[论文解读] Electrical neurostimulation for chronic pain: on selective relay of sensory neural activities in myelinated nerve fibers

Pierre Sacré, Sridevi V. Sarma+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Pain Mechanisms and Treatments参考文献 18被引用 3

一句话总结

本研究构建了一个有髓鞘后柱纤维的脊髓外刺激计算模型，整合了自发感觉活动，以探究刺激频率如何影响感觉信号传导的可靠性。主要发现表明，高频刺激由于绝对不应期和动作电位碰撞而降低感觉信号的可靠性，但在约150 Hz附近出现短暂的可靠性回升，提示可能存在选择性阻断病理性疼痛信号而保留正常感觉功能的潜在机制。

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.

研究动机与目标

• 为解决当前缺乏在脊髓刺激（SCS）期间包含后柱神经纤维内源性感觉活动的计算模型的问题。
• 探究刺激诱发与内源性感觉动作电位之间的相互作用如何影响信号传导的可靠性。
• 探索特定刺激频率是否能够选择性阻断病理性感觉信号，同时保留正常的感觉传递。
• 为理解慢性疼痛调制中SCS作用机制提供基础测试平台。

提出的方法

• 采用有髓鞘轴突的电缆 compartment 模型，节点郎飞区代表活性膜区域，髓鞘区段作为被动电缆。
• 模型采用 Frankenhaeuser–Huxley 离子电导模型，参数根据37°C下的人体感觉纤维进行调整。
• 通过电势场施加脊髓外刺激，感觉输入在轴突远端建模为泊松分布的峰发放序列。
• 使用霍奇金-赫克斯利型动力学模拟动作电位传导，包括钠电流、快和慢钾电流及漏电流。
• 系统追踪动作电位发放时间以评估信号可靠性，并识别由碰撞和不应期引起的干扰。
• 系统性地改变刺激频率和感觉输入发放率，分析其对信号传导保真度的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 刺激诱发的动作电位与有髓鞘后柱纤维中自发产生的感觉动作电位如何相互作用？
• RQ2 刺激频率对感觉信号传导可靠性有何影响？
• RQ3 特定刺激频率是否能够选择性阻断病理性感觉信号，同时保留正常的感官传递？
• RQ4 不应期和动作电位碰撞在SCS过程中信号退化中起什么作用？
• RQ5 刺激频率与信号可靠性之间是否存在非单调关系？若存在，其生理基础是什么？

主要发现

• 随着刺激频率增加，感觉信号传导的可靠性下降，原因在于不应期效应和动作电位碰撞。
• 在约150 Hz附近观察到可靠性出现短暂回升，提示可能存在一个特定频率窗口，可优先阻断病理性信号。
• 当刺激间隔落在不应期范围内时，会出现因近期刺激导致的兴奋性丧失（sti–sti），通常发生在150 Hz以下。
• 感觉输入的瞬时发放率越高，可靠性损失越大，尤其在高刺激频率下更为显著。
• 模型识别出不同的失效模式：sti–sti（刺激-刺激碰撞）、sen–sen（感觉-感觉碰撞）和 sti–sen（刺激-感觉碰撞），每种均对信号退化有贡献。
• 结果表明，最佳SCS频率可能需在抑制病理性Aβ纤维活动与保留正常本体感觉和机械感受传入之间取得平衡。