اثر تحريك الكتريكي فراجمجمه‌اي جريان مستقيم بر روي فعاليت هاي قشرمغز: مدل محاسباتي نورون-آستروسيت

Effects of transcranial Direct Current Stimulation (tDCS) on cortical activity: Neuron-Astrocyte computational modeling study

تحريك الكتريكي جريان مستقيم فراجمجمه‌اي (tDCS) يك روش‌ غيرتهاجمي تحريك مغزي است كه نسبت به ساير تكنيك‌هاي تنظيم فعاليت عصبي، مقرون‌به‌صرفه و داراي كاركرد ساده اي است. با وجود اميد بخش بودن اين روش در درمان مشكلات و بيماري-هاي عصب شناختي و ارتقا عملكردهاي شناختي هنوز سازوكار دقيق نحوه اثرگذاري اين تحريك زير آستانه اي مشخص نشده است. شناخت اين سازوكار از اين لحاظ حائز اهميت است كه به طراحي پروتكل و سيستم مناسب جهت دستيابي به اثر مطلوب از تحريك الكتريكي مغز كمك مي‌نمايد. هدف اين مقاله، شناخت اين سازوكار با رويكرد مدلسازي نوروني است. از آنجا كه نتايج برخي از تحقيقات فيزيولوژيكي نشان داده‌اند كه در اثر tDCS، نوسانات ناگهاني كلسيم مربوط به سيگنالينگ كلسيم سلول آستروسيت در مغز بروز پيدا مي‌كند، در مدل پيشنهادي، اين سلول هم در كنار نورون‌هاي اصلي و نورون‌هاي مياني در نظر گرفته شده است. هدف اين مدل، شبيه‌سازي اثر tDCS بر روي فعاليت قشري مربوط به پتانسيل پاسخ برانگيخته (ERP) و مقايسه آن با نتايج واقعي در مطالعات آزمايشگاهي گذشته بر روي موش صحرايي است. نتايج نشان مي‌دهد كه اين مدل مي‌تواند تمام شواهد مطالعات آزمايشگاهي را شبيه‌سازي كند در صورتي كه مدل صرفا نوروني پيشنهاد شده در مطالعات گذشته نتوانست تمام شواهد را شبيه سازي نمايد.

Transcranial Direct Current Stimulation (tDCS) is a non-invasive brain stimulation technique that is affordable and easy to operate compared to other neuromodulation techniques. Despite this method is promising in treating neurological diseases and enhancing cognitive functions, the precise mechanism of the effect of this sub-threshold stimulation has not been understanded well. Understanding the mechanism is important in designing the proper protocol and system for the brain's electrical stimulation. The aim of this paper is to identify this mechanism with the neural modeling approach. As the results of some physiological studies have shown that under tDCS, sudden calcium signaling associated with calcium signaling of astrocyte cells in the brain are found, in the proposed model, this cell is considered as well as the main neurons and interneurons. The purpose of this model is to simulate the effect of tDCS on cortical activity related to the evoked response potential (ERP) and to compare with the actual results of previous experimental studies on rats. The results show that this model can simulate all the evidence of experimental studies. While the proposed purely neuronal model in previous studies could not simulate all the evidence.