی به این هدف است که با درنظر گرفتن ویژگی حساسیت مکانیکی کانالهای یونی، تأثیر نیروی مکانیکی را بر موج پتانسیل عمل بهدست آوریم. در این مدل، خواص مکانیکی و الکتروفیزیولوژی نورون و برهمکنش آنها بر یکدیگر درنظرگرفته شده است. مدل جامعی براساس میراگر کسری، برای مدلسازی مکانیکی و معادلات هاجکین هاکسلی، برای مدل الکتروفیزیولوژی سلول ارائه شده است. از آزمایشات موجود نیز برای ارتباط این دو مدل استفاده شده است؛در واقع با اعمال تنش، رفتار الکتروفیزیولوژیکی سلول(پتانسیل غشا و جریان کانالهای یونی) را بررسی میکنیم. کرنش بهدستآمده از مدل میراگر کسری، بر فعالسازی و غیرفعالسازی کانالهای یونی و درنتیجه معادلات هاجکین هاگسلی اثر میگذارد. نتایج، نقص عملکردی سلول عصبی را در زمان آسیب نشان میدهد، که باعث کاهش اندازة موج پتانسیل عمل میشود. این کاهش میتواند بسته به میزان آسیب(کرنش پلاستیک) سلول، بازگشتپذیر یا بازگشتناپذیر باشد.
کلیدواژهها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
Investigation of Neuronal Damage in Response to Tension
نویسندگان [English]
- sajad ghazavi 1
- Bahman Vahidi 2
1 MSc. Biomedical Engineering-Biomechanics, Faculty of New Sciences and Technologies, University of Tehran, Tehran
2 Assistant Professor, Biomedical Engineering, Faculty of New Sciences and Technologies, University of Tehran, Tehran
چکیده [English]
Due to the importance of the brain and neurons, a vast area of research has been conducted in this field. However, due to the complexity of the neural behavior, each study investigated the functionality of neurons from one perspective such as electrophysiological, chemical, or mechanical perspective. In spite of the large number of research conducted on the brain injury topic, there is no study investigating the interaction of the mechanical and electrical characteristics of the neurons and its effect on the cell functionality. Understating the interaction between the mechanical and electrical properties of a neuron will have a substantial effect on treating neurological diseases such as traumatic brain injury and improving treatment methods such as ultrasound. As a result, there is a vital need to simulate the effect of mechanical forces on the electrophysiological behavior of a neuron. This study is one of the few attempts to achieve this goal by taking into account the mechanosensitivity of ion channels which affects the action potentials. Our proposed comprehensive model is based on power law equation (fractional dashpot) for mechanical modeling, Hodgkin Huxley (HH) equation for electrophysiological model and recent experiments for combination of these two equations. Based on the model, the calculated strain from the power law equation affects the activation and inactivation of ion channels. By changing the activation and inactivation variable in the HH equation, we can evaluate the effect of strain and mechanical stimulation on neural function. The results reveal neuron functions’ deficiency during neuron mechanical damage. As a result, action potential signal’s amplitude reduces. This reduction in amplitude of the action potential may be reversible or irreversible based on the amount of damage (plastic deformation).
کلیدواژهها [English]
- computational model
- power law (fractional dashpot)
- neuron
- Hodgkin Huxley (HH) equation
- Damage