Xây dựng mạch điện tử mô phỏng đáp ứng của tế bào thần kinh với kích thích xung điện một chiều

Nghiên ccứu<br /> ứu khoa học công nghệ<br /> <br /> XÂY D<br /> DỰNG<br /> ỰNG MẠCH ĐIỆN TỬ MÔ PHỎNG ĐÁP ỨNG CỦA TẾ BBÀO<br /> ÀO<br /> THẦN<br /> THẦN KINH VỚI KÍCH THÍCH XUNG ĐIỆN MỘT CHIỀU<br /> Tạạ Quốc Giáp1**, Nguy<br /> Nguyễn<br /> ễn L Chi 1, Lê K<br /> Lêê Chiến Kỳỳ Biên2<br /> Biên<br /> tắt: Nghiên ccứu<br /> Tóm tắt: ứu xây dựng mô hhình ình mạch<br /> mạch điện tử của tế bbào<br /> ào thần<br /> thần kinh, mô<br /> phỏng<br /> phỏng hoạt động điện của tế bbào ào th<br /> thần<br /> ần kinh thông qua việc thay đổi các tham số đầu<br /> vào về<br /> về cường<br /> c ờng độ vvàà ttần<br /> ần số xung kích thích. Qua đó, kiểm chứng giá trị điện áp đầu<br /> ra ccủa<br /> ủa mô hình<br /> hình mô ph phỏng<br /> ỏng so với cách đáp ứng thực tế của tế bbào ào thần<br /> thần kinh. Việc<br /> khảo sát sự tthay<br /> khảo hay đđổi<br /> ổi ccường độ vvà<br /> ường à tần<br /> tần số kích thích xung điện một chiều vvàà đánh giá<br /> định<br /> ịnh lượng<br /> l ợng tại giá trị nnào<br /> ào của<br /> của tham số kích thích cho ra điện thế đáp ứng llàà llớn<br /> ớn nhất<br /> nhất thông qua mô hhình<br /> nhất ình mạch<br /> mạch điện tử của tế bbào ào đã<br /> đã xây ddựng.<br /> ựng. Kết quả của nghi<br /> nghiênên<br /> cứu<br /> ứu nnày<br /> ày góp ph<br /> phần<br /> ần hiểu biết<br /> biết sâu hhơn<br /> ơn vvềề ccơ<br /> ơ chế<br /> chế hoạt động điện của m màng<br /> àng ttếế bbào<br /> ào<br /> thông qua ho<br /> hoạt ênh ion trên màng như Na+, K+ và các ion khác.<br /> ạt động của các kkênh<br /> ừ khóa: Mô hình mạch<br /> Từ mạch điện tử<br /> tử; Tếế bào thần<br /> thần kinh;<br /> kinh; Kích thích xung đi<br /> điện<br /> ện một chiều<br /> chiều; Điện<br /> ện thế<br /> thế hoạt động.<br /> <br /> 1. M<br /> MỞ<br /> Ở ĐẦU<br /> 10 11<br /> Não ngư người<br /> ời có 10 -10 10 tếế bào<br /> bào thần<br /> thần kinh (c (còn<br /> òn gọi<br /> gọi là<br /> là các nơron) liên kkết ết chặt chẽ với<br /> nhau qua m mạng<br /> ạng lư<br /> lưới<br /> ới sợi trục vvàà đuôi gai. B<br /> Bản<br /> ản thân các nnơron<br /> ơron lại<br /> lại đđưược<br /> ợc đệm đỡ vvàà bổ<br /> bổ trợ bởi<br /> các ttếế bbào<br /> ào thần<br /> thần kinh đệm. Một nnơron thểể nhận tín hiệu từ 103-10<br /> ơron có th 105 các nơron khác [[[10]].<br /> Kích thích dòng đi điện<br /> ện một chiều có vai tr trò<br /> ò quan tr<br /> trọng<br /> ọng trong y sinh, nh nhưư ứng dụng trong<br /> khử rung tim, trong phục hồi chức năng vvàà gi<br /> khử giảm<br /> ảm đau trong vvật ật lý trị liệu… Đặc biệt, trong<br /> nghiên ccứu ứu hành<br /> hành vi đđộng<br /> ộng vật m màà đáng quan tâm hơn ccảả là là kích thích điđiện<br /> ện nội sọ do những<br /> ứng dụng m màà nó có th<br /> thểể mang lại.<br /> Kích thích lên ttếế bbào ào ssống<br /> ống với một xung điện đủ lớn sẽ gây ra đáp ứng llàm àm thay đđổi<br /> ổi<br /> điện<br /> ện thế m màng.<br /> àng. Khi ththam<br /> am ssốố kích thích tới một ng ngư<br /> ưỡng<br /> ỡng nhất định sẽ llàm àm phát sinh điđiện<br /> ện thế<br /> hoạt động của tế bbào.<br /> hoạt ào. Sau đáp ứng này,này, đi<br /> điện<br /> ện thế mmàng<br /> àng sẽ sẽ dần trở về giá trị điện thế nghỉ<br /> ban đđầuầu của nó. Nếu xung kích thích không đủ lớn th thì tếế bào<br /> bào ssẽẽ không đđược<br /> ợc kích hoạt. Sự<br /> đáp ứng của màng cho lo ại kích thích nnày<br /> loại ày mang tính bbịị động. Nếu xung kích thích đủ<br /> mạnh,<br /> ạnh, điện thế m màng<br /> àng đđạt<br /> ạt tới ng<br /> ngưưỡng<br /> ỡng v<br /> vàà màng ttạoạo ra một xung điện đặc tr trưng<br /> ưng là xung th<br /> thần<br /> ần<br /> kinh ((hìnhình 1).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1.. Thay đổi<br /> đổi điện thế m àng tế<br /> màng tế bào<br /> bào (B) dư<br /> dưới<br /> ới tác dụng các loại xung kích thíc h (C) gây<br /> thích<br /> ức chế (1) vvà<br /> à gây hưng ph ấn (2, 3, 4). Xung (2) ch<br /> phấn chưa<br /> ưa đạt<br /> đạt ng<br /> ngưỡng<br /> ỡng kích thích nnên<br /> ên ch<br /> chỉỉ gây ra<br /> đư<br /> được<br /> ợc một đáp ứng bị động. Xung (3) chạm ng ngưưỡng<br /> ỡng kích thích có thể gây ra đđư ợc điện thế<br /> ược<br /> đáp ứng (3b). Xung (4) vvượtợt quá ng<br /> ngư<br /> ưỡng,<br /> ỡng, điện thế đáp ứng luôn xuất hiệ n.<br /> hiện<br /> <br /> <br /> Tạp<br /> ạp chí Nghi<br /> Nghiên<br /> ên cứu<br /> cứu KH&CN quân<br /> uân sự,<br /> sự, Số Đặc<br /> ặc san FEE,<br /> FEE, 08<br /> 0 - 2018<br /> 20 391<br />  Đo lường<br /> lường – Tin h<br /> học<br /> ọc<br /> Điện thế màng<br /> Điện màng của<br /> của một tế bbào<br /> ào đư<br /> đượcợc định nghĩa llàà chênh llệch ệch điện thế giữa mặt trong vvàà<br /> mặtặt ngoài<br /> ngoài màng mà nguyên do là do ssự ự ch<br /> chênh<br /> ênh lệch<br /> lệch giữa các ion hai bbên ên màng ttếế bào.<br /> bào. Tr<br /> Trịị<br /> sốố điện thế m màng<br /> àng trong tr<br /> trạng<br /> ạng thái yyên<br /> ên ngh<br /> nghỉỉ (c(còn<br /> òn gọi<br /> gọi là<br /> là trạng<br /> trạng thái phân cực - polapolarization)<br /> rization)<br /> Ek do ion K+ quy quyết<br /> ết định đđược<br /> ợc tính theo phphương<br /> ương trtrình<br /> ình Nernst và thường<br /> th ờng dao động trong<br /> khoảng -70<br /> khoảng -70 mV đến<br /> đến -90<br /> 90 mV [[[11]<br /> [11]].<br /> ].<br /> . ( )<br /> = ln<br /> . ( )<br /> Khi tếtế bào<br /> bào hưng phphấn,<br /> ấn, điện thế mmàng<br /> àng bbịị thay đổi do thay đổi tính thấm của m màng<br /> àng vvới<br /> ới<br /> + + +<br /> ion Na . Kênh Na đư được<br /> ợc mở ra, các ion Na ở mặt ngoài ngoài màng ùa vào trong ttếế bbào ào làm tái<br /> phân bbố ố các ion hai bbên<br /> ên màng: ssố<br /> ố lượng<br /> l ợng các ion mang điện tích ddương ương ở mặt trong m màng<br /> àng<br /> nhiều hhơn<br /> nhiều ơn so với<br /> với ở mặt ngo ài màng. Lúc này, màng bbịị đổi cực từ trạng thái phân cực sang<br /> ngoài<br /> trạng<br /> ạng thái khử cực vvàà xu<br /> xuất<br /> ất hiện điện thế hhưng<br /> ưng phấn<br /> phấn hay điện thế hoạt độn động.<br /> g. Điện<br /> Điện thế nnày<br /> ày ssẽẽ<br /> theo ssợi<br /> ợi trục lan truyền tới các tế bbào<br /> ào khác. TrịTrị số điện thế hoạt động có thể đạt tới 120<br /> mV nhưng vvì ở xuất phát điểm điện thế m màng<br /> àng đđãã có trị<br /> trị số llàà -90<br /> 90 mV nên điđiện<br /> ện thế trên<br /> trên th<br /> thực<br /> ực<br /> tếế đạt khoảng +30mV.<br /> . ( )<br /> ạ độộ = ln ( )<br /> .<br /> Sau khi hưng ph<br /> phấn,<br /> ấn, m<br /> màng<br /> àng tế<br /> tế bào<br /> bào dần<br /> dần trở về trạng thái ban đầu, nghĩa llàà diễn<br /> diễn ra quá tr<br /> trình<br /> ình<br /> tái ccực<br /> ực màng<br /> màng nhờ<br /> nhờ hoạt động của bbơmơm Na+/K+ trên màng ttếế bbào,<br /> ào, làm tái llập<br /> ập trạng thái cân<br /> bằng<br /> ằng điện tích hai bbên<br /> ên màng ttếế bào<br /> bào như trư<br /> trước<br /> ớc lúc hhưng<br /> ưng phấn<br /> phấn [[2]<br /> [[2]].<br /> ]. Giai đo<br /> đoạnạn nnày<br /> ày đư<br /> được<br /> ợc gọi<br /> là giai đoạn<br /> đoạn tái cực (depolarization).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2.2 Đáp ứng của m màng<br /> àng tế<br /> tế bào<br /> bào đối<br /> đối với các kích thích có ccường<br /> ờng độ thay đổi (B) theo<br /> đường<br /> đư ờng cong ccư ường<br /> ờng độ - thời<br /> ời gian. Mức ccư<br /> ường<br /> ờng độ kích thích nhỏ nhất gây ra đđư đượcợc đáp ứng<br /> đư<br /> đượcợc gọi llà<br /> à ngưỡng<br /> ngưỡng ccơ<br /> ơ ssở<br /> ở (Rheobase). Thời gian cực tiểu cần thiết cho 1 xung kích thích<br /> có cư<br /> cường<br /> ờng độ gấp đôi ng ngưưỡng<br /> ỡng cơ<br /> c sởở để khởi động quá tr trình<br /> ình kh<br /> khử<br /> ử cực gọi llàà th ời trị<br /> thời<br /> (Chronaxy)<br /> (Chronaxy).<br /> Những hiểu biết về phản ứng điện của các tế bbào<br /> Những ào có thể<br /> thể kích thích đđư<br /> ược<br /> ợc và<br /> và các phương<br /> pháp mô ttảả gắn với các khái niệm về mạch điện tử vvàà vớivới các công thức biểu diễn các ph phản<br /> ản<br /> ứng của chúng. Từ các luận điểm nnày, ày, chúng ta có th<br /> thểể tiến hhành<br /> ành các phương pháp nh nhận<br /> ận<br /> biết<br /> ết các mạch điện tử ttương<br /> ương đương vvềề mặt vật lý cho các tế bbào ào có khả<br /> khả năng kích thích.<br /> <br /> <br /> 392 T.. Q. Giáp, N. L. Chiến,<br /> Chiến, L. K. Biên<br /> Biên,, ““Xây<br /> Xây dựng<br /> ựng mạch điện tử … xung điện<br /> điện một chiều.”<br /> chiều.<br /> Nghiên ccứu<br /> ứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 33. Mô hình điện<br /> điện tế bbào<br /> ào th<br /> thần<br /> ần kinh của Hodgkin và Huxley<br /> và lý thuy<br /> thuyết<br /> ết điện<br /> ện thế hoạt động.<br /> Đãã có nhiều<br /> nhiều nghi<br /> nghiên<br /> ên ccứu,<br /> ứu, đề xuất mô hhìnhình hóa màng ttếế bbào<br /> ào tương ttự<br /> ự như<br /> như một<br /> một mạch điện<br /> tử<br /> ử nh<br /> nhưư mô hình<br /> hình đi<br /> điện<br /> ện tế bbào ủa Hodgkin và Huxley [[[[5]]. Đây ccũng<br /> ào ccủa ũng là<br /> là mô hình ccơ ơ bbản<br /> ản để<br /> các nghiên ccứuứu kế tiếp phát triển vvàà đề<br /> đề xuất các mô hhình ình đi<br /> điện<br /> ện nnơron:<br /> ơron: mô hình điện<br /> điện nnơron<br /> ơron<br /> ủa Lewis [[[8]], mô hì<br /> của hình<br /> nh đi ện nơron<br /> điện ủa Harmon [[[4]], mô hình đi<br /> nơron ccủa điện<br /> ện nơron ủa Roy [[[[6]]<br /> nơron ccủa<br /> và mô hình điện điện nơron ủa Maeda vvàà Makino [[[[7]]. Trong đó, mô hhình<br /> nơron ccủa ình của<br /> của Maeda vvàà<br /> Maki<br /> Makino no mang nhinhiều<br /> ều ưu điđiểm<br /> ểm do mô phỏng đđư ược<br /> ợc điện thế mạng neuron theo thời gian thực,<br /> dễễ ddàng<br /> àng thay đđổi<br /> ổi các tham số của mạch điện vvàà có thể thể xây dựng đđượcợc mô hình<br /> hình toán hhọcọc từ<br /> mạch<br /> ạch nnày.<br /> ày. Xuất<br /> Xuất phát từ những vấn đề tr trên,<br /> ên, nghiên ccứu<br /> ứu được<br /> đ ợc tiến hhành với mục đích xây<br /> ành với<br /> dựn<br /> ựngg mmạch<br /> ạch điện mô phỏng hoạt động điện của m màng<br /> àng tế<br /> tế bào<br /> bào th<br /> thần<br /> ần kinh ứng với kích thích<br /> xung đi điện<br /> ện một chiều<br /> chiều, từừ đó giải thích các ccơ ơ ch<br /> chếế tạo ra điện thế hoạt động của tế bbào ào th<br /> thần<br /> ần<br /> kinh và đáp ứng kích thích của tế bbào ào th<br /> thầnần kinh với xung điện một chiều. L Làà cơ ssở<br /> ở để đánh<br /> giá đáp ứng hànhhành vi trên đđộng<br /> ộng vật thực nghiệm đối với tín hiệu kích thích xung điện một<br /> chiều đđãã được<br /> chiều được mô phỏng.<br /> 2. MÔ PHPHỎNG ỎNG CÁC THAM SỐ KÍCH THÍCH TR TRÊNÊN<br /> MÔ HÌNH MAEDA VÀ MAKINO B BẰNG<br /> ẰNG PHẦN MỀM NI MULTISIM<br /> Maeda và Makino ch chỉỉ ra phương<br /> phương th<br /> thức<br /> ức mô hhình<br /> ình hóa một<br /> một nnơron<br /> ơron ssửử dụng 3 bóng bán dẫn<br /> cho mmộtột tế bào<br /> bào th<br /> thần<br /> ần kinh FitzHugh Nagumo (FHN) [[[[3]] (đư<br /> FitzHugh--Nagumo (được<br /> ợc đđơn<br /> ơn giản<br /> giản hóa từ công thức<br /> +<br /> Hodgkin-Huxley).<br /> Hodgkin Huxley). FitzHugh<br /> FitzHugh--Nagumo<br /> Nagumo đềề xuất thay thế ddòngòng Na nhanh ccủa ủa mô hhình ình<br /> Hodgkin-Huxley<br /> Hodgkin Huxley vvới ới quá tr ình khử<br /> trình khử cực nhanh, khử cực, kích hoạt vvàà thay th thếế quá trtrình<br /> ình<br /> khử hoạt động Na+ ch<br /> khử chậm chậm, tái phân cực, K+ bằng<br /> ậm vvàà làm chậm, ằng một quá tr trình<br /> ình kh<br /> khửử hoạt tính<br /> chậm đđơn<br /> chậm ơn thuần.<br /> thuần. Bằng cách th thêm<br /> êm một<br /> một quá ttrình<br /> rình tái phân ccực<br /> ực hhơn,<br /> ơn, được<br /> được mô hhình ình hoá bbởiởi<br /> hai bóng bán ddẫn,ẫn, chúng có thể tạo ra một nnơron<br /> ơron điện<br /> điện với đáp ứng “b“bùng<br /> ùng nổ”.<br /> nổ”.<br /> Trong mạchmạch điện tr trên<br /> ên hình 4 gồmồm 2 th<br /> thành<br /> ành phần<br /> phần dao động ccơ ơ bbản, kênh Na + được<br /> ản, kênh được mô<br /> hình hóa bbởiởi 02 transitor (Q1 – transitor ngưngược,<br /> ợc, Q2 – transitor thu<br /> thuận)<br /> ận) mắc kiểu Dalington<br /> có nhi<br /> nhiệmệm vụ khuếch đại tín hiệu kkênh ênh Na+ đư<br /> được<br /> ợc nối với nguồn DC 5V; kkênh ênh K+ đưđược<br /> ợc mô<br /> hình hóa bbởi ởi transitor ngngư ợc Q3 xác định<br /> ược định ng<br /> ngưưỡng<br /> ỡng tín hiệu kích thích vvàà đư ợc nối với<br /> được<br /> nguồn DC 0,04V. Khi có tín hiệu kích thích llàà xung đi<br /> nguồn điện<br /> ện 1 chiều có ccườngờng độ và và ttần<br /> ần số<br /> xác đđịnh<br /> ịnh th<br /> thìì các transitor đư<br /> đượcợc mở hoặc đóng nhanh hay chậm ttương<br /> ương ứng với các kênh kênh Na+<br /> +<br /> và K được<br /> được mở vvàà đóng nhanh ho hoặc<br /> ặc chậm. Điện áp đầu ra đđư ược<br /> ợc biểu diễn tr trên<br /> ên đđộộ lớn vvàà<br /> dạng<br /> ạng tín hiệu.<br /> <br /> <br /> Tạp<br /> ạp chí Nghi<br /> Nghiên<br /> ên cứu<br /> cứu KH&CN quân<br /> uân sự,<br /> sự, Số Đặc<br /> ặc san FEE,<br /> FEE, 08<br /> 0 - 2018<br /> 20 393<br />  Đo lường<br /> lường – Tin h<br /> học<br /> ọc<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4.. Mô hình điệnện tế bào<br /> bào thần<br /> thần kinh của Maeda vvà à Makino đư được<br /> ợc kích thích<br /> bằng<br /> ằng xung điện 1 chiều.<br /> Trong báo cáo này, nhóm nghiên ccứu ứu áp dụng lý thuyết, mô hhìnhình Maeda và Makino do:<br /> -MMô ô hình mạch<br /> mạch điện đđơn<br /> ơn giản<br /> giản nhưng<br /> nhưng có khả khả năng giải thích đđượcợc hoạt động điện thế<br /> màng ttếế bào;<br /> bào;<br /> -MMộtột số tham số của mạch nguynguyên<br /> ên lý đư<br /> được<br /> ợc thay đổi để ph<br /> phùù hhợp<br /> ợp với nghi<br /> nghiên<br /> ên ccứu;<br /> ứu;<br /> - Các phần<br /> phần tử transistor đóng vai tr tròò khóa đóng mở kênh ion Na+, K+ và các ion khác,<br /> mở kênh<br /> cũũng<br /> ng như khuếch<br /> khuếch đại tín hiệu điện;<br /> -SSửử dụng chuỗi xung với các tham số xác định kích thích vvào ào mạch<br /> mạch nguy ên lý và xác<br /> nguyên<br /> định<br /> ịnh đáp ứng của mạch. Xung để mở transistor có yyêu êu cầu:<br /> cầu: ssườn<br /> ờn dốc thẳng đứng đảm bảo<br /> yêu ccầu<br /> ầu transistor mở tức ththìì khi có xung điều<br /> điều khiển (t<br /> (thư<br /> hường<br /> ờng gặp llàà xung kim hohoặc<br /> ặc xung<br /> vuông); đđủ ủ độ rộng (độ rộng xung lớn hhơn ơn th<br /> thời<br /> ời gian mở của transistor); đủ công suất. Song<br /> trong kích thích điđiện<br /> ện vvào<br /> ào mô sinh hhọc<br /> ọc nói chung, tế bbàoào thần<br /> thần kinh nói ri<br /> riêng<br /> êng ccần<br /> ần giữ cho độ<br /> rộng<br /> ộng xung không đđư ược<br /> ợc quá lớn để giảm thiểu bất ất kỳ phản ứng điện hóa nnào ào xxảy<br /> ảy ra tr<br /> trên<br /> ên bbềề<br /> mặtặt điện cực.<br /> 3. K<br /> KẾT<br /> ẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO<br /> THẢO LUẬN<br /> Mô phỏng<br /> phỏng các tham số kích thích bằng phần mềm NI Multisim.<br /> Với<br /> ới mô hhình<br /> ình đi<br /> điện<br /> ện tế bbào<br /> ào thần<br /> thần kinh đư<br /> được<br /> ợc mô tả thể hiện tr<br /> trên<br /> ên hình 4,<br /> 4, các tác gi<br /> giảả đđãã kích<br /> thích bbằng<br /> ằng chuỗi xung kích thích kéo ddài ài 0,5s ggồm<br /> ồm các xung kích thích vuông cathode<br /> 0,3ms ((hình<br /> hình 5),<br /> 5), có tần<br /> tần số vvàà cường<br /> cường độ có th<br /> thểể ttùy<br /> ùy bi<br /> biến.<br /> ến.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5.. Dạng<br /> ạng xung kích thích 1 chiều với tham số xác định<br /> định..<br /> Qua các báo cáo đđãã đư ợc công bố tr<br /> được trưước<br /> ớc đây [1<br /> 1,12<br /> 12] cho thấy<br /> thấy đáp ứng xung kích thích<br /> của<br /> ủa tế bbào<br /> ào thần<br /> thần kinh tr<br /> trên<br /> ên chuột nhắt có ccư<br /> chuột ường<br /> ờng độ trong khoảng 10 - 120μA ((đáp<br /> đáp ứng tối ưu<br /> <br /> <br /> 394 T.. Q. Giáp, N. L. Chiến,<br /> Chiến, L. K. Biên<br /> Biên,, ““Xây<br /> Xây dựng<br /> ựng mạch điện tử … xung điện<br /> điện một chiều.”<br /> chiều.<br /> Nghiên ccứu<br /> ứu khoa học công nghệ<br /> khoảng 100 μA), ttần<br /> khoảng ần số trong khoảng 10 – 120Hz (đáp ứng tối ưu khoảng khoảng 100Hz). Đáp<br /> ứng của mạch điện đđược ợc khảo sát trong các điều kiệ<br /> kiện n cố<br /> cố định tần số xung kích thích ở mức<br /> 80Hz hoặc<br /> hoặc cường<br /> c ờng độ xung kích thích đđược<br /> ợc cố định ở mức 70 μA. C Các<br /> ác điều<br /> điều kiện này<br /> này đư<br /> được<br /> ợc<br /> đặt<br /> ặt ttương<br /> ương ứng với báo cáo của Nguyễn L Lêê Chi<br /> Chiến<br /> ến vvàà cs. [10]<br /> [ ] trong m<br /> một<br /> ột khảo sát tương ứng<br /> trên chu<br /> chuột<br /> ột nhắt.<br /> Chùm xung điện áp khi đáp ứng với xung kích thích có cường độ và tần số vượt<br /> ngưỡng kích thích (ở ở tần số 80Hz<br /> 80Hz và cường độ 70μ70μA)) được thể hiện trên hình 66.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6.. Dạng<br /> ạng điện áp đáp ứng của mô hhình ình khi kích thích vvượt<br /> ợt ngưỡng<br /> ng ỡng..<br /> 3.1 Đáp ứng khi cố định tần số tại 80Hz, biến đổi ccường<br /> 3.1. ờng độ ddòng<br /> òng điện<br /> ện<br /> Kếtết quả thể hiện tr<br /> trên<br /> ên hình 7 biểu<br /> biểu thị thay đổi của xung điện áp đáp ứng với kích thích<br /> bằng<br /> ằng xung điện 1 chiều khi giữ nguynguyên<br /> ên tần<br /> tần số tại 80Hz, thay đổi ccường<br /> ờng độ với bbư<br /> ướcớc 10<br /> 10μA.<br /> μA.<br /> Qua kkếtết quả này<br /> này cho ththấy<br /> ấy điện áp đáp ứng tăng llên ên tương ứng với ccườngờng độ kích thích.<br /> Tuy nhiên, ssựự biến<br /> ến thi<br /> thiên<br /> ên này là không tuy<br /> tuyến<br /> ến tính với khoảng “b“bùng<br /> ùng nổ”<br /> nổ” điện áp đáp ứng từ<br /> giá tr<br /> trị cư<br /> ường<br /> ờng độ vvào<br /> ào kho<br /> khoảng<br /> ảng 5-10μA.<br /> 5 10μA.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 77. SSự<br /> ự thay đổi điện áp theo ccường<br /> ờng độ kích thích tại tần số 80Hz<br /> 80Hz.<br /> Kết<br /> ết quả thể hiện tr<br /> trên<br /> ên hình 8 cho ththấy<br /> ấy đáp ứng điện áp tr trên<br /> ên cùng m một<br /> ột đơn<br /> đ ơn vvịị thời gian<br /> biểu<br /> ểu diễn mối quan hệ của ccư ường<br /> ờng độ kích thích ttương<br /> ương ứng 10 μA so vvới ới 20μA<br /> 20 μA ((hình<br /> hình 88.A);<br /> .A);<br /> 10μA vvớiới 100μA<br /> 100μA hình 88.B);<br /> .B); 110μA vvớiới 100<br /> 100μA<br /> μA (hình<br /> ( ình 8.C)<br /> 8.C) và 100<br /> 100μA<br /> μA với<br /> với 90μA<br /> 90 μA hình 88.D).<br /> .D).<br /> Qua kkết<br /> ết quả khảo sát cho thấy ccư ường<br /> ờng độ xung điện tr trong<br /> ong kho<br /> khoảngảng 100μA<br /> 100μA cho đáp ứng điện<br /> áp ra bùng nnổổ nhất biểu thị bằng số llượng<br /> ợng xung ở hhình<br /> ình 8C và đi điện<br /> ện áp ghi đo đđược<br /> ợc tại hình<br /> 7.. Đ<br /> Đối<br /> ối với ccường<br /> ờng độ lớn hhơn<br /> ơn 100μA th thì số<br /> ố xung nhỏ hhơn<br /> ơn (h<br /> (hình<br /> ình 8C) và điện<br /> điện áp đáp ứng lại<br /> bùng nnổổ không kiểm soát, giải thích nguy ccơ ơ đánh ththủng<br /> ủng các kkênh<br /> ênh dẫn<br /> dẫn điện trong tế bbào.<br /> ào.<br /> Bên ccạnh<br /> ạnh đó, kết quả thể hiện trtrên<br /> ên hình 7 và hình<br /> ình 8 còn cho th thấy<br /> ấy các đáp ứng điện áp biến<br /> đổi<br /> ổi chậm khi thay đổi ccườngờng độ kích thích vvàà đáp ứng lớn nhất ở khokhoảng<br /> ảng cư<br /> cường<br /> ờng độ 100100μA.<br /> μA.<br /> <br /> <br /> Tạp<br /> ạp chí Nghi<br /> Nghiên<br /> ên cứu<br /> cứu KH&CN quân<br /> uân sự,<br /> sự, Số Đặc<br /> ặc san FEE,<br /> FEE, 08<br /> 0 - 2018<br /> 20 395<br />  Đo lường<br /> lường – Tin h<br /> học<br /> ọc<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 8. Kích thích bbằng<br /> ằng xung điện 1chiều ở tần số tại 80Hz, ccư<br /> ường<br /> ờng độ thay đổi<br /> đổi.<br /> 3.2. Đáp ứng khi cố định ccường<br /> ờng độ, thay đổi tần số ddòng<br /> òng điđiện<br /> ện<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 99. Thay đđổi<br /> ổi điện áp theo tần số kích thích, giữ ccư<br /> ường<br /> ờng độ 80μA<br /> 80 μA.<br /> Kết<br /> ết quả tr<br /> trên<br /> ên hình 9 cho thấy<br /> thấy khi thay đổi giá trị tần số từ 0 – 110Hz, điện<br /> điện áp đáp ứng<br /> có xu hướng<br /> hướng tăng nhanh vvàà đạt<br /> đạt giá trị cực đại tại khoảng tần số 100Hz vvàà ththểể hhiện<br /> ện xu<br /> hướng giảm ở tần số lớn hhơn.<br /> hướng ơn.<br /> <br /> <br /> 396 T.. Q. Giáp, N. L. Chiến,<br /> Chiến, L. K. Biên<br /> Biên,, ““Xây<br /> Xây dựng<br /> ựng mạch điện tử … xung điện<br /> điện một chiều.”<br /> chiều.<br /> Nghiên ccứu<br /> ứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 10.. Kích thích bbằngằng xung điện 1 chiều ccường ờng độ tại 8080μA,<br /> μA, thay đổi<br /> đổi tần số số.<br /> Kếtết quả thể hiện tr trên<br /> ên hhình<br /> ình 10 cho ththấy<br /> ấy đáp ứng điện áp tr trên<br /> ên cùng mmộtột đơn<br /> đ ơn vvịị thời gian<br /> biểu<br /> ểu diễn mối quan hệ của tần số kích thích ttương ương ứng 0Hz không có đáp ứng xung điện<br /> áp so vvới<br /> ới 10Hz có đáp ứng chậm, không có đáp ứng xxung ung trong khokhoảng<br /> ảng thời gian từ 0 đến<br /> 0,5s ((hình<br /> hình 10.A);<br /> 10.A); tại<br /> tại 20Hz đáp ứng xung chậm hhơn ơn nhiều<br /> nhiều vvà sốố xung ít hhơn<br /> ơn so vvớiới 100Hz<br /> (hình<br /> hình 10.B);<br /> 10.B); ttại<br /> ại 90Hz đáp ứng xung chậm hhơn ơn và trong cùng kho khoảng<br /> ảng thời gian từ 0 đến<br /> 0,5s ssố<br /> ố lượng<br /> l ợng xung ít hhơn ơn so vvới<br /> ới 100Hz (hình<br /> (hình 10<br /> 10.C)<br /> .C) và 100Hz ssố ố xung “b<br /> “bùng<br /> ùng nnổ”<br /> ổ” nhiều so<br /> với<br /> ới 110Hz ((hình<br /> hình 10.D).<br /> .D). Đi ện áp ra bùng<br /> Điện bùng nnổổ nhất vvàà đáp ứng nhanh nhất ở khoảng tần số<br /> 100Hz bi biểu<br /> ểu thị bằng số llư ợng xung đáp ứng lớn nhất trong ccùng<br /> ượng ùng đơn vvịị thời gian vvàà điđiện<br /> ện<br /> áp hi<br /> hiển<br /> ển thị tr<br /> trên<br /> ên thi<br /> thiết<br /> ết bị ghi đo điện thế llàà llớn<br /> ớn nhất. Với các tần số nhỏ hhơn ơn ho<br /> hoặcặc lớn hhơn<br /> ơn<br /> 100Hz thì đáp ứng điện thế hoạt động chậm hơn (hay đđộ ộ trễ đáp ứng với các tần số đó lớn<br /> hơn), đi<br /> điện<br /> ện áp trung bbình<br /> ình hiển thị trên<br /> hiển trên thi<br /> thiết<br /> ết bị đo điện thế llàà nh<br /> nhỏỏ hhơn.<br /> ơn.<br /> 4. K<br /> KẾT<br /> ẾT LUẬN<br /> Trong bài báo này, chúng tôi quan tâm đđếnến khảo sát các tham số ccường ờng độ ddòng<br /> òng đi<br /> điện<br /> ện vvàà<br /> tần<br /> ần số kích thích của xung điện một chiề<br /> chiều<br /> u phù hhợp<br /> ợp và<br /> và ở giá trị nnào<br /> ào ccủa<br /> ủa cường<br /> c ờng độ và<br /> và ttần<br /> ần số<br /> của<br /> ủa xung điện kích thích llàà tối<br /> t ưu. Đó là cơ ssởở đề xuất xây dựng mô hhình ình và thu<br /> thuật<br /> ật toán<br /> kích thích xung đi<br /> điện<br /> ện một chiều với ccường<br /> ờng độ vvàà tần<br /> tần số tối ưu đối<br /> đối với tế bbào<br /> ào thần<br /> thần kinh đđư<br /> ược<br /> ợc<br /> thực<br /> ực nghiệm tr<br /> trên<br /> ên đ<br /> động<br /> ộng vật ttương<br /> ơng ứng với giá trị tham số ccường<br /> ờng độ vvàà tần<br /> tần số xung điện một<br /> chiều đđãã khảo<br /> chiều khảo sát trong mô phỏng sẽ đđượcợc các tác giả sớm công bố trong các nghi nghiên<br /> ên ccứu<br /> ứu<br /> tiếp<br /> ếp theo.<br /> TÀI LI<br /> LIỆU<br /> ỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Carlezon Jr WA & Chartoff EH. “Intracranial<br /> Intracranial self<br /> self-stimulation<br /> stimulation (ICSS) in rodents to<br /> study the neurobiology of motivation<br /> motivation”.. Nat. prot., 2 (11), 2987<br /> 2987-2995.<br /> 2995. 2007.<br /> [2]. Gulrajani RM<br /> RM,, Roberge FA PA “The<br /> FA, Mathieu PA. “The mode<br /> modelling<br /> lling of a burst generating<br /> burst-generating<br /> neuron with a field<br /> field-effect<br /> effect transistor analog<br /> analog”,, Biol Cybern. 25(4):227-<br /> 25(4):227 40. 1977.<br /> <br /> <br /> Tạp<br /> ạp chí Nghi<br /> Nghiên<br /> ên cứu<br /> cứu KH&CN quân<br /> uân sự,<br /> sự, Số Đặc<br /> ặc san FEE,<br /> FEE, 08<br /> 0 - 2018<br /> 20 397<br />  Đo lường – Tin học<br /> [3]. FitzHugh, R. “Impulses and physiological states in theoretical models of nerve<br /> membrane”. Biophys. J. 1, 445–466. 1961.<br /> [4]. Harmon L. D., “Problems in neural modeling”. In: Neural theory and modeling, edit.<br /> by R.F. REISS. Stanford: Stanford University Press 1964.<br /> [5]. Hodgkin AL, Huxley AF. “A quantitative description of membrane current and its<br /> application to conduction and excitation in nerve”. J Physiol 117: 500– 554.1952.<br /> [6]. Roy, Guy, “A simple electronic analog of the squid axon membrane”, IEEE Trans<br /> Biomed Eng. 19(1):60-3; 1972 Jan.<br /> [7]. Maeda, Y and Makino H, “A pulse-type hardware neuron model with beating,<br /> bursting excitation and plateau potential”, BioSystems 58 (2000) 93-100.<br /> [8]. Lewis E.R. “An Electronic Model of Neuroelectric Point Processes”, 1968.<br /> [9]. Wise RA. “Addictive drugs and brain stimulation reward”. Annu. Rev. Neurosci.<br /> 19: 319-40. 1996.<br /> [10]. Nunez PL & Srinivasan R. “Electric fields of the brain: the neurophysics of EEG”.<br /> 2nd ed. Oxford university press. The Oxford, USA. 1981.<br /> [11]. Bộ môn Sinh lý học, Học viện Quân y. “Những khái niệm cơ bản trong Sinh lý học”.<br /> Trong: Giáo trình Sinh lý học, tập I (Tái bản lần thứ nhất). NXB QĐND, Hà Nội,<br /> 2007, trang 31-34.<br /> [12]. Nguyễn Lê Chiến, Trần Hải Anh (2012) “Mô hình Gompertz’s và hành vi tự kích<br /> thích nội sọ”. Tạp chí Sinh lý học, 16(2).<br /> ABSTRACT<br /> BUILDING UP A CIRCUIT SIMULATION<br /> FOR NEURONAL RESPONSES TO DC PULSE<br /> To build up a circuit simulation for neuronal network, this study investigated<br /> responses of the circuit with changes in intensity and frequency of stimulation<br /> pulses. The circuit would have been accessed for the highest voltage responses as<br /> consequences of stimulation parameters changed. The results contributed to<br /> understanding of membrane electrical activities via membrane sodium and<br /> potassium channels.<br /> Keywords: Circuit simulation; Neuron; DC stimulation; Action potentials.<br /> <br /> Nhận bài ngày 01 tháng 7 năm 2018<br /> Hoàn thiện ngày 10 tháng 9 năm 2018<br /> Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 9 năm 2018<br /> <br /> Địa chỉ: 1Học viện Quân y;<br /> 2<br /> Viện Điện tử - Viện Khoa học và Công nghệ quân sự.<br /> *<br /> Email: tqgiaphvqy@gmail.com.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 398 T. Q. Giáp, N. L. Chiến, L. K. Biên, “Xây dựng mạch điện tử … xung đ