[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究提出一种非侵入性电磁感应系统，采用非对称锯齿脉冲驱动的环形线圈，以阻断脊髓运动神经元和感觉神经元的动作电位。通过整流滤波线圈设计产生高梯度、单极性切向电场，该方法在基于电缆模型的时间域全波仿真中证明了其可行性，无需注射即可有效阻断动作电位。

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.

研究动机与目标

• 开发一种非侵入性替代方案，以避免注射麻醉剂带来的感染、过敏和组织损伤等副作用。
• 在无物理接触的情况下，精确且局部地阻断运动神经元和感觉神经元的动作电位。
• 设计一种电磁辐射系统，能够产生高梯度电场以抑制神经元活动。
• 通过神经元电缆动力学的计算建模，验证动作电位阻断的可行性。
• 探索电磁感应技术在脊髓非侵入性神经调控中的潜力。

提出的方法

• 在整流滤波层上制造环形几何线圈阵列，以调控电磁场分布。
• 向线圈施加非对称锯齿脉冲波形，以生成单极性、高梯度的切向电场。
• 将系统置于含有50个运动神经元和感觉神经元的模拟脊髓上方5厘米处。
• 使用时间域全波分析程序模拟系统中的电势和磁势分布。
• 采用经过验证的电缆模型对神经元响应进行建模，以追踪动作电位的传播与阻断。
• 仿真框架整合了电磁场动力学与神经元膜动力学，实现精确预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 非侵入性电磁感应系统能否有效阻断脊髓运动神经元和感觉神经元的动作电位？
• RQ2 需要何种电磁波形和线圈配置，才能生成用于神经元抑制的高梯度切向电场？
• RQ3 与对称波形相比，非对称锯齿脉冲波形在实现有效动作电位阻断方面有何优势？
• RQ4 所提出的系统在不造成组织损伤的前提下，能在多大程度上实现选择性和局部化的神经元阻断？
• RQ5 该方法是否适用于中枢神经系统非侵入性神经调控？

主要发现

• 所提出的电磁感应系统在模拟的脊髓环境中成功阻断了运动神经元和感觉神经元的动作电位。
• 采用非对称锯齿脉冲有效生成了高梯度、单极性的切向电场。
• 在整流滤波层上设计的线圈增强了电场的局域化和梯度强度，提升了阻断效率。
• 时间域全波仿真证实了在神经元群体中动作电位抑制的稳定性和可预测性。
• 该方法展示了在不进行侵入性操作的前提下，实现脊髓非侵入性靶向神经调控的潜力。
• 结果支持进一步探索电磁感应作为注射麻醉剂的安全且有效的替代方案。