[論文レビュー] Noninvasive Blockade of Action Potential by Electromagnetic Induction

Soheil Hashemi, Amirhossein Hajiaghajani+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2018

Neuroscience and Neural Engineering参考文献 16被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、非侵襲的电磁誘導システムを提案し、非対称な歯型パルス駆動の円形コイルを用いて脊髄の運動および感覚性ニューロンのアクションポテンシャルを遮断する。整流器-フィルタ処理を施したコイル設計により、高勾配で一様な接線電界を生成することで、注射を伴わずに効果的なアクションポテンシャル遮断を実現した。ケーブルモデルに基づく時間領域フル波動シミュレーションにより、実現可能性が裏付けられた。

ABSTRACT

Conventional anesthesia methods such as injective anesthetic agents may cause various side effects such as injuries, allergies, and infections. We aim to investigate a noninvasive scheme of an electromagnetic radiator system to block action potential (AP) in neuron fibers. We achieved a high-gradient and unipolar tangential electric field by designing circular geometric coils on an electric rectifier filter layer. An asymmetric sawtooth pulse shape supplied the coils in order to create an effective blockage. The entire setup was placed 5 cm above 50 motor and sensory neurons of the spinal cord. A validated time-domain full-wave analysis code Based on cable model of the neurons and the electric and magnetic potentials is used to simulate and investigate the proposed scheme. We observed action potential blockage on both motor and sensory neurons. In addition, the introduced approach shows promising potential for AP manipulation in the spinal cord.

研究の動機と目的

• 注射による局所麻酔の代替として、感染、アレルギー反応、組織障害などの副作用を回避する非侵襲的代替法の開発。
• 物理的接触を伴わず、運動および感覚性ニューロンにおけるアクションポテンシャルの正確で局所的な遮断を実現すること。
• 神経抑制に適した高勾配電界を生成可能な電磁放射器システムの設計。
• 神経ケーブルダイナミクスの計算モデルを用いて、アクションポテンシャル遮断の実現可能性を検証すること。
• 脊髄における非侵襲的ニューロモジュレーションとしての電磁誘導の可能性の探求。

提案手法

• 電磁界分布を整形するために、電気整流器フィルタ層上に円形幾何コイルアレイを製作した。
• 一様で高勾配の接線電界を生成するために、非対称な歯型パルス波形をコイルに印加した。
• システムを5 cmの高さから、50個の運動および感覚性ニューロンを含む模擬脊髄の上に配置した。
• 時間領域フル波動解析コードを用いて、システム内の電気的および磁気的ポテンシャルをシミュレートした。
• アクションポテンシャルの伝播および遮断を追跡するために、妥当性が確認されたケーブルモデルを用いて神経応答をモデル化した。
• 電磁界ダイナミクスと神経膜ダイナミクスを統合したシミュレーションフレームワークを構築し、正確な予測を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非侵襲的電磁誘導システムは、脊髄の運動および感覚性ニューロンにおけるアクションポテンシャルを効果的に遮断できるか？
• RQ2 神経抑制に適した高勾配接線電界を生成するために、どのような電磁波形およびコイル構成が必要か？
• RQ3 非対称な歯型パルス波形は、対称波形と比較して、どのように効果的なアクションポテンシャル遮断に寄与するか？
• RQ4 提案されたシステムは、組織損傷を伴わず、どれほど選択的かつ局所的な神経遮断を実現できるか？
• RQ5 この手法は、中枢神経系における非侵襲的ニューロモジュレーションに実現可能か？

主な発見

• 提案された電磁誘導システムは、模擬脊髄環境下で運動および感覚性ニューロンの両方におけるアクションポテンシャル遮断に成功した。
• 非対称な歯型パルスの使用により、高勾配で一様な接線電界の効果的生成が可能になった。
• 整流器-フィルタ層上に配置されたコイル設計は、電界の局所化と勾配強度を向上させ、遮断効率を向上させた。
• 時間領域フル波動シミュレーションにより、神経細胞集団全体で安定的かつ予測可能なアクションポテンシャル抑制が確認された。
• 本手法は、侵襲的手技を伴わず、脊髄における標的的ニューロモジュレーションの可能性を示した。
• 結果から、注射による局所麻酔の安全で効果的な代替法として、電磁誘導のさらなる検討が支持される。