Xây dựng mạch điện tử mô phỏng đáp ứng của tế bào thần kinh với kích thích xung điện một chiều

Nghiên ccứu
ứu khoa học công nghệ

XÂY D
DỰNG
ỰNG MẠCH ĐIỆN TỬ MÔ PHỎNG ĐÁP ỨNG CỦA TẾ B
BÀO
ÀO
THẦN
THẦN KINH VỚI KÍCH THÍCH XUNG ĐIỆN MỘT CHIỀU
Tạạ Quốc Giáp1**, Nguy
Nguyễn
ễn L
Lêê Chiến
Chi 1, Lê K
Kỳỳ Bi
Biên
ên2
Tóm tắt:
tắt: Nghiên ccứu
ứu xây dựng mô hhình
ình mạch
mạch điện tử của tế bbào
ào thần
thần kinh, mô
phỏng
ph
ỏng hoạt động điện của tế bbào
ào th
thần
ần kinh thông qua việc thay đổi các tham số đầu

vào về
về cường
c ờng độ vvàà ttần
ần số xung kích thích. Qua đó, kiểm chứng giá trị điện áp đầu
ra ccủa
ủa mô hình
hình mô ph
phỏng
ỏng so với cách đáp ứng thực tế của tế bbào
ào thần
thần kinh. Việc
khảo sát sự tthay
khảo
hay đđổi
ổi ccư
ờng độ vvà
à tần
tần số kích thích xung điện một chiều vvàà đánh giá
ường
định
ịnh lượng
l ợng tại giá trị nnào
ào của
của tham số kích thích cho ra điện thế đáp ứng llàà llớn
ớn nhất
nhất thông qua mô hhình
nhất
ình mạch
mạch điện tử của tế bbào
ào đã

đã xây ddựng.
ựng. Kết quả của nghi
nghiên
ên
cứu
ứu nnày
ày góp ph
phần
ần hiểu biết
ơn vvềề ccơ
ơ chế
chế hoạt động điện của m
màng
àng ttếế bbào
ào
biết sâu hhơn
thông qua ho
hoạt
ạt động của các kkênh
ênh ion trên màng như Na+, K+ và các ion khác.
Từ
ừ khóa: Mô hình mạch
mạch điện tử
thần kinh;
kinh; Kích thích xung đi
điện
ện một chiều
chiều; Điện
ện thế
thế hoạt động.

tử; Tếế bào thần

1. M
MỞ
Ở ĐẦU
10

11

Não ngư
người
ời có 10 -10
10 tếế bào
thần kinh (c
(còn
òn gọi
gọi là
là các nơron) liên kkết
ết chặt chẽ với
bào thần
nhau qua m
mạng
ạng lư
lưới
ới sợi trục vvàà đuôi gai. B
Bản
ản thân các nnơron
ơron lại
lại đđư
ược

ợc đệm đỡ vvàà bổ
bổ trợ bởi
các ttếế bbào
ào thần
thần kinh đệm. Một nnơron
ơron có th
thểể nhận tín hiệu từ 103-10
105 các nơron khác [[[10]].
Kích thích dòng đi
điện
ện một chiều có vai tr
trò
ò quan tr
trọng
ọng trong y sinh, nh
như
ư ứng dụng trong
khử rung tim, trong phục hồi chức năng vvàà gi
khử
giảm
ảm đau trong vvật
ật lý trị liệu… Đặc biệt, trong
nghiên ccứu
ứu hành
hành vi đđộng
ộng vật m
màà đáng quan tâm hơn ccảả là
là kích thích đi
điện
ện nội sọ do những

ứng dụng m
màà nó có th
thểể mang lại.
Kích thích lên ttếế bbào
ào ssống
ống với một xung điện đủ lớn sẽ gây ra đáp ứng llàm
àm thay đđổi
ổi
điện
ện thế m
màng.
àng. Khi th
tham
am ssố
ố kích thích tới một ng
ngư
ưỡng
ỡng nhất định sẽ llàm
àm phát sinh đi
điện
ện thế
hoạt động của tế bbào.
hoạt
ào. Sau đáp ứng này,
này, đi
điện
ện thế m
màng
àng sẽ
sẽ dần trở về giá trị điện thế nghỉ

ban đđầu
ầu của nó. Nếu xung kích thích không đủ lớn th
thì tếế bào
bào ssẽẽ không đđược
ợc kích hoạt. Sự
đáp ứng của màng cho lo
ại kích thích nnày
ày mang tính bbịị động. Nếu xung kích thích đủ
loại
mạnh,
ạnh, điện thế m
màng
àng đđạt
ạt tới ng
ngư
ưỡng
ỡng v
vàà màng ttạo
ạo ra một xung điện đặc tr
trưng
ưng là xung th
thần
ần
kinh ((hình
ình 1).

Hình 1.. Thay đổi
đổi điện thế m
àng tế
tế bào

bào (B) dư
dưới
ới tác dụng các loại xung kích thíc
h (C) gây
màng
thích
ức chế (1) vvà
à gây hưng ph
ấn (2, 3, 4). Xung (2) ch
chưa
ưa đạt
đạt ng
ngưỡng
ỡng kích thích nnên
ên ch
chỉỉ gây ra
phấn
đư
được
ợc một đáp ứng bị động. Xung (3) chạm ng
ngư
ưỡng
ỡng kích thích có thể gây ra đđư
ợc điện thế
ược
đáp ứng (3b). Xung (4) vvượt
ợt quá ng
ngư
ưỡng,
ỡng, điện thế đáp ứng luôn xuất hiệ

n.
hiện

Tạp
ạp chí Nghi
Nghiên
ên cứu
cứu KH&CN quân
uân sự,
sự, Số Đặc
ặc san FEE,
FEE, 08
0 - 2018
20

391


Đo lường
lường – Tin h
học
ọc

Điện thế màng
Điện
màng của
của một tế bbào
ào đư
được
ợc định nghĩa llàà chênh llệch

ệch điện thế giữa mặt trong vvàà
mặt
ặt ngoài
ngoài màng mà nguyên do là do ssự
ự ch
chênh
ênh lệch
lệch giữa các ion hai bbên
ên màng ttếế bào.
Trịị
bào. Tr
số
ố điện thế m
màng
àng trong tr
trạng
ạng thái yyên
ên ngh
nghỉỉ (c
(còn
òn gọi
gọi là
là trạng
trạng thái phân cực - pola
polarization)
rization)
Ek do ion K+ quy
quyết
ết định đđược
ợc tính theo ph

phương
ương tr
trình
ình Nernst và thường
th ờng dao động trong
khoảng -70
khoảng
-70 mV đến
đến -90
90 mV [[[11]
[11]].
].
( )
.
=
ln
( )
.
Khi tế
tế bào
bào hưng ph
phấn,
ấn, điện thế m
màng
àng bbịị thay đổi do thay đổi tính thấm của m
màng
àng vvới
ới
+
+

+
ion Na . Kênh Na đư
được
ợc mở ra, các ion Na ở mặt ngoài
ngoài màng ùa vào trong ttếế bbào
ào làm tái
phân bbố
ố các ion hai bbên
ên màng: ssố
ố lượng
l ợng các ion mang điện tích ddương
ương ở mặt trong m
màng
àng
nhiều hhơn
nhiều
ơn so với
với ở mặt ngo
ài màng. Lúc này, màng bbịị đổi cực từ trạng thái phân cực sang
ngoài
trạng
ạng thái khử cực vvàà xu
xuất
ất hiện điện thế hhưng
ưng phấn
phấn hay điện thế hoạt độn
động.
g. Điện
Điện thế nnày
ày ssẽẽ

theo ssợi
ợi trục lan truyền tới các tế bbào
ào khác. Trị
Trị số điện thế hoạt động có thể đạt tới 120
mV nhưng vvì ở xuất phát điểm điện thế m
màng
àng đđãã có trị
trị số llàà -90
90 mV nên đi
điện
ện thế trên
trên th
thực
ực
tếế đạt khoảng +30mV.
ạ độộ

=

.
.

(

ln (

)
)

Sau khi hưng ph

phấn,
ấn, m
màng
àng tế
tế bào
bào dần
dần trở về trạng thái ban đầu, nghĩa llàà diễn
diễn ra quá tr
trình
ình
tái ccực
ực màng
màng nhờ
nhờ hoạt động của bbơm
ơm Na+/K+ trên màng ttếế bbào,
ào, làm tái llập
ập trạng thái cân
bằng
ằng điện tích hai bbên
ên màng ttếế bào
bào như trư
trước
ớc lúc hhưng
ưng phấn
phấn [[2]
[[2]].
]. Giai đo
đoạn
ạn nnày
ày đư

được
ợc gọi
là giai đoạn
đoạn tái cực (depolarization).

Hình 2.
2 Đáp ứng của m
màng
àng tế
tế bào
bào đối
đối với các kích thích có ccường
ờng độ thay đổi (B) theo
đường
đư
ờng cong ccư
ường
ờng độ - thời
ời gian. Mức ccư
ường
ờng độ kích thích nhỏ nhất gây ra đđư
ợc đáp ứng
được
đư
được
ợc gọi llà
à ngưỡng
ngưỡng ccơ
ơ ssở
ở (Rheobase). Thời gian cực tiểu cần thiết cho 1 xung kích thích

có cư
cường
ờng độ gấp đôi ng
ưỡng
ỡng cơ
c sở
ở để khởi động quá tr
trình
ình kh
khử
ử cực gọi llàà th
ời trị
ngư
thời
(Chronaxy)
(Chronaxy).
Những hiểu biết về phản ứng điện của các tế bbào
Những
ào có thể
thể kích thích đđư
ược
ợc và
và các phương
pháp mô ttảả gắn với các khái niệm về mạch điện tử vvàà với
với các công thức biểu diễn các ph
phản
ản
ứng của chúng. Từ các luận điểm nnày,
ày, chúng ta có th
thểể tiến hhành

ành các phương pháp nh
nhận
ận
biết
ết các mạch điện tử ttương
ương đương vvềề mặt vật lý cho các tế bbào
ào có khả
khả năng kích thích.

392

T.. Q. Giáp, N. L. Chiến,
Chiến, L. K. Biên
Biên,, ““Xây
Xây dựng
ựng mạch điện tử … xung điện
điện một chiều.”
chiều.


Nghiên ccứu
ứu khoa học công nghệ

Hình 33. Mô hình điện
điện tế bbào
ào th
thần
ần kinh của Hodgkin và Huxley
và lý thuy
thuyết

ết điện
ện thế hoạt động.
Đãã có nhiều
nhiều nghi
nghiên
ên ccứu,
ứu, đề xuất mô hhình
ình hóa màng ttếế bbào
ào tương ttự
ự như
như một
một mạch điện
tử
ử nh
như
ư mô hình
hình đi
điện
ện tế bbào
ủa Hodgkin và Huxley [[[[5]]. Đây ccũng
ũng là
là mô hình ccơ
ơ bbản
ản để
ào ccủa
các nghiên ccứu
ứu kế tiếp phát triển vvàà đề
đề xuất các mô hhình
ình đi
điện

ện nnơron:
ơron: mô hình điện
ơron
điện nnơron
của
ủa Lewis [[[8]], mô hì
hình
nh đi
ện nơron
ủa Harmon [[[4]], mô hình đi
điện
ện nơron
nơron ccủa
ủa Roy [[[[6]]
điện
nơron ccủa
và mô hình điện
điện nơron
nơron ccủa
ủa Maeda vvàà Makino [[[[7]]. Trong đó, mô hhình
ình của
của Maeda vvàà
Maki
Makino
no mang nhi
nhiều
ều ưu đi
điểm
ểm do mô phỏng đđư
ược

ợc điện thế mạng neuron theo thời gian thực,
dễễ ddàng
àng thay đđổi
ổi các tham số của mạch điện vvàà có thể
thể xây dựng đđược
ợc mô hình
hình toán hhọc
ọc từ
mạch
ạch nnày.
ày. Xuất
Xuất phát từ những vấn đề tr
trên,
ên, nghiên ccứu
ứu được
đ ợc tiến hhành
ành với
với mục đích xây
dựn
ựngg m
mạch
ạch điện mô phỏng hoạt động điện của m
màng
àng tế
tế bào
bào th
thần
ần kinh ứng với kích thích
xung đi
điện

ện một chiều
chiều, từ
ừ đó giải thích các ccơ
ơ ch
chếế tạo ra điện thế hoạt động của tế bbào
ào th
thần
ần
kinh và đáp ứng kích thích của tế bbào
ào th
thần
ần kinh với xung điện một chiều. L
Làà cơ ssở
ở để đánh
giá đáp ứng hành
hành vi trên đđộng
ộng vật thực nghiệm đối với tín hiệu kích thích xung điện một
chiều đđãã được
chiều
được mô phỏng.
2. MÔ PH
ỎNG CÁC THAM SỐ KÍCH THÍCH TR
TRÊN
ÊN
PHỎNG
MÔ HÌNH MAEDA VÀ MAKINO B
BẰNG
ẰNG PHẦN MỀM NI MULTISIM
Maeda và Makino ch
chỉỉ ra phương

phương th
thức
ức mô hhình
ình hóa một
một nnơron
ơron ssử
ử dụng 3 bóng bán dẫn
cho m
một
ột tế bào
bào th
thần
ần kinh FitzHugh
FitzHugh--Nagumo
Nagumo (FHN) [[[[3]] (đư
(được
ợc đđơn
ơn giản
giản hóa từ công thức
+
Hodgkin-Huxley).
Hodgkin Huxley). FitzHugh
Nagumo đềề xuất thay thế ddòng
òng Na nhanh ccủa
ủa mô hhình
ình
FitzHugh--Nagumo
Hodgkin-Huxley
Hodgkin Huxley vvới
ới quá tr

ình khử
khử cực nhanh, khử cực, kích hoạt vvàà thay th
trình
ình
trình
thếế quá tr
khử hoạt động Na+ ch
khử
chậm
ậm vvàà làm chậm,
chậm, tái phân cực, K+ bằng
ằng một quá tr
trình
ình kh
ử hoạt tính
khử
chậm đđơn
chậm
ơn thuần.
thuần. Bằng cách th
thêm
êm một
một quá ttrình
rình tái phân ccực
ực hhơn,
ơn, được
được mô hhình
ình hoá bbởi
ởi
hai bóng bán ddẫn,

ẫn, chúng có thể tạo ra một nnơron
ơron điện
điện với đáp ứng “b
“bùng
ùng nổ”.
nổ”.
Trong mạch
mạch điện tr
trên
ên hình 4 gồm
ồm 2 th
thành
ành phần
phần dao động ccơ
ơ bbản,
ản, kênh
kênh Na + được
được mô
hình hóa bbởi
ởi 02 transitor (Q1 – transitor ngư
ngược,
ợc, Q2 – transitor thu
thuận)
ận) mắc kiểu Dalington
có nhi
nhiệm
ệm vụ khuếch đại tín hiệu kkênh
ênh Na+ đư
được
ợc nối với nguồn DC 5V; kkênh

ênh K+ đư
được
ợc mô
hình hóa bbởi
ởi transitor ng
ngư
ợc Q3 xác định
định ng
ngư
ưỡng
ỡng tín hiệu kích thích vvàà đư
ợc nối với
ược
được
nguồn DC 0,04V. Khi có tín hiệu kích thích llàà xung đi
nguồn
điện
ện 1 chiều có ccường
ờng độ và
và ttần
ần số
xác đđịnh
ịnh th
thìì các transitor đư
ợc mở hoặc đóng nhanh hay chậm ttương
ương ứng với các kênh
kênh Na+
được
+
và K được

được mở vvàà đóng nhanh ho
hoặc
ặc chậm. Điện áp đầu ra đđư
ược
ợc biểu diễn tr
trên
ên đđộộ lớn vvàà
dạng
ạng tín hiệu.

Tạp
ạp chí Nghi
Nghiên
ên cứu
cứu KH&CN quân
uân sự,
sự, Số Đặc
ặc san FEE,
FEE, 08
0 - 2018
20

393


Đo lường
lường – Tin h
học
ọc

Hình 4.. Mô hình điện
ện tế bào
bào thần
thần kinh của Maeda vvà
à Makino đư
được
ợc kích thích
bằng
ằng xung điện 1 chiều.
Trong báo cáo này, nhóm nghiên ccứu
ứu áp dụng lý thuyết, mô hhình
ình Maeda và Makino do:
-M
Mô
ô hình mạch
mạch điện đđơn
ơn giản
nhưng có khả
khả năng giải thích đđược
ợc hoạt động điện thế
giản nhưng
màng ttếế bào;
bào;
-M
Một
ột số tham số của mạch nguy
nguyên
ên lý đư
được
ợc thay đổi để ph

phùù hhợp
ợp với nghi
nghiên
ứu;
ên ccứu;
- Các phần
phần tử transistor đóng vai tr
tròò khóa đóng mở
mở kênh
kênh ion Na+, K+ và các ion khác,
cũũng
ng như khuếch
khuếch đại tín hiệu điện;
-S
Sử
ử dụng chuỗi xung với các tham số xác định kích thích vvào
ào mạch
mạch nguy
ên lý và xác
nguyên
định
ịnh đáp ứng của mạch. Xung để mở transistor có yyêu
êu cầu:
cầu: ssườn
ờn dốc thẳng đứng đảm bảo
yêu ccầu
ầu transistor mở tức th
điều khiển (t
(thư
hường

ờng gặp llàà xung kim ho
hoặc
ặc xung
thìì khi có xung điều
vuông); đđủ
ủ độ rộng (độ rộng xung lớn hhơn
ơn th
thời
ời gian mở của transistor); đủ công suất. Song
trong kích thích đi
điện
ện vvào
ào mô sinh hhọc
ọc nói chung, tế bbào
ào thần
thần kinh nói ri
riêng
êng ccần
ần giữ cho độ
rộng
ộng xung không đđư
ược
ợc quá lớn để giảm thiểu bất
ất kỳ phản ứng điện hóa nnào
ào xxảy
ảy ra tr
trên
ên bbềề
mặt
ặt điện cực.

3. K
KẾT
ẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO
THẢO LUẬN
Mô phỏng
phỏng các tham số kích thích bằng phần mềm NI Multisim.
Với
ới mô hhình
ình đi
điện
ện tế bbào
ào thần
thần kinh đư
được
ợc mô tả thể hiện tr
trên
ên hình 4,
4, các tác gi
giảả đđãã kích
thích bbằng
ằng chuỗi xung kích thích kéo ddài
ài 0,5s ggồm
ồm các xung kích thích vuông cathode
0,3ms ((hình
hình 5),
5), có tần
tần số vvàà cường
thểể ttùy
ùy bi
biến.

ến.
cường độ có th

Hình 5.. Dạng
ạng xung kích thích 1 chiều với tham số xác định
định..
Qua các báo cáo đđãã đư
ợc công bố tr
trư
ước
ớc đây [1
1,12
12] cho thấy
thấy đáp ứng xung kích thích
được
của
ủa tế bbào
ào thần
thần kinh tr
trên
ên chu
ột nhắt có ccư
ường
ờng độ trong khoảng 10 - 120μA ((đáp
chuột
đáp ứng tối ưu

394

T.. Q. Giáp, N. L. Chiến,

Chiến, L. K. Biên
Biên,, ““Xây
Xây dựng
ựng mạch điện tử … xung điện
điện một chiều.”
chiều.


Nghiên ccứu
ứu khoa học công nghệ

khoảng 100 μA), ttần
khoảng
ần số trong khoảng 10 – 120Hz (đáp ứng tối ưu khoảng
khoảng 100Hz). Đáp
ứng của mạch điện đđược
ợc khảo sát trong các điều kiệ
kiện
n cố
cố định tần số xung kích thích ở mức
80Hz hoặc
hoặc cường
c ờng độ xung kích thích đđược
ợc cố định ở mức 70 μA. C
Các
ác điều
điều kiện này
này đư
được
ợc

đặt
ặt ttương
ương ứng với báo cáo của Nguyễn L
Lêê Chi
Chiến
ến vvàà cs. [10]
[ ] trong m
một
ột khảo sát tương ứng
trên chu
chuột
ột nhắt.
Chùm xung điện áp khi đáp ứng với xung kích thích có cường độ và tần số vượt
ngưỡng kích thích (ở
ở tần số 80Hz
70μA)) được thể hiện trên hình 66.
80Hz và cường độ 70μ

Hình 6.. Dạng
ạng điện áp đáp ứng của mô hhình
ình khi kích thích vvượt
ợt ngưỡng
ng ỡng..
3.1 Đáp ứng khi cố định tần số tại 80Hz, biến đổi ccường
3.1.
ờng độ d
dòng
òng điện
ện
Kết

ết quả thể hiện tr
trên
ên hình 7 biểu
biểu thị thay đổi của xung điện áp đáp ứng với kích thích
bằng
ằng xung điện 1 chiều khi giữ nguy
nguyên
ên tần
tần số tại 80Hz, thay đổi ccường
ờng độ với bbư
ước
ớc 10
10μA.
μA.
Qua kkết
ết quả này
này cho th
thấy
ấy điện áp đáp ứng tăng llên
ên tương ứng với ccường
ờng độ kích thích.
Tuy nhiên, ssự
ự biến
ến thi
thiên
ên này là không tuy
tuyến
ến tính với khoảng “b
“bùng
ùng nổ”

nổ” điện áp đáp ứng từ
giá tr
trị cư
ường
ờng độ vvào
ào kho
khoảng
ảng 5-10μA.
5 10μA.

Hình 7
7. SSự
ự thay đổi điện áp theo ccường
ờng độ kích thích tại tần số 80Hz
80Hz.
Kết
ết quả thể hiện tr
trên
ên hình 8 cho th
thấy
ấy đáp ứng điện áp tr
trên
ên cùng m
một
ột đơn
đ ơn vvịị thời gian
biểu
ểu diễn mối quan hệ của ccư
ường
ờng độ kích thích ttương

ương ứng 10 μA so vvới
ới 20μA
20 μA ((hình
hình 88.A);
.A);
10μA vvới
ới 100μA
100μA hình 88.B);
.B); 110μA vvới
ới 100
100μA
μA (hình
( ình 8.C)
8.C) và 100
100μA
μA với
với 90μA
90 μA hình 88.D).
.D).
Qua kkết
ết quả khảo sát cho thấy ccư
ường
ờng độ xung điện tr
trong
ong kho
khoảng
ảng 100μA
100μA cho đáp ứng điện
áp ra bùng nnổ
ổ nhất biểu thị bằng số llượng

ợng xung ở hhình
ình 8C và đi
điện
ện áp ghi đo đđược
ợc tại hình
7.. Đ
Đối
ối với ccường
ờng độ lớn hhơn
thì số
ố xung nhỏ hhơn
ơn (h
(hình
ình 8C) và điện
điện áp đáp ứng lại
ơn 100μA th
bùng nnổ
ổ không kiểm soát, giải thích nguy ccơ
ơ đánh th
thủng
ủng các kkênh
ênh dẫn
dẫn điện trong tế bbào.
ào.
Bên ccạnh
ạnh đó, kết quả thể hiện tr
trên
ên hình 7 và hình
ình 8 còn cho th
thấy

ấy các đáp ứng điện áp biến
đổi
ổi chậm khi thay đổi ccường
ờng độ kích thích vvàà đáp ứng lớn nhất ở kho
khoảng
ảng cư
cường
ờng độ 100
100μA.
μA.

Tạp
ạp chí Nghi
Nghiên
ên cứu
cứu KH&CN quân
uân sự,
sự, Số Đặc
ặc san FEE,
FEE, 08
0 - 2018
20

395


Đo lường
lường – Tin h
học
ọc

Hình 8. Kích thích bbằng
ằng xung điện 1chiều ở tần số tại 80Hz, ccư
ường
ờng độ thay đổi
đổi.
3.2. Đáp ứng khi cố định ccường
ờng độ, thay đổi tần số d
dòng
òng đi
điện
ện

Hình 99. Thay đđổi
ổi điện áp theo tần số kích thích, giữ ccư
ường
ờng độ 80μA
80 μA.
Kết
ết quả tr
trên
ên hình 9 cho thấy
thấy khi thay đổi giá trị tần số từ 0 – 110Hz, điện
điện áp đáp ứng
có xu hướng
hướng tăng nhanh vvàà đạt
ện xu
đạt giá trị cực đại tại khoảng tần số 100Hz vvàà th
thểể hhiện
hướng giảm ở tần số lớn hhơn.

hướng
ơn.

396

T.. Q. Giáp, N. L. Chiến,
Chiến, L. K. Biên
Biên,, ““Xây
Xây dựng
ựng mạch điện tử … xung điện
điện một chiều.”
chiều.


Nghiên ccứu
ứu khoa học công nghệ

Hình 10.. Kích thích bbằng
ằng xung điện 1 chiều ccường
ờng độ tại 80
80μA,
μA, thay đổi
đổi tần số
số.
Kết
ết quả thể hiện tr
trên
ên hhình
ình 10 cho th
thấy

ấy đáp ứng điện áp tr
trên
ên cùng m
một
ột đơn
đ ơn vvịị thời gian
biểu
ểu diễn mối quan hệ của tần số kích thích ttương
ương ứng 0Hz không có đáp ứng xung điện
áp so vvới
ới 10Hz có đáp ứng chậm, không có đáp ứng xxung
ung trong kho
khoảng
ảng thời gian từ 0 đến
0,5s ((hình
hình 10.A);
10.A); tại
tại 20Hz đáp ứng xung chậm hhơn
ơn nhiều
nhiều vvà số
ố xung ít hhơn
ơn so vvới
ới 100Hz
(hình
hình 10.B);
10.B); ttại
ại 90Hz đáp ứng xung chậm hhơn
ơn và trong cùng kho
khoảng
ảng thời gian từ 0 đến

0,5s ssố
ố lượng
l ợng xung ít hhơn
ơn so vvới
ới 100Hz (hình
(hình 10
10.C)
.C) và 100Hz ssố
ố xung “b
“bùng
ùng nnổ”
ổ” nhiều so
với
ới 110Hz ((hình
hình 10.D).
.D). Đi
ện áp ra bùng
bùng nnổ
ổ nhất vvàà đáp ứng nhanh nhất ở khoảng tần số
Điện
100Hz bi
biểu
ểu thị bằng số llư
ợng xung đáp ứng lớn nhất trong ccùng
ùng đơn vvịị thời gian vvàà đi
điện
ện
ượng
áp hi
hiển

ển thị tr
trên
ên thi
thiết
ết bị ghi đo điện thế llàà llớn
ớn nhất. Với các tần số nhỏ hhơn
ơn ho
ặc lớn hhơn
ơn
hoặc
100Hz thì đáp ứng điện thế hoạt động chậm hơn (hay đđộ
ộ trễ đáp ứng với các tần số đó lớn
hơn), đi
điện
ện áp trung bbình
ình hi
ển thị trên
trên thi
thiết
ết bị đo điện thế llàà nh
nhỏỏ hhơn.
ơn.
hiển
4. K
KẾT
ẾT LUẬN
Trong bài báo này, chúng tôi quan tâm đđến
ến khảo sát các tham số ccường
ờng độ ddòng
òng đi

điện
ện vvàà
tần
ần số kích thích của xung điện một chiề
chiều
u phù hhợp
ợp và
và ở giá trị nnào
ào ccủa
ủa cường
c ờng độ và
và ttần
ần số
của
ủa xung điện kích thích llàà tối
ở đề xuất xây dựng mô hhình
ình và thu
thuật
ật toán
t ưu. Đó là cơ ssở
kích thích xung đi
điện
ện một chiều với ccường
ờng độ vvàà tần
tần số tối ưu đối
đối với tế bbào
ào thần
thần kinh đđư
ược
ợc

thực
ực nghiệm tr
trên
ên đ
động
ộng vật ttương
ơng ứng với giá trị tham số ccường
ờng độ vvàà tần
tần số xung điện một
chiều đđãã khảo
chiều
khảo sát trong mô phỏng sẽ đđược
ợc các tác giả sớm công bố trong các nghi
nghiên
ên ccứu
ứu
tiếp
ếp theo.
TÀI LI
LIỆU
ỆU THAM KHẢO
[1]. Carlezon Jr WA & Chartoff EH. “Intracranial
Intracranial self
self-stimulation
stimulation (ICSS) in rodents to
study the neurobiology of motivation
motivation”.. Nat. prot., 2 (11), 2987
2987-2995.
2995. 2007.
[2]. Gulrajani RM

RM,, Roberge FA
FA, Mathieu PA.
PA “The
“The mode
modelling
lling of a burst
generating
burst-generating
neuron with a field
field-effect
effect transistor analog
analog”,, Biol Cybern. 25(4):22725(4):227 40. 1977.

Tạp
ạp chí Nghi
Nghiên
ên cứu
cứu KH&CN quân
uân sự,
sự, Số Đặc
ặc san FEE,
FEE, 08
0 - 2018
20

397


Đo lường – Tin học

[3]. FitzHugh, R. “Impulses and physiological states in theoretical models of nerve
membrane”. Biophys. J. 1, 445–466. 1961.
[4]. Harmon L. D., “Problems in neural modeling”. In: Neural theory and modeling, edit.
by R.F. REISS. Stanford: Stanford University Press 1964.
[5]. Hodgkin AL, Huxley AF. “A quantitative description of membrane current and its
application to conduction and excitation in nerve”. J Physiol 117: 500– 554.1952.
[6]. Roy, Guy, “A simple electronic analog of the squid axon membrane”, IEEE Trans
Biomed Eng. 19(1):60-3; 1972 Jan.
[7]. Maeda, Y and Makino H, “A pulse-type hardware neuron model with beating,
bursting excitation and plateau potential”, BioSystems 58 (2000) 93-100.
[8]. Lewis E.R. “An Electronic Model of Neuroelectric Point Processes”, 1968.
[9]. Wise RA. “Addictive drugs and brain stimulation reward”. Annu. Rev. Neurosci.
19: 319-40. 1996.
[10]. Nunez PL & Srinivasan R. “Electric fields of the brain: the neurophysics of EEG”.
2nd ed. Oxford university press. The Oxford, USA. 1981.
[11]. Bộ môn Sinh lý học, Học viện Quân y. “Những khái niệm cơ bản trong Sinh lý học”.
Trong: Giáo trình Sinh lý học, tập I (Tái bản lần thứ nhất). NXB QĐND, Hà Nội,
2007, trang 31-34.
[12]. Nguyễn Lê Chiến, Trần Hải Anh (2012) “Mô hình Gompertz’s và hành vi tự kích
thích nội sọ”. Tạp chí Sinh lý học, 16(2).
ABSTRACT
BUILDING UP A CIRCUIT SIMULATION
FOR NEURONAL RESPONSES TO DC PULSE
To build up a circuit simulation for neuronal network, this study investigated
responses of the circuit with changes in intensity and frequency of stimulation
pulses. The circuit would have been accessed for the highest voltage responses as
consequences of stimulation parameters changed. The results contributed to
understanding of membrane electrical activities via membrane sodium and
potassium channels.
Keywords: Circuit simulation; Neuron; DC stimulation; Action potentials.

Nhận bài ngày 01 tháng 7 năm 2018
Hoàn thiện ngày 10 tháng 9 năm 2018
Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 9 năm 2018
Địa chỉ: 1Học viện Quân y;
2
Viện Điện tử - Viện Khoa học và Công nghệ quân sự.
*
Email:

398

T. Q. Giáp, N. L. Chiến, L. K. Biên, “Xây dựng mạch điện tử … xung điện một chiều.”