[논문 리뷰] Electrical neurostimulation for chronic pain: on selective relay of sensory neural activities in myelinated nerve fibers

Pierre Sacré, Sridevi V. Sarma외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 01.

Pain Mechanisms and Treatments참고 문헌 18인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 유선화된 등요추 신경섬유에서의 세포외부 척수 자극을 위한 계산 모델을 개발하였으며, 자발적인 감각 활동을 통합하여 자극 주파수가 감각 신호 전달의 신뢰성에 미치는 영향을 조사한다. 주요 발견은 고주파 자극이 복구 기간과 전압파 충돌로 인해 감각 신호의 신뢰성을 떨어뜨리며, 약 150 Hz 근처에서 일시적인 회복 효과가 나타나는 것으로, 병적 통증 신호를 선택적으로 차단하면서 정상적인 감각 기능을 유지할 수 있는 메커니즘이 될 수 있음을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 척수 자극(Spinal Cord Stimulation, SCS) 중 등요추 신경섬유의 기저 감각 활동을 포함하지 않은 계산 모델의 부족을 보완하기 위해.
• 자극 유도 감각 전압파와 내재된 감각 전압파 간의 상호작용이 신호 전달의 안정성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 특정 자극 주파수가 병적 감각 신호를 선택적으로 차단하면서 정상적인 감각 전달을 유지할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 만성 통증 조절의 기초 메커니즘을 이해하기 위한 기초 테스트 베드를 제공하기 위해.

제안 방법

• 유선화된 축삭의 분할 케이블 모델을 사용하며, 랑비에르의 노드는 활성 막 영역으로, 간격 영역은 수동 케이블로 간주된다.
• 인간 감각 섬유에서 37°C 조건에 맞게 조정된 매개변수를 사용한 Frankenhaeuser–Huxley 이온 전도도 모델을 통합한다.
• 세포외부 자극은 전기 잠재차장에 의해 적용되며, 감각 입력은 섬유의 말단에서 포아송 분포의 스파이크 열로 모델링된다.
• 헤딩킨-후크리의 유형 동역학을 사용하여 전압파 전파를 시뮬레이션하며, 나트륨, 빠른 및 느린 칼륨, 그리고 누출 전류를 포함한다.
• 신호 안정성 평가를 위해 전압파 발생 시점을 추적하고, 충돌 및 복구 기간과 관련된 교란을 식별한다.
• 자극 주파수와 감각 입력의 발화 빈도를 체계적으로 변화시켜 그 영향을 전달 정밀도에 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자극 유도 전압파와 자발적으로 생성된 감각 전압파가 유선화된 등요추 신경섬유에서 어떻게 상호작용하는가?
• RQ2 자극 주파수가 감각 신호 전달의 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 특정 자극 주파수로 병적 감각 신호를 선택적으로 차단하면서 정상적인 감각 전달을 유지할 수 있는가?
• RQ4 복구 기간과 전압파 충돌이 SCS 중 신호 열화에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 자극 주파수와 신호 안정성 간에 비단조화적인 관계가 존재하는가? 존재한다면 그 생리학적 기반은 무엇인가?

주요 결과

• 자극 주파수가 증가함에 따라 복구 기간 효과와 전압파 충돌로 인해 감각 신호 전달의 안정성이 감소한다.
• 약 150 Hz 근처에서 일시적인 안정성 회복이 관찰되어 병적 신호가 선별적으로 차단될 수 있는 잠재적 주파수 창이 존재할 수 있음을 시사한다.
• 최근 자극으로 인한 Excitability 상실(sti–sti)은 일반적으로 150 Hz 이하에서 자극 간격이 복구 기간 내에 들어갈 경우 발생한다.
• 감각 입력의 순간 발화 빈도가 높을수록 안정성 손실가 더 크며, 특히 고주파 자극에서 두드러진다.
• 모델은 명백한 실패 모드를 식별한다: sti–sti(자극-자극 충돌), sen–sen(감각-감각 충돌), sti–sen(자극-감각 충돌)이며, 각각 신호 열화에 기여한다.
• 결과는 최적의 SCS 주파수는 병적 Aβ 섬유 활동을 억제하면서도 정상적인 운동감각 및 기계수용체 신호 전달을 유지해야 한다는 것을 시사한다.