[論文レビュー] Electrical neurostimulation for chronic pain: on selective relay of sensory neural activities in myelinated nerve fibers

Pierre Sacré, Sridevi V. Sarma+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Pain Mechanisms and Treatments参考文献 18被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、脱髄性後索線条繊維における脊髄外刺激の計算モデルを構築し、自発的感覚活動を組み込んで、刺激周波数が感覚信号伝達の信頼性に与える影響を調査した。主な発見として、高周波刺激は不応期とアクションポテンシャルの衝突によって感覚信号の信頼性を低下させることを示し、約150 Hz付近で一時的な信頼性の回復が観察された。これは、病理的疼痛信号の選択的遮断と正常感覚機能の維持のためのメカニズムとしての可能性を示唆している。

ABSTRACT

Chronic pain affects about 100 million adults in the US. Despite their great need, neuropharmacology and neurostimulation therapies for chronic pain have been associated with suboptimal efficacy and limited long-term success, as their mechanisms of action are unclear. Yet current computational models of pain transmission suffer from several limitations. In particular, dorsal column models do not include the fundamental underlying sensory activity traveling in these nerve fibers. We developed a (simple) simulation test bed of electrical neurostimulation of myelinated nerve fibers with underlying sensory activity. This paper reports our findings so far. Interactions between stimulation-evoked and underlying activities are mainly due to collisions of action potentials and losses of excitability due to the refractory period following an action potential. In addition, intuitively, the reliability of sensory activity decreases as the stimulation frequency increases. This first step opens the door to a better understanding of pain transmission and its modulation by neurostimulation therapies.

研究の動機と目的

• 脊髄刺激（SCS）時の後索神経線維における基礎となる感覚活動を含まない計算モデルの不足に応えること。
• 刺激誘発性と内因性の感覚アクションポテンシャルの相互作用が信号伝達信頼性に与える影響を調査すること。
• 特定の刺激周波数が、病理的感覚信号を特異的に遮断しつつ、正常な感覚伝達を維持できるかどうかを検討すること。
• 慢性疼痛調節に起因するSCSのメカニズムを理解するための基礎的検証環境を提供すること。

提案手法

• ノード・オブ・ランビエを活性膜領域とし、インターノード部を受動的ケーブルとして扱う、脱髄性アキソンのコンパートメント・ケーブルモデルが用いられた。
• ヒト感覚線維を37°Cで想定し、パラメータを調整したフランケンハウザー＝フラクスリーのイオン電導モデルが組み込まれた。
• 脊髄外刺激は電位場を介して適用され、感覚入力は線維の遠位端でポisson分布に従うスパイクトレインとしてモデル化された。
• アクションポテンシャルの伝播は、ナトリウム、迅速および遅延性カリウム、漏れ電流を含む、ホジキン＝ハクスリー型のダイナミクスでシミュレートされた。
• 信号の信頼性を評価し、衝突や不応期に起因する障害を特定するために、アクションポテンシャルのタイミングを追跡した。
• 刺激周波数と感覚入力の発火率を系統的に変化させ、信号伝達の忠実度に与える影響を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 刺激誘発性アクションポテンシャルと自発的に生成される感覚アクションポテンシャルが、脱髄性後索線条繊維でどのように相互作用するか？
• RQ2 刺激周波数が感覚信号伝達の信頼性に与える影響は何か？
• RQ3 特定の刺激周波数が、病理的感覚信号を特異的に遮断しつつ、正常な感覚伝達を維持できるか？
• RQ4 不応期とアクションポテンシャルの衝突が、SCS中の信号劣化に果たす役割は何か？
• RQ5 刺激周波数と信号信頼性の間に非単調な関係が存在するか？もしあるならば、その生理学的根拠は何か？

主な発見

• 刺激周波数が上昇するにつれて、不応期の影響とアクションポテンシャルの衝突により、感覚信号伝達の信頼性が低下する。
• 約150 Hz付近で一時的な信頼性の回復が観察され、病理的信号が特異的に遮断される可能性のある周波数窓が存在する可能性を示唆している。
• 刺激間隔が不応期内に収まる場合（通常150 Hz未満）、最近の刺激に起因する興奮性の喪失（sti–sti）が発生する。
• 感覚入力のインstantaneous発火率が高いほど、特に高周波刺激時において信頼性の損失が顕著になる。
• 本モデルは、明確な障害モードを同定した：sti–sti（刺激同士の衝突）、sen–sen（感覚同士の衝突）、および sti–sen（刺激と感覚の衝突）、それぞれが信号劣化に寄与している。
• 結果から、最適なSCS周波数は、病理的Aβ線維の活動を抑制しつつ、正常な本体感覚および機械受容器の信号伝達を維持するバランスを取る必要があると考えられる。