[论文解读] Photo-Thermal Neural Excitation by Extrinsic and Intrinsic Absorbers: A Temperature-Rate Model

Nairouz Farah, Inbar Brosh+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2012

Photoreceptor and optogenetics research参考文献 25被引用 3

一句话总结

本文提出了一种温度-速率模型，通过外部和内部吸收体解释光热神经兴奋，其中在激光脉冲期间温度变化速率诱导去极化膜电流。该模型准确预测了皮层培养物和听觉神经元的刺激阈值，支持神经光热激活的一般经验定律。

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.

研究动机与目标

• 开发一个将光热瞬态与神经兴奋通过温度-速率效应联系起来的定量模型。
• 表征中红外激光脉冲在外部和内部吸收体情况下引发神经激活的生物物理机制。
• 通过物理和生物物理建模，预测神经系统的刺激阈值。
• 利用皮层细胞培养物和听觉神经元研究的实证数据验证该模型。
• 建立适用于不同神经系统的光热神经刺激的一般经验定律。

提出的方法

• 该模型结合了组织中激光吸收引起的温度瞬态的物理计算。
• 它整合了带有电压门控离子通道的神经元膜的生物物理表征。
• 去极化膜电流被建模为与温度变化速率（dT/dt）成正比。
• 基于激光参数、吸收系数和热扩散，计算温度瞬态。
• 该模型同时应用于外部微粒吸收体（PAINTS）和中红外波长下的组织内在吸收。
• 通过确定达到动作电位阈值所需的最小 dT/dt 来预测刺激阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在光热刺激期间，温度变化速率在触发神经兴奋中起什么作用？
• RQ2 外部吸收体（例如微粒）与组织内在吸收在诱导神经激活方面有何差异？
• RQ3 是否可以建立一个统一模型，以预测不同神经类型和实验条件下的刺激阈值？
• RQ4 哪些物理和生物物理参数决定了光热神经兴奋的阈值？
• RQ5 是否存在温度动力学与神经放电之间的普遍经验关系？

主要发现

• 该模型使用外部微粒吸收体在皮层细胞培养物中预测的刺激阈值与实验数据在定量上高度一致。
• 使用红外神经刺激（INS）对听觉神经元刺激的预测阈值与先前报道的实证结果相符。
• 该模型确定温度变化速率（dT/dt）是去极化的主要驱动因素，而非绝对温度升高。
• 该模型成功捕捉了不同神经系统的神经兴奋，表明其具有可推广的机制。
• 结果支持基于温度动力学的光热神经刺激一般经验定律。
• 该模型表明，水吸收波段的中红外激光脉冲可通过热瞬态安全有效地刺激神经元。