Time-windowed block for unmyelinated fibers in the sciatic nerve of the frog

Abstract

Çevresel sinirlerdeki duyu liflerinin elektriksel uyarılması ile nöroprotezlerde suni duyu bilgisinin oluşturulabileceği gösterilmiştir. Uyarı genliği arttıkça, oluşan suni duyar alan ve duyu modalitesi de değişebilmektedir. Belli bir eşiğin üzerine çıkıldığında ise kaşıntı ve acı gibi rahatsız hisler oluşabilmektedir. Bu çalışmada bu istenmeyen hislerin giderilmesi için yeni bir yöntem önerilmektedir.Deneylerde kurbağanın siyatik sinirinin uyarılması ile etkinleşen C liflerinin iletimi DC hiperpolarize blok uyarı kullanılarak azaltılmıştır. Blok uyaranı miyelinli liflerin iletimini bozmayacak şekilde belirli bir zaman penceresinde uygulanmıştır. Sinir aktivitesi bileşik aksiyon potansiyelleri kayıt edilerek ölçülmüştür. Blok uyaran iki gecikme süresi (4, 6 ms), üç uyarı süresi (4, 6, 8 ms) ve beş genlik seviyesinde verilmiştir. Ayrıca miyelinli ve C liflerinin fizyolojik uyarılma özellikleri belirlenmiştir.Bileşik aksiyon potansiyeli kayıtlarında C bileşeninin geçerli denemelerin (n=67) sadece %44' ünde azaldığı bulunmuştur. Geçerli denemeler olarak blok uyaranın miyelinli lifleri uyarmadığı denemeler analiz edilmiştir. Düzeltilmiş rank dönüşümü uygulandıktan sonra 2 yollu ANOVA kullanılarak blok süresinin ve genliğinin C bileşenini azaltması incelenmiştir. İstatiksel olarak blok süresinin (p=0.87) ve genliğinin (p=0.12) anlamlı bir etkisinin olmadığı bulunmuştur. Aynı zamanda bu iki faktör arasında da bir etkileşim bulunamamıştır. Bütün denemelerden elde edilen veriler birleştirilerek (n=292) blok uyaran nedeniyle oluşan elektriksel yük ile miyelinli liflerin aktivitesindeki değişim arasında Pearson korelasyon analizi ile anlamlı bir korelasyon bulunmamıştır.Tezde elde edilen sonuçlar nöroprotezlerin duyusal özelliklerinin hiperpolarizasyon blok yardımıyla iyileştirilebileceğini göstermektedir. C lifleri bütün denemelerde bloklanmadığı halde, bloklanan denemelerde miyelinli liflerin pek etkilenmediği görülmektedir. Yöntemdeki kısıtlamalar detaylı olarak incelenmiştir.Anahtar Sözcükler: C Fiber, Miyelinsiz, Kurbağa, Hiperpolarizasyon, Anodal, Blok.

An artificial sensation can be produced in neuroprotheses by functional electrical stimulation of the sensory fibers in the peripheral nerves. The stimulation amplitude has effects on the perceptive field and the sensation modality. Increase beyond a certain threshold causes annoying sensations such as itch and pain. In this thesis, a novel method is proposed to improve this problem by blocking these unwanted sensations.In this study, a DC hyperpolarizing stimulation with a subsequent exponential decay was employed to block the conduction of C fibers of the frog's sciatic nerve. The block was applied in a time window to allow the propagation in myelinated fibers. The neural activity was measured by CAPs. For the blocking stimulus, two delays (4, 6 ms), three durations (4, 6, 8 ms), and five amplitude levels relative to the excitation threshold of C fibers were used. The excitation characteristics were also measured.In the CAP traces, the C component was reduced in 44% of the valid trials (n=67). The valid trials were the recordings in which the blocking stimulation did not evoke activity in myelinated fibers. After aligned-rank transform, 2-way ANOVA was performed to test the effects of block duration and amplitude on the reduction of C components. There were no significant effect of block duration (p=0.87) and amplitude (p=0.12). There was also no significant interaction between block duration and amplitude. Data from all trials (n=292) were included in Pearson correlation analysis to test the change of activity in the CAP component from myelinated fibers due to electrical charge applied by the blocking stimulation and there was no correlation (p=0.7).According to these results, the performance of neuroprostheses can be improved by a hyperpolarization block. Although the C fibers could not be blocked in all trials, when they did, the activity in the myelinated fibers was not significantly affected.Keywords: C Fiber, Unmyelinated, Frog, Hyperpolarization, Anodal, DC, Block.