Functional electrical stimulation of the central nervous system: analysis of the primarily excited structures

Eine verallgemeinerte Form der Aktivierungsfunktion zusammen mit einer genaueren Simulation der elektrischen Nervenzellmembrandynamik wird eingesetzt, um den von Neuroprothesen ausgelösten Erregungsmechanismus zu analysieren. Viele der präsentierten Resultate basieren auf einem zweistufigen Verfahren: (i) Berechnung des elektrischen Feldes mit Finiten Element-Methoden oder durch eine analytische Darstellung unter der Annahme eines unendlich großen homogenen Mediums und (ii) Antwort eines ausgewählten Neurons, das als Kompartmentmodell simuliert wird, wobei die Ionenkanaldynamik nach Modellen vom Hodgkin - Huxley Typ beschrieben wird. Ein Satz von 12 Regeln zur Nervenimpulsentstehung wird durch Analyse einiger Modellneurone hergeleitet, und zwar für Stimulationsbedingungen, die für Neuroprothesen relevant sind. Für ein Cochleaimplantat wird gezeigt, dass auch unter konstanten Stimulationsbedingungen der Ort der Aktionspotentialbildung innerhalb einer Nervenzelle leicht wechseln kann, was wegen der damit verbunden Laufzeitänderungen zur Störung des neuronalen Zeitmusters führt, sodass es damit zu einer Verschlechterung z. B. des Sprachverständnisses kommt. Der einzigartige minimale Myelinisierungsgrad in der Somaregion der bipolaren menschlichen Cochlearneurone bewirkt Feuerungscharakteristika, die bei Tierversuchen nicht beobachtet werden können. In Ganglionzellen der Retina können auch dentritische Aktionspotentiale ausgelöst werden. In bipolaren Zellen der Retina werden Neurotransmitterausschüttungen erwartet bevor durch die Elektrostimulation in Ganglionzellen eine Nervenaktivierung einsetzt. Eine neue Methode zur Fokalstimulation von Retinabereichen wird präsentiert. Außerdem wird gezeigt, dass im Menschen bei der üblichen epiduralen Stimulation des lumbalen Rückenmarks zuerst die dicksten sensiblen Fasern der dorsalen Bündel antworten und dadurch Muskelzuckungen ausgelöst werden.A generalized form of the activating function together with accurate modeling of the neural membrane dynamics are used to analyze the excitation mechanisms initiated by neural prostheses. Many of the presented results are based on a two step procedure: (i) calculation of the electric field with finite elements or analytically for an infinite homogeneous medium approach and (ii) simulation of a target neuron response with a compartment model where every 'active' compartment is simulated with ion channel gating mechanisms of the Hodgkin - Huxley type. A set of 12 spike initiation rules is deduced by analyzing several model neurons under stimulating conditions relevant for neural prostheses. Moreover, for a cochlear implant it is shown that spike initiation site can easily change within a single target neuron even under constant stimulation conditions and this way irregularities in the temporal pattern are expected which deteriorate, e.g., speech understanding. Poor myelinisation in the soma region that is unique for the bipolar human cochlear neurons causes firing characteristics differing from any animal recordings. Retinal ganglion cells also will generate propagating spikes within the dendritic tree. Bipolar cells in the retina are expected to respond with neurotransmitter release, before a spike is generated in the ganglion cell even when they are rather far away from the electrode. A new method for focal retina stimulation is presented. Furthermore, it is shown that epidural stimulation of the human lumbar spinal cord predominantly stimulates large sensory axons in the dorsal roots which induce muscle reflex responses.by Frank RattayZsfassung in dt. Sprachehttp://publik.tuwien.ac.at/files/pub-tm_4742.pdfWien, Med.Univ., Diss., 2005(VLID)171535