세포 메커니즘의 기본 상태 | 시안 저항기 주식회사

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 12131(2022) 이 기사 인용

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자기장을 이용한 신경조절을 위한 새로운 자극 프로토콜은 임상 및 실험실 환경에서 탐구됩니다. 최근 증거에 따르면 신경계의 활성화 상태는 자기 자극의 결과에 중요한 역할을 하지만 상태 의존성의 기본 세포 및 분자 메커니즘은 완전히 조사되지 않았습니다. 우리는 최근 고주파 자기 자극이 뉴런이 낮은 활성 상태에 있을 때 신경 활동을 억제할 수 있다고 보고했습니다. 본 논문에서는 새로운 마이크로 코일 기술을 사용하여 단일 뉴런에 자기장을 적용하여 상태 의존적 신경 변조를 조사합니다. 고주파 자기 자극은 상태 의존적 방식으로 단일 뉴런 활동을 억제했습니다. 동일한 자기 자극이 가해졌을 때 느린 발사 상태에서는 뉴런을 억제했지만 빠른 발사 상태에서는 뉴런을 보호했습니다. 다중 구획 NEURON 모델을 사용하여 우리는 전압 의존성 나트륨 및 칼륨 채널의 역학이 느린 발사 뉴런의 자기 자극에 의해 크게 변경되었지만 빠른 발사 뉴런에서는 변경되지 않음을 발견했습니다. 기본 실험실 연구 및 임상 실습에서 자기 자극의 결과를 최적화하려면 신경 활동의 가변성을 모니터링하고 탐색해야 합니다. 적절한 신경 상태와 일치하도록 선택적 자극을 프로그래밍할 수 있다면 이러한 개념을 기반으로 보철 임플란트와 뇌-기계 인터페이스를 설계하여 최적의 결과를 얻을 수 있습니다.

흥분성 생물학적 조직에 대한 자기 자극은 20세기 초 Jacques d'Arsonval(1896)과 Thompson(1910)이 인간의 시각 감각에 대한 연구를 통해 처음 보고했습니다. 자기장을 이용한 새로운 자극 프로토콜의 현대적인 개발은 간질과 같은 신경 질환의 효과적인 신경 조절 및 치료를 위해 임상 및 실험실 환경에서 탐구되었습니다1,2. 자기장을 이용한 신경 활동의 제어는 표적 뉴런3에 대한 자기 코일의 지속 시간, 빈도, 강도 및 방향과 같은 자극 매개변수에 크게 좌우됩니다. 임상 실습에서 이러한 각 매개변수는 경두개 자기 자극(TMS)4,5,6을 통해 최상의 결과를 얻을 수 있도록 신중하게 최적화되었습니다. 기본 실험실 연구에서 이러한 매개변수는 개별 뉴런의 자극7, 시냅스 전달의 교대8,9 및 이온 채널 역학의 변화10와 관련이 있습니다.

자기 자극을 정의하는 매개변수 외에도 신경 조직의 생물물리학적 특성도 자기 자극의 결과에 영향을 미칠 수 있다는 증거가 새로 등장했습니다. 조직의 이질성과 이방성은 뇌의 자기 유도 전기장과 전류 밀도 분포를 크게 변경합니다. 단일 세포 수준에서 서로 다른 클래스의 세포는 동일한 자기 자극에 다르게 반응합니다14. 자기 자극의 누적 효과는 표적 신경 회로의 구조, 형태 및 뉴런의 전기적 특성에 따라 달라집니다3.

최근 증거는 신경계의 흥분 상태가 자기 자극("상태 의존적"이라고 함)의 결과에 중요한 역할을 할 수 있음을 시사합니다. 예를 들어 자기 자극은 특정 신경 집단의 흥분성 수준에 따라 달라질 수 있는 다양한 지각 또는 행동 결과를 생성합니다. 순간적인 뇌 상태는 TMS16에 의한 효과적인 가소성 유도를 촉진하는 데 사용될 수 있는 것으로 밝혀졌습니다. TMS 이후 고양이 시각 피질의 세포외 스파이크와 국소 필드 전위에 대한 기록은 TMS에 대한 반응이 신경 활동 상태에 따라 달라진다는 것을 보여주었습니다. TMS 후 시각 피질의 전기 방전(스파이크 및 국소 필드 전위로 측정)의 존재는 기록된 영역의 TMS 이전 활동에 따라 달라집니다. 이러한 관찰은 자기장의 자극 효과가 개별 뉴런의 활성 상태에 따라 달라질 수 있음을 시사합니다. 그러나 이러한 가능성은 세포내 기술로 철저하게 연구된 적이 없으며, 이 현상의 근간이 되는 이온 채널 메커니즘은 거의 알려져 있지 않습니다.

3 Hz), the coil was incapable of inhibiting neural activity (Fig. 4a). In contrast, when the neuron's firing frequency was relatively low (1.5–3 Hz), coil stimulation could further decrease the intrinsic firing frequency (Fig. 4b). When the neuron fired at a lower frequency (< 1.5 Hz), the coil could reversibly and completely block neural activity (Fig. 4c)./p>

3 Hz), magnetic stimulation failed to completely block the neural activity (Fig. 5a). In contrast, when the cell was at a relatively low active state (< 1.5 Hz), all stimuli could completely block neuron activity (Fig. 5b). State-dependent magnetic inhibition was observed in all 5 motor neurons tested under this protocol, when spontaneous neural activity was present./p> 3 Hz). (b) Complete magnetic inhibition was observed for all stimulation frequencies when the neuron was at a low firing state (< 1.5 Hz)./p>

2 ms), the waveform for each of the pulses was identical, and was independent of stimulation frequency./p>