視床大脳皮質ネットワークにおけるてんかん波形の電気刺激の制御解析

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J. Theor. Biol..2020 Jul;:110391. S0022-5193(20)30246-0. doi: 10.1016/j.jtbi.2020.110391.Epub 2020-07-05.

視床大脳皮質ネットワークにおけるてんかん波形の電気刺激の制御解析

Control analysis of electrical stimulation for epilepsy waveforms in a thalamocortical network.

Luyao Yan
Honghui Zhang
Zhongkui Sun
Zhuan Shen

PMID: 32640272 DOI: 10.1016/j.jtbi.2020.110391.

抄録

視床網状核(RE)が大脳皮質の様々な発火パターンの誘導に関与していることが、生理学的実験と計算モデルの両方で示されています。また、2-4Hzのスパイク波放電(SWD)振動を特徴とする欠神発作は、小児に多く見られる疾患である。これまでに多くの電気生理学的実験で欠神発作とREの相関関係が確認されているが、その動的メカニズムはよくわかっていない。本研究では、これまでのテイラーモデルに基づいて、まず、外部入力と自己抑制がてんかん移行に及ぼす影響を検討した。その結果、外部入力の増加とREの自己抑制がてんかん状態から正常状態へ、またその逆もてんかん状態から正常状態へと移行することを示した。次に、REに付加された2つの刺激戦略により、高飽和状態からクロニック状態への移行など、様々な移行挙動が誘導されることを明らかにした。一方、刺激の強さが大きくなると、SWDを抑制するだけでなく、トニック-クロニック振動を発生させることが可能となる。最後に、単一ニューロンクラスターと2つのニューロンクラスターに対するDBSの制御を比較したところ、REとTCを同時に刺激した方が、REとTCのどちらを刺激しても優れたモードであることがわかりました。本研究で得られた結果は、今後の臨床治療の参考になることが期待される。

Physiological experiments and computational models both show that the thalamic reticular nucleus (RE) participates in inducing various firing patterns of cortex. Absence seizure, featured by 2-4Hz spike-wave discharges (SWD) oscillation, is a high incidence of disease in children. Lots of electrophysiological experiments have verified the correlation between absence seizures and RE, however, the dynamical mechanisms are not well understood. Based on previous Taylor model, we firstly study the effects of external input and self-inhibition of RE on epilepsy transition. We show that increasing external input and self-inhibition of RE can lead the system from epileptic state to normal state, and vice versa. Next, we explore two stimulus strategies added in RE and various transition behaviors can be induced, such as high saturated state to clonic. Meanwhile, as the intensity of stimulation increasing, they can not only suppress the SWD, but also produce tonic-clonic oscillation. Finally, the control of DBS on single neuron cluster and two neuron clusters are compared and we find stimulating RE and TC simultaneously is a superior mode to stimulate anyone of RE or TC. It is hoped that the results we obtained will have an enlightenment on clinical treatment.