NÖRONAL KODLAMA & SPAYK ZAMANLAMASI

Nöronal Kodlama

İnsan beyni, karmaşık bir ağa bağlı on binden fazla, yoğun olarak paketlenmiş nöron içerir. Bir milisaniyede, her bir küçük kortekste binlerce spayk yayılır. Pulsların hem uzaysal hem de zamansal niteliklere sahip paterninde ihtiva edilen bilgi nedir? Bu bilgiyi iletmek için nöronların kullandığı kod nedir? Diğer nöronlar sinyali nasıl çözebilir? Dış gözlemciler olarak, kodu okuyabilir ve nöronal aktivite paterninin mesajını anlayabilir miyiz? Bu sorular, nörobilimin temel sorunları arasında yer alan nöronal kodlama problemine işaret etmektedir. Geleneksel olarak, bu sorulara kesin cevaplar bulunamamıştır. Önceden, hepsi olmasa bile, ilgili bilginin çoğunun, nöronun ortalama ateşleme hızında yer aldığı düşünülmüştür. Ateşleme hızı genellikle zamansal ortalama ile tanımlanır. Deneyleri gerçekleştirenler, örneğin T=100ms veya T=500ms gibi bir zaman aralığı seçerler ve bu zaman aralığındaki spaykları sayarlar. Genellikle Hz biriminde ifade edilen “ortalama ateşleme hızı”, zaman aralığının spayk sayısına [n(T)] bölünmesi ile elde edilir (Gerstner ve diğerleri, 2002).

spike.png

Figure 1. Uygulama öncesi ve sonrası örnek başına spayk hızı. Mavi barlar uygulama öncesi ,kırmızı barlar uygulama sonrası spayk hızını temsil eder. (Lakymchuk ve diğerleri, 2015).

Spayk Zamanlaması

Omurgalı korteksinde tek bir nöron genellikle on binden daha fazla postsinaptik nörona bağlanır. Aksonal dallarının çoğu, direkt nöron civarında son bulur, ancak akson beynin diğer bölgelerindeki nöronlara ulaşmak için birkaç santimetre boyunca uzayabilir (Caruso ve diğerleri, 2018).

NÖRONAL SİSTEM ESASLARI

neuronal.png

Figür 2. A. Ramon y Cajal'ın çizimindeki tek nöron. Dendrit, soma ve akson açıkça ayırt edilebilir. Ekli küçük çizim, nöronal eylem potansiyelinin bir örneğini gösterir (şematik). Eylem potansiyeli 1-2 ms süreli ve yaklaşık 100 mV genlikli kısa bir voltaj pulsudur. B. Presinaptik j nöronundan postsinaptik i nöronuna sinyal aktarımı. Sinaps, kesikli çizgili daire içinde gösterilmiştir. Sağ alt uçtaki nöron diğer nöronları indükler (şematik figür) (Caruso ve diğerleri, 2018)

Basit membran modeli ile tek nöronun membran potansiyel dinamiği.

membranemodel.png

Figür 3. Gelen birkaç spayktan sonra, membran potansiyeli eşiği aşar ve nöron bir postsinaptik spaykı ateşler. Daha iyi görülebilmesi için, spayk yaptıktan sonraki birim zamanda nöron potansiyeli iki kat artırılmıştır. Refrakter dönemde, nöron potansiyelini değiştirmez. Görünürlük için, nöron potansiyeli ofset +100 ile gösterilir (Lakymchuk et al, 2015).

CES’İN NÖROFİZYOLOJİK ETKİLERİ

Beyin Omurilik Sıvısı ve Plazma Nörokimyasalları

NeuroCes™ Kraniyal Elektroterapi Stimülatörü, özellikle depresyon ve anksiyete bozukluğu olmak üzere çeşitli psikiyatrik rahatsızlıklarda nörohormon ve nörotransmitterlerin değişimini indüklemektedir. Kraniyal Elektroterapi Stimülasyonu (CES), kandaki Beta-Endorfin ve Serotonin seviyelerini hemen yükseltir ve depresyon hastalarında 2 hafta boyunca Serotonin homeostazisi sağlanır (Shealy et al., 1989). 

 

Beş asemptomatik, normal denekte Kraniyal Elektroterapi Stimülasyonu (CES) öncesinde ve 20 dakikalık stimülasyon sonrasında ölçülen serotonin, beta-endorfin, melatonin, norepinefrin ve kolinesteraz nörokimyasallarının beyin omurilik sıvısındaki ve plazmadaki seviyeleri Shely tarafından rapor edildi. CES uygulamasından sonra plazmadaki serotonin, beta-endorfin ve melatonin seviyeleri önemli oranda yükselmişken, beyin omurilik sıvısındaki serotonin ve beta-endorfin seviyeleri daha büyük oranda yükselmiştir ve klinik olarak ilgilenilmesini sağlamıştır. CES uygulamasından sonra plazmadaki norepinefrin seviyesinde orta derecede artış görülmüştür. Hipotalamik modülasyon, CES'in bildirilen antidepresan etkisini açıklayabilir (Shealy, 1998). Şekil 4 ve Şekil 5, beş asemptomatik, normal denekte beyin omurilik sıvısında ve plazmada, nörokimyasal seviyelerindeki maksimum artışı göstermektedir.

 

Kraniyal Elektroterapi Stimülasyonu ile merkezi sinir sistemindeki serotonerjik nöronların stimülasyonu, doğrudan hipotalamusa etkileyerek hipotalamik hormonların salınımına neden olabilir (Liss S, Liss B, 1996).

Plazmadaki Nörokimyasalların Yüzdelik Değişimi

Plazma TR.png

Figure 4. Asemptomatik, normal deneklerde 20 dakikalık CES uygulaması sonrasında Plazmadaki nörokimyasalların yüzdelik değişimi (Shealy et al,1989).

Beyin Omurilik Sıvısındaki Nörokimyasalların Yüzdelik Değişimi

BOS TR.png

Figure 5. Asemptomatik, normal deneklerde 20 dakikalık CES uygulaması sonrasında Beyin Omurilik Sıvısındaki nörokimyasalların yüzdelik değişimi (Shealy et al,1989).

Kraniyal Elektroterapi Stimülasyonu sonrasında kan plazmasındaki serotonin, triptofan, kortizol ve ACTH seviyelerindeki fark Closson tarafından değerlendirilmiştir. Şekil 6'da listelenen ajanların her birinin serum konsantrasyonunun ölçümleri stimülasyondan önce ve 20 dakikalık bir tedavinin sonuçlanmasından 10 dakika sonra yapıldı (Closson, Win. J. 1988).

Şekil 6. 20 dakikalık CES Stimülasyonu sonrasında kan plazmasındaki biyokimyasallarının seviyelerindeki fark.

Potential and Current Density Distributions 

According to the study “Potential and Current Density Distributions of Cranial Electrotherapy Stimulation (CES) in a Four-Concentric-Spheres Model” conducted at the Biomedical Engineering Program of the University of Texas at Austin, based on the radial current density simulation, the maximum injected current density by the CES therapy, using a standard 1 mA stimulus, is about 5 µA/cm2 reaches the thalamic area at a radius of 13.30 mm of the model. This demonstrated that the CES electrical field as a facilitating stimulus could cause the release of neurotransmitters responsible for physiological effects (Ferdjallah et. al., 1996).

Concentric_TR .png

Figure 7. The four concentric spheres model of the human head representing the brain tissue, the cerebrospinal fluid, the skull, and the scalp.

Quantitative EEG and Low Resolution Tomography

The effects of cranial electrotherapy stimulation (CES) on human EEG and brain current density were evaluated by quantitative electroencephalography (qEEG) and low resolution brain electromagnetic tomography (LORETA) by Kennerly, 2006.

According to Kennerly’s study, changes in quantitative EEG and low resolution tomography following cranial electrotherapy stimulation, in 2006, the qEEG tests revealed that in 0.5 Hz frequency of CES there was a significant increase in alpha relative power (8 - 12 Hz) with concomitant decreases in delta (0 - 3.5 Hz) and beta relative power (12.5 - 30 Hz). The 0.5 Hz CES decreased a wide frequency range of delta activity. The changes found in qEEG relative power were consistent with the affective and cognitive effects of CES reported in the literature, such as increased relaxation and decreased anxiety.

Visual comparison of the relative power spectral display at baseline and after the stimulus revealed a consistent pattern of an increase in alpha activity with concomitant decreases in delta and beta activity (Figure 8.a and Figure 8.b). In some records a bimodal distribution appeared in the post CES spectral display that was not present in the baseline condition (Kennerly, 2006).

Relative power EEG spectra.png

Relative Pover (%)

Baseline Spectral EEG (0.5 Hz CES)

Frequench (Hz)

Figure 8.a. Relative power EEG spectra of a single individual before 0.5 Hz CES.

Relative power EEG spectra.png

Relative Pover (%)

Spectral EEG after 20 Minutes of 0.5 Hz CES

Frequench (Hz)

Figure 8.b. Relative power EEG spectra of a single individual after 0.5 Hz CES. There is an increase in alpha power with decreases in delta and beta Power. The bimodal distribution of the spectral EEG after CES is a response variant found in some individuals.

A Relative Power Topographical Map of activity shown in Figure 9 can represent the same information in a graphical manner that more clearly conveys the pattern of change by location (Kennerly, 2006):

FFT Relative Power Tomographical Map, 0.5 Hz CES

Relative Power Topographical Map.png

Figure 9. Relative power p-value topographical map for 0.5 Hz CES. Statistically significant changes (0.05 or better) after 0.5 Hz CES are indicated by color; white indicates no significant change. The arrows indicate the direction of change. Statistically significant decreases were seen in delta and beta with statistically significant increases in alpha.

Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI)

The immediate effects of CES stimulation on patterns of brain activity in the resting state, and on functional connectivity within intrinsic connectivity networks using functional neuroimaging simultaneously with cranial stimulation have been determined by Feusner et al, 2012.

CES causes cortical brain deactivation in midline prefrontal and parietal regions. CES thus appears to result in similar cortical deactivation patterns for different frequencies but is associated with stronger alterations in functional connectivity for higher frequency. Cortical deactivation patterns differ from those associated with current intensity, suggesting that cortical deactivation may depend more on frequency than intensity of stimulation (Feusner et al, 2012).

fMRI_for_Ces.jpg

Figure 10. Regions of decreased brain activity as a result of cranial electrotherapy stimulation (CES) for  0.5-Hz stimulation (blue), 100-Hz stimulation (yellow), and regions of overlap between the two frequencies (green).

NeuroCes™ stimulation may result in cortical deactivation, as well as altering brain connectivity in the default mode network (DMN) after 20 minutes of treatment.

References:

Gerstner et al, 2002. Spiking Neuron Models. Single Neurons, Populations, Plasticity. Cambridge University Press, 2002.

Lakymchuk et al, 2018. Simplified spiking neural network architecture and STDP learning algorithm applied to image Classification. EURASIP Journal on Image and Video Processing (2015) 2015:4 DOI 10.1186/s13640-015-0059-4.

 

Caruso et al, 2018. Single neurons may encode simultaneous stimuli by switching between activity patterns. Nature Communications | (2018) 9:2715 | DOI: 10.1038/s41467-018-05121-8.

 

Radman et al, 2007 Spike timing amplifies the effect of electric fields on neurons: implications for endogenous field-effects. Department of Biomedical Engineering, City College of the City University of New York, New York, NY 10031. The Journal of Neuroscience, in press, 2007.

 

Shealy et al,1989. Depression: A Diagnostic, Neurochemicals Profile & Therapy with Cranial Electrotherapy Stimulation (CES). The Journal of Neurological & Orthopaedic Medicine & Surgery, 1989.

 

Liss S, Liss B., 1996. Physiological and therapeutic effects of high frequency electrical pulses. Integr Physiol Behav Sci 1996;31:88–96.

Closson, Win. J. 1988. Changes in Blood Biochemical Levels following Treatment with TENS Devices of Differing Frequency Composition, private experiment partially funded by Pain Suppression Labs Inc.

Ferdjallah et. al, 1996. Potential and current density distributions of cranial electrotherapy stimulation (CES) in a four concentric-spheres model. IEEE Trans Biomed Eng 1996;43:939–43.

 

Kennerly, Richard C, 2006. Changes in quantitative EEG and low resolution tomography following cranial electrotherapy stimulation. August 2006, 425 pp., 81 tables, 233 figures, 171 references.

 

Feusner JD, et al.,2012,  Effects of Cranial Electrotherapy Stimulation on resting state brain activity. Brain Behav 2012;2(3):211–20.