[論文レビュー] Photo-Thermal Neural Excitation by Extrinsic and Intrinsic Absorbers: A Temperature-Rate Model

Nairouz Farah, Inbar Brosh+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2012

Photoreceptor and optogenetics research参考文献 25被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、外部および内在的吸収体を介した光熱神経活性化を説明する温度-速度モデルを提案する。このモデルでは、レーザーパulses中の温度変化率によって、去分極化膜電流が誘発される。モデルは皮質シルトチャイルドおよび聴覚神経における刺激閾値を正確に予測し、神経の光熱活性化に関する一般化された経験則を支持する。

ABSTRACT

Infrared neural stimulation (INS) pulses at water-absorbed mid-IR wavelengths could provide a non-invasive and safe modality for stimulating peripheral and cranial nerves and central nervous system neurons. The excitation mechanism underlying INS activation is thought to be mediated by photo-thermal tissue transients, which can also potentially be induced using extrinsic absorbers (Photo-Absorber Induced Neural-Thermal Stimulation or PAINTS). The specific biophysical effect of photo-thermal transients on target neurons has yet to be determined and quantitatively characterized. Here, we propose and study a model for thermally-induced neural stimulation where temperature changes induce a depolarizing transmembrane current proportional to the temperature rate of change. Our model includes physical calculations of the temperature transients induced by laser absorption and a biophysical model of the target cells. Our results indicate that stimulation thresholds predicted by the model are in good agreement with empirical data obtained in cortical cell cultures using extrinsic micro-particle absorbers (PAINTS) as well as with earlier results on auditory neuron stimulation using INS. These results suggest a general empirical-law for photo-thermal interactions with neural systems, and could help direct future basic and applied studies of these phenomena.

研究の動機と目的

• 光熱一時的変化と神経活性化を結びつける定量的モデルを構築すること。
• 中赤外レーザーパulsesによる神経活性化の生物物理学的メカニズムを、外部および内在的吸収体の両状況で同定すること。
• 物理的および生物物理学的モデリングを用いて、神経系における刺激閾値を予測すること。
• 皮質細胞シルトチャイルドおよび聴覚神経研究からの経験的データと照らし合わせて、モデルを検証すること。
• さまざまな神経系に一般化可能な光熱神経刺激の一般経験則を確立すること。

提案手法

• 組織内でのレーザー吸収に起因する温度一時的変化の物理的計算をモデルに統合する。
• 電圧依存性イオンチャネルを有する神経膜の生物物理学的表現を組み込む。
• 去分極化膜電流を温度変化率（dT/dt）に比例する形でモデル化する。
• レーザーのパラメータ、吸収係数、熱拡散率に基づいて温度一時的変化を計算する。
• 外部のマイクロ粒子吸収体（PAINTS）および中赤外波長における内在的組織吸収の両方の状況にモデルを適用する。
• アクションポテンシャル閾値に達するのに必要な最小の dT/dt を特定することで、刺激閾値を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光熱刺激中における神経活性化を誘発する温度変化率の役割は何か？
• RQ2 マイクロ粒子などの外部吸収体と、組織の内在的吸収とを比較すると、神経活性化の誘発にどのような差が生じるか？
• RQ3 統一されたモデルが、異なる神経タイプおよび実験的条件下での刺激閾値を予測できるか？
• RQ4 光熱神経活性化の閾値を支配する物理的および生物物理学的パラメータは何か？
• RQ5 温度ダイナミクスと神経放電の間に、一般経験的関係が存在するか？

主な発見

• 外部マイクロ粒子吸収体を用いた皮質シルトチャイルドにおける刺激閾値が、実験データと良好な定量的整合性を示すモデルで予測された。
• 赤外線神経刺激（INS）を用いた聴覚神経刺激の予測閾値は、以前に報告された経験的結果と一致した。
• モデルは、絶対的温度上昇ではなく、温度変化率（dT/dt）が去分極化の主因であると特定した。
• モデルは、さまざまな神経系における神経活性化を的確に捉えており、一般化可能なメカニズムを示唆している。
• 温度ダイナミクスに基づく光熱神経刺激の一般経験則が、結果から支持された。
• モデルは、水に吸収される波長のミッドインフラレッドレーザーパulsesが、熱的変動を介して神経を安全かつ効果的に刺激できることを示した。