[논문 리뷰] Photo-Thermal Neural Excitation by Extrinsic and Intrinsic Absorbers: A Temperature-Rate Model

Nairouz Farah, Inbar Brosh외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 01. 23.

Photoreceptor and optogenetics research참고 문헌 25인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 외재적 및 내재적 흡수체를 통한 광열성 신경 자극을 설명하는 온도-속도 모델을 제안한다. 여기서 레이저 펄스 동안 온도 변화 속도에 의해 탈분극 전압이 유도된다. 이 모델은 콜로이드 배양 세포와 청각 신경 세포에서 자극 임계값을 정확하게 예측하며, 신경 세포의 광열 자극에 대한 일반적인 경험 법칙을 뒷받침한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 광열성 일시적 현상과 온도-속도 효과를 통한 신경 자극을 연결하는 정량적 모델을 개발하기 위해.
• 중적외선 레이저 펄스에 의한 신경 세포 자극의 생물물리적 메커니즘을 외재적 및 내재적 흡수체 조건에서 특성화하기 위해.
• 물리적 및 생물물리적 모델링을 사용하여 신경 시스템의 자극 임계값을 예측하기 위해.
• 뇌피질 세포 배양 및 청각 신경 세포 연구의 경험적 데이터와의 비교를 통해 모델를 검증하기 위해.
• 다양한 신경 시스템에서 광열성 신경 자극에 대한 일반적인 경험 법칙을 수립하기 위해.

제안 방법

• tissue 내 레이저 흡수에 의한 온도 일시적 변화의 물리적 계산을 모델에 통합한다.
• 전압 감도를 가진 이온 채널을 포함한 신경 세포막의 생물물리적 표현을 포함한다.
• 탈분극 전압은 온도 변화 속도(dT/dt)에 비례하는 것으로 모델링된다.
• 레이저 파arms, 흡수 계수 및 열확산 계수를 기반으로 온도 일시적 변화를 계산한다.
• 중적외선 파장에서 외재적 마이크로 입자 흡수체(PAINTS)와 내재적 조직 흡수를 모두 적용한다.
• 신경 자극 임계값은 작동 전압에 도달하기 위한 최소 dT/dt를 결정함으로써 예측된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광열 자극 중 신경 자극을 유도하는 데 있어 온도 변화 속도의 역할은 무엇인가?
• RQ2 예를 들어 마이크로 입자와 같은 외재적 흡수체는 내재적 조직 흡수와 비교하여 어떻게 신경 자극을 유도하는가?
• RQ3 통합된 모델이 다양한 신경 유형과 실험 조건에서 자극 임계값을 예측할 수 있는가?
• RQ4 광열성 신경 자극의 임계값을 결정하는 물리적 및 생물물리적 매개변수는 무엇인가?
• RQ5 온도 역학과 신경 활성화 사이에 일반적인 경험적 관계가 존재하는가?

주요 결과

• 외재적 마이크로 입자 흡수체를 사용한 뇌피질 세포 배양에서의 자극 임계값을 정량적으로 실험 데이터와 잘 일치하는 예측을 한다.
• 중적외선 신경 자극(INS)을 사용한 청각 신경 세포 자극의 예측 임계값은 이전에 보고된 경험적 결과와 일치한다.
• 모델는 온도 상승의 절대값이 아니라 온도 변화 속도(dT/dt)가 탈분극의 주요 원인임을 규명한다.
• 모델는 다양한 신경 시스템에서의 신경 자극을 성공적으로 기술하며, 일반화 가능한 메커니즘을 시사한다.
• 온도 역학을 기반으로 한 광열성 신경 자극에 대한 일반적인 경험 법칙을 뒷받침하는 결과를 도출한다.
• 모델는 물질 흡수 파장에서 중적외선 레이저 펄스가 열 일시적 변화를 통해 안전하고 효과적으로 신경 세포를 자극할 수 있음을 시사한다.