Προσομοίωση Δικτύου Βιολογικών Νευρώνων Με Χρήση Μοντέλων Izhikevich Οδηγούμενων Από Δυναμικά Τοπικού Πεδίου

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της νευρωνικής εκφορτιστικής δραστηριότητας των βασικών γαγγλίων κατά την εμφάνιση της νόσου Parkinson, με έμφαση στη συμπεριφορά του υποθαλαμικού πυρήνα (STN).Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκε η προσομοίωση δύο βιολογικών νευρωνικών δικτύων του STN με χρήση μοντέλων Izhikevich. Η υλοποίηση των δικτύων βασίστηκε σε προηγούμενη εργασία σύμφωνα με την οποία το μοντέλο Izhikevich, οδηγούμενο από σήματα δυναμικού τοπικού πεδίου (ΔΤΠ), προβλέπει την εκφορτιστική συμπεριφορά του νευρώνα του υποθαλαμικού πυρήνα. Το ΔΤΠ ελήφθη από μικροηλεκτροδιακές καταγραφές ασθενών με νόσο Parkinson κατά τη διαδικασία της θεραπευτικής νευροχειρουργικής επέμβασης εν τω βάθει εγκεφαλικής διέγερσης (DBS).Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης υποδεικνύουν ανάμεικτη εκφορτιστική συμπεριφορά για τους νευρώνες του παθολογικού STN αποτελούμενη από (i) πυροδότηση αιχμών στο συχνοτικό διάστημα 20 - 30 Hz και (ii) πυροδότηση κατά ριπές με διάρκεια 40 - 60 ms και μέσο ρυθμό 2 - 3 Hz. Η παραπάνω συμπεριφορά έρχεται σε συμφωνία με προηγούμενα κλινικά και ερευνητικά ευρήματα για τον παρκινσονικό υποθαλαμικό πυρήνα.Η in silico εφαρμογή του σήματος της εν τω βάθει διέγερσης στο δίκτυο Izhikevich που προσομοιώσαμε οδηγεί τους νευρώνες σε ταλαντωτική εκφόρτιση με σημαντικά μεγαλύτερη συχνότητα πυροδότησης αιχμών (~150 Hz). Η παραπάνω μεταβολή του εκφορτιστικού προτύπου βρίσκεται σε ακολουθία με σύγχρονα φυσιολογικά ευρήματα, σύμφωνα με τα οποία η DBS παλμοσειρά ρυθμίζει την παθολογική δραστηριότητα μέσω αντικατάστασης των χαμηλόσυχνων παθολογικών εκφορτίσεων από υψίσυχνα πρότυπα, επαναφέροντας κατ’ αυτόν τον τρόπο τη φυσιολογική λειτουργία των θαλαμο-φλοιϊκών κινητικών κυκλωμάτων.