[논문 리뷰] Noninvasive Blockade of Action Potential by Electromagnetic Induction

Soheil Hashemi, Amirhossein Hajiaghajani외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 29.

Neuroscience and Neural Engineering참고 문헌 16인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 비침습적인 전자기 유도 시스템을 제안하며, 비대칭 피크파형을 이용한 원형 코ils를 사용하여 척수 운동 신경세포와 감각 신경세포의 전기적 자극을 차단한다. 정류기-필터 처리된 코ils 구조를 통해 고기울기, 단극성 탄성 전기장이 생성되며, 이는 주사위 주입 없이도 효과적인 전기 자극 차단을 가능하게 하여, 케이블 모델 기반의 시간 영역 전체파 해석 시뮬레이션에서 타당성을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 감염, 알레르기 반응, 조직 손상 등의 부작용을 피할 수 있는 주사제를 대체할 비침습적 방법 개발
• 물리적 접촉 없이도 운동 신경세포와 감각 신경세포의 전기 자극을 정밀하고 국소적으로 차단하는 것
• 신경세포 억제를 위한 고기울기 전기장 생성이 가능한 전자기 방출 장치 설계
• 신경세포 케이블 역학 모델 기반의 계산적 모델링을 통해 전기 자극 차단의 타당성 검증
• 전자기 유도 기반의 척수에서의 비침습적 뇌신경 조절 잠재력 탐색

제안 방법

• 전자기장 분포를 형상화하기 위해 전류 정류기-필터 층 위에 원형 기하학적 코ils 어레이 제작
• 비대칭 피크파형의 피크파형을 코ils에 적용하여 단극성, 고기울기 탄성 전기장 생성
• 모의 척수(운동 및 감각 신경세포 50개 포함) 상단 5cm 높이에 시스템 위치
• 시스템 내 전기 및 자기 잠재 에너지 분석을 위해 시간 영역 전체파 해석 코드 사용
• 전기 자극 전파 및 차단 추적을 위해 검증된 케이블 모델을 사용해 신경세포 반응 모델링
• 정확한 예측을 위해 전자기장 역학과 신경세포막 역학을 통합한 시뮬레이션 프레임워크 구축

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비침습적 전자기 유도 시스템이 척수 운동 및 감각 신경세포의 전기 자극을 효과적으로 차단할 수 있는가?
• RQ2 신경세포 억제를 위한 고기울기 탄성 전기장을 생성하기 위해 필요한 전자기파형과 코ils 구조는 무엇인가?
• RQ3 비대칭 피크파형이 대칭 파형 대비 효과적인 전기 자극 차단에 기여하는 방식은 무엇인가?
• RQ4 제안된 시스템이 조직 손상 없이 선택적이고 국소적인 신경세포 차단을 어느 정도 달성할 수 있는가?
• RQ5 이 방법은 중추신경계에서 비침습적 뇌신경 조절에 타당한가?

주요 결과

• 제안된 전자기 유도 시스템은 모의 척수 환경에서 운동 신경세포와 감각 신경세포 양쪽 모두의 전기 자극을 성공적으로 차단하였다.
• 비대칭 피크파형의 사용이 고기울기, 단극성 탄성 전기장의 효과적인 생성을 가능하게 하였다.
• 정류기-필터 층에 배치된 코ils 설계가 전기장 국소화 및 기울기 강도를 향상시켜 차단 효율을 높였다.
• 시간 영역 전체파 시뮬레이션을 통해 신경세포 집단 전반에서 안정적이고 예측 가능한 전기 자극 억제가 확인되었다.
• 침습적 수술 없이도 척수에서 비침습적이고 정밀한 뇌신경 조절 잠재력이 확인되었다.
• 전자기 유도가 주사제의 안전하고 효과적인 대체 수단으로서의 잠재력을 뒷받침하는 결과를 보였다.