Tóm tắt Luận án Nghiên cứu xây dựng hệ thống kích thích tế bào thần kinh và ứng dụng trong đánh giá đáp ứng không gian của tế bào vị trí hồi hải mã

Luận án tập trung nghiên cứu tổng quan hoạt động điện tế bào thần

kinh, Luận án tập trung nghiên cứu tổng quan hoạt động điện tế bào thần

kinh, trong đó có khả năng kích thích điện đối với tế bào thần kinh. Để

nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố kích thích điện ảnh hưởng đến hoạt

động điện của tế bào, luận án đề cập đến các mô hình mạch điện tử của tế

bào thần kinh. Trong đó, luận án sử dụng mô hình Maeda và Mekino để

khảo sát tham số cường độ và tần số của xung điện kích thích thông qua

mô phỏng các tham số đó bằng phần mềm NI Multisim version 14.0.

Để chứng thực các tham số tần số và cường độ kích thích ảnh

hưởng đến hoạt động điện của tế bào đã mô phỏng, luận án sử dụng

phương pháp thực nghiệm trên động vật. Kết quả khảo sát đáp ứng hành

vi nhúng mũi của chuột đối với tùy biến các tham số để chọn bộ tham số

kích thích tối ưu: cường độ 100µA và tần số 100Hz. Sử dụng tham số

kích thích phù hợp (80% giá trị tối ưu) trong nghiên cứu tế bào vị trí hồi

Hải mã thông qua 3 bài tập không gian.

pdf27 trang | Chia sẻ: honganh20 | Ngày: 03/03/2022 | Lượt xem: 253 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Tóm tắt Luận án Nghiên cứu xây dựng hệ thống kích thích tế bào thần kinh và ứng dụng trong đánh giá đáp ứng không gian của tế bào vị trí hồi hải mã, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
h kích thích, ghi và chương trình bài tập nhằm tích hợp, đồng bộ hóa thành hệ thống hoàn chỉnh. Quá trình kích thích, ghi và lưu trữ dữ liệu được tự động hoàn toàn, phân tích khách quan. - Phạm vi nghiên cứu: xây dựng phát triển hệ thống có khả năng kích thích, ghi hoạt động điện của tế bào thần kinh. Tích hợp các chương trình trên cơ sở mô hình thuật toán vào hệ thống đã đề xuất. Triển khai mô phỏng giả lập và thực nghiệm nhằm đánh giá hiệu quả của hệ thống trên nền tảng kiến thức Kỹ thuật điện tử. 4. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng các chương trình thu thập số liệu, mô phỏng, mô phỏng giả lập và thực nghiệm trên chuột nhắt trong xây dựng, đánh giá hệ thống và chương trình bài tập. 5. Nội dung nghiên cứu và cấu trúc của luận án - Luận án nghiên cứu tổng quan về hoạt động điện của tế bào thần kinh. - Mô hình hóa tế bào thần kinh như mạch điện tử tương đương và xây dựng các thuật toán kích thích điện tế bào thần kinh. - Đánh giá mô hình thuật toán, hệ thống hoàn chỉnh thông qua mô phỏng giả lập và thực nghiệm trên chuột. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án - Đưa ra bộ tham số kích thích phù hợp với đối tượng nghiên cứu. - Đề xuất xây dựng hệ thống kích thích, ghi hoạt động điện của tế bào thần kinh cùng với 4 thuật toán của 4 bài tập thực nghiệm trên động vật. - Thực hiện mô phỏng giả lập và thực nghiệm trên chuột nhằm đánh giá chương trình và hệ thống đã đề xuất. - Giải quyết bài toán mà y học đặt ra trong nghiên cứu chức năng hệ thần kinh trung ương. 3 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HOẠT ĐỘNG ĐIỆN CỦA TẾ BÀO THẦN KINH 1.1. Điện thế màng tế bào thần kinh Tương tự các tế bào sống khác trong cơ thể sinh vật, tế bào thần kinh cũng có các thành phần cấu trúc cơ bản gồm màng tế bào, nhân và các bào quan. Trong đó, hoạt động điện của tế bào sống nói chung và tế bào thần kinh nói riêng liên quan mật thiết tới đặc điểm cấu tạo và các hoạt động diễn ra trên màng tế bào. 1.2. Kích thích điện tế bào thần kinh và vai trò trong nghiên cứu y học Việc xây dựng mô hình thuật toán và hệ thống kích thích tế bào thần kinh được dựa trên cơ sở nghiên cứu các tính chất, nhất là tính chất điện của màng tế bào; ảnh hưởng của các tham số kích thích điện đối với tế bào thần kinh; đáp ứng điện của màng tế bào và vai trò của kích thích điện trong nghiên cứu y học. Từ đó, làm cơ sở để xây dựng mô hình thuật toán và hệ thống kích thích tế bào thần kinh. Hình 1.1. Thay đổi điện thế màng tế bào dưới tác dụng xung kích thích. 1.3. Đáp ứng của màng tế bào đối với kích thích điện Khi tế bào thần kinh được kích thích, điện thế màng của tế bào sẽ thay đổi. Sau khi đáp ứng với kích thích, điện thế màng trở về giá trị nghỉ 4 ban đầu của nó. Nếu sự kích thích màng không đủ gây ra điện thế xuyên màng để đạt tới ngưỡng thì màng sẽ không được kích hoạt. Các tham số ảnh hưởng tới kích thích điện nội sọ đặc trung nhất là tham số cường độ và tần số, qua đó xác định được ngưỡng kích thích, mức đáp ứng tối đa. Trong nghiên cứu này xung kích thích là chùm xung dương tính cathode và tùy biến cường độ hoặc tần số. 1.4. Kỹ thuật ghi điện thế hoạt động tế bào thần kinh Kỹ thuật ghi điện thế tế bào thần kinh được phát triển từ những năm 1940, sử dụng vi điện cực ngoại bào để xác định đặc điểm điện thế của một neuron, gần đây là nghiên cứu đáp ứng của tế bào thần kinh trong mối tương quan với các hành vi, các yếu tố kích thích trên động vật đang thức tỉnh và vận động hoặc xác định mối liên kết giữa các tế bào thần kinh thuộc các trung khu khác nhau. Đồng thời, các kỹ thuật và trang thiết bị cũng được cải tiến cho phép khảo sát và phân tích hoạt động của neuron được chính xác và thuận tiện hơn . 1.5. Hồi Hải mã và tế bào vị trí hồi Hải mã Các nghiên cứu cho thấy tế bào vị trí hồi Hải mã có vai trò trong lưu giữ thông tin, chuyển đổi trí nhớ ngắn hạn để hình thành ký ức trong trí nhớ dài hạn và khả năng định hướng trong không gian. 1.6. Cơ sở mô hình mạch điện tử tế bào thần kinh Để nghiên cứu và hiểu sâu hơn quá trình hoạt động điện thế của màng tế bào đối với kích thích điện. Các nhà khoa học đã mô hình hóa hệ thống dẫn truyền như mô hình mạch điện tử. 1.7. Các công trình liên quan đến luận án - Trong nước: chưa có hệ thống kích thích, ghi hoạt động điện tế bào thần kinh một cách hoàn chỉnh. - Trên thế giới: hệ thống kích thích, ghi hoạt động điện tế bào thần kinh điều khiển thủ công, chưa đồng bộ hệ thống dẫn đến việc phân tích số liệu thiếu khách quan. Các nghiên cứu sử dụng hệ thống tương tự mới chỉ đi mô tả hệ thống và kết quả nghiên cứu, song chưa đánh giá hệ thống. 1.8. Kết luận chương 5 Chương 2 MÔ HÌNH MẠCH ĐIỆN TƯƠNG ĐƯƠNG VÀ CÁC THUẬT TOÁN KÍCH THÍCH ĐIỆN TẾ BÀO THẦN KINH 2.1. Mô hình điện tử màng tế bào thần kinh và khảo sát các tham số kích thích điện Hoạt động điện thế màng tế bào có thể được mô phỏng tương tự một mạch điện tử. 2.1.2. Mô phỏng các tham số kích thích trên mô hình Maeda và Makino Hình 2.3. Mô hình điện tế bào thần kinh dưới kích thích bằng xung điện một chiều phỏng theo mô hình của Maeda và Makino. 2.1.3. Kết quả mô phỏng và thảo luận Các tham số tần số và biên độ của xung kích thích được đưa vào mạch điện mô phỏng hoạt động của màng tế bào theo Maeda và Makino bằng chương trình NI Multisim 14.0 2.1.3.1. Điện áp đáp ứng với xung kích thích có tần số cố định ở mức 80Hz và tùy biến cường độ dòng điện. Kết quả cho thấy điện áp đáp ứng tăng lên tương ứng với cường độ kích thích. Tuy nhiên, sự biến thiên này là không tuyến tính với khoảng “bùng nổ” điện áp đáp ứng từ giá trị cường độ khoảng 10μA rồi điện áp đáp ứng tăng đều theo cường độ kích thích trong khoảng từ 10 -110μA. R1 100kΩ R2 200Ω R3 100kΩ XSC1 A B Ext Trig + + _ _ + _ C1 0.5µF Q1 2N3904 Q2 2N3906 Q5 2N3904 V1 5V R4 1kΩ R8 100kΩ R6 300Ω XMM1 I1 0.07mA C3 1µF V2 0.4V XFG2 COMSC1 PWM IO1 IO2 IO3 Q3 2N3904 Q4 2N3904 C4 0.2µF R5 10kΩ 6 Ngoài khoảng cường độ kích thích 10 -110μA, điện áp đáp ứng tăng vọt và mất kiểm soát. Về lý thuyết, điều này giải thích nguy cơ đánh thủng kênh dẫn đối với linh kiện điện tử và nguy cơ phá hủy màng tế bào. Hình 2.6. Sự thay đổi điện áp theo cường độ kích thích tại tần số 80Hz. 2.1.3.2. Đáp ứng khi cố định cường độ, thay đổi tần số dòng điện kích thích Kết quả mô phỏng thể hiện trên hình 2.7 cho thấy khi thay đổi giá trị tần số từ 0 -180Hz với mức thay đổi 10Hz, điện áp đáp ứng có xu hướng tăng nhanh và đạt giá trị cực đại tại khoảng tần số 100Hz và thể hiện xu hướng giảm ở tần số lớn hơn. Hình 2.7. Sự thay đổi điện áp theo tần số kích thích, giữ cường độ 70μA. 7 2.2. Hệ thống kích thích và ghi đáp ứng điện thế hoạt động của tế bào thần kinh Hình 2.8. Mô hình kích thích và ghi điện thế của tế bào thần kinh. - Hệ thống giám sát hành vi: gồm camera CCD giám sát quá trình vận động, hành vi và tọa độ chuột - Hệ thống kích thích: thiết bị phát xung có chức năng thiết lập các dạng xung, tham số của xung (Stimulator) thông qua USB 6501 tới bộ cách ly và biến đổi số - tương tự (Isolator) tới tế bào thần kinh chuột thông qua điện cực kích thích. - Hệ thống ghi: được ghi thông qua điện cực ghi. Tín hiệu ghi được ở dạng tương tự được khuếch đại 2 tầng và xử lý thông qua thiết bị Plexon. Điện thế hoạt động được ghi, đếm đồng bộ với thời điểm phát xung kích thích cũng như tọa độ của chuột thông qua tín hiệu điều khiển (dạng TTL) từ chương trình xử lý được cài đặt trong máy tính tới hệ thống Plexon thông qua thiết bị USB 6501. Từ mô hình hệ thống đã xây dựng và phát triển, luận án xây dựng các chương trình phần mềm tích hợp tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh, có khả năng kích thích, ghi hoạt động điện thế tế bào thần kinh thông qua các chương trình bài tập được thuật toán hóa. 8 2.3. Xây dựng mô hình thuật toán kích điện đối với tế bào thần kinh 2.3.1.1. Mô hình kích thích điện tế bào thần kinh với bài tập NPT Isolator Stimulator USB 6501 Mạch xử lý C ảm biến Xử lý trung tâm Chuột Đ iện cực K T Màn hình Hình 2.10. Mô hình hệ thống kích thích và đáp ứng hành vi nhúng mũi. Thông tin đầu vào - hành vi nhúng mũi của chuột được tiếp nhận thông qua bộ cảm biến quang đặt ngầm trong một lỗ tròn đường kính 1,5cm trong lồng tập phản xạ. Tín hiệu đáp ứng từ cảm biến được đưa vào mạch xử lý để đếm số lần nhúng mũi thỏa mãn điều kiện bài toán được mô tả trên mô hình hình 2.10. 2.3.1.2. Kích thích điện tế bào thần kinh với bài tập NPT a) Ý nghĩa của bài tập NPT Thuật toán bài tập NPT (Nose - poking Task: Bài tập nhận thưởng khi nhúng mũi) dựa vào những yêu cầu chặt chẽ về các điều kiện phát thưởng. Thông qua bài tập thực nghiệm này sẽ khảo sát được các tham số cường độ và tần của xung điện kích thích có phù hợp với các giá trị tham số đã mô phỏng trước đó. Chương trình bài tập NPT được thể hiện trực quan trên giao diện chương trình, đối tượng khảo sát là cường độ hay tần số xung kích thích. Bên cạnh đó, chương trình giám sát chặt chẽ các điều kiện nhận thưởng và tự động phát thưởng khi các điều kiện bài tập được thỏa mãn; số lần phát thưởng hay số lần nhúng mũi được cập nhật và biểu diễn trực quan dạng biểu đồ hình cột. Các giá trị đó được lưu lại dạng tệp và được phân tích khách quan nhằm đánh giá các giá trị tham số phù hợp nhất đưa vào sử dụng trong các bài tập đáp ứng không gian. Kỳ vọng của bài tập NPT tìm ra những tham số tối ưu của xung điện kích thích làm chuột hứng thú và nhúng mũi nhiều nhất trong khoảng thời gian thực hiện bài tập. 9 c) Lưu đồ thuật toán t++; delta++; chammui = 0; pt++; ptDelta++ lưu ptDelta; ptDelta = 0; tDelta = 0 tDelta = delta yes yes no t == interval*(countInterval + 1) no no chammui =1 yes yes no Pt == maxPt || t== maxT countInterval++ Đọc dữ liệu Pt = 0; maxPt; chammui = 0; t = 0; maxT; ptDelta = 0; tDelta = 0; delta; countInterval = 0; interval Bắt đầu Chammui Kết thúc Hình 2.11. Lưu đồ thuật toán bài tập NPT. 2.3.2. Mô hình và thuật toán kích thích điện tế bào thần kinh với bài tập không gian 2.3.2.1. Mô hình kích thích với bài tập DMT Màn hình Isolator Stimulator USB 6501 Bộ xử lý trung tâm Chuột nhắt CCD cam era Hình 2.12. Mô hình đối với bài tập DMT. 10 2.3.2.2. Xây dựng thuật toán kích thích điện đối với bài tập DMT a) Ý nghĩa bài tập DMT Thuật toán bài tập DMT (Distance Movement Task: Bài tập phát thưởng theo khoảng cách vận động) dựa vào những yêu cầu chặt chẽ về các điều kiện phát thưởng. Thông qua bài tập thực nghiệm này sẽ luyện tập khả năng vận động của chuột theo các yêu cầu từ dễ tới khó, đồng thời cũng khẳng định được giá trị tối ưu của các tham số cường độ và tần của xung điện kích thích đã xây dựng ở bài tập NPT. b) Bài tập DMT c) Lưu đồ thuật toán Pt = 0; s = 0; t = 0; xt-1 = x0; yt-1 = y0; xt = x0; yt = y0; maxpt; maxT; delta t++; xt-1 = xt; yt-1 = yt s+ = sqrt[(yt-yt-1) 2 + (xt-xt-1) 2] s = 0 Pt++ Pt = maxPt || t = maxT yes yes no no s >= delta Đọc dữ liệu xt; yt Bắt đầu Kết thúc Hình 2.13. Lưu đồ thuật toán kích thích cho bài tập DMT. 11 2.3.2.3. Mô hình kích thích với bài tập RRPST và PLT Isolator Stimulator USB 6501 Plexon Bộ xử lý trung tâm Pre AMP CCD cam era Màn hình Đ iện cự c K T Đ iện cự c gh i Chuột nhắt Hình 2.14. Hệ thống kích thích và ghi điện thế hoạt động tế bào thần kinh trên chuột nhắt. Thuật toán kích thích điện với bài tập RRPST a) Ý nghĩa bài tập RRPST Thuật toán bài tập RRPST (Random Reward Place Search Task: Bài tập tìm vùng nhận thưởng ngẫu nhiên) dựa vào những yêu cầu chặt chẽ về các điều kiện phát phần thưởng, thuật toán kích thích điện đánh giá khả năng vận động và nhu cầu tìm kiếm phần thưởng là cơ sở để xây dựng chương trình và giao diện bài tập RRPST. Thông qua bài tập thực nghiệm này sẽ luyện tập khả năng vận động tìm kiếm phần thưởng của chuột với vùng phần thưởng được xuất hiện ngẫu nhiên. Số lần phát thưởng hay quãng đường di chuyển của chuột được mô phỏng trực quan đường chạy của chuột và cập nhật số phần thưởng cũng như quãng đường chuột thực hiện được. Các giá trị đó được lưu lại dạng file và được phân tích khách quan nhằm đánh giá khả năng vận động tìm phần thưởng của chuột trong không gian nhất định. b) Bài tập RRPST c) Lưu đồ thuật toán 12 Pt = 0; t= 0; xt = x0; yt = y0; xzt = xz0; yzt = yz0; wz deltaTime = 0; delayTime; maxwidth; maxPt; maxT; taovungpt = false t++; deltaTime++; delta = sqrt[(xt – xzt) 2 + (yt – yzt) 2 ] delta = 0 taovungpt = true Pt++; deltaTime =0 delta <= wz & taovungpt = false yes yes no deltaTime>= delayTime & taovungpt = true xzt = rand(0,maxwidth) yzt = rand(0,maxwidth) Pt == maxPt || t == maxT no no yes Đọc dữ liệu xt; yt Kết thúc Bắt đầu Hình 2.15. Lưu đồ thuật toán kích thích cho bài tập RRPST. Thuật toán kích thích điện với bài tập PLT a) Ý nghĩa của bài tập PLT Thuật toán bài tập PLT (Place Learning Task: Bài tập tìm vùng nhận thưởng định sẵn) dựa vào những yêu cầu chặt chẽ về các điều kiện phát phần thưởng. Thông qua bài tập thực nghiệm này sẽ luyện tập khả năng vận động tìm kiếm phần thưởng của chuột đối với vùng phần thưởng 13 định sẵn. Bên cạnh chương trình giám sát chặt chẽ các điều kiện nhận thưởng và tự động phát thưởng khi các điều kiện bài tập được thỏa mãn; số lần phát thưởng hay quãng đường di chuyển của chuột được mô phỏng trực quan đường chạy của chuột và cập nhật số phần thưởng cũng như quãng đường chuột thực hiện được. Các giá trị đó được lưu lại dạng file và được phân tích khách quan nhằm đánh giá khả năng vận động tìm phần thưởng của chuột trong không gian nhất định. a) Bài tập PLT c) Lưu đồ thuật toán Pt = 0; t = 0; xz1; yz1; xz2; yz2; wz vungphanthuong = 1; deltaTime = 0; delayTime; maxPt; maxT; delta t++; deltaTime++; delta = sqrt[(xt - xz1) 2 +(yt - yz1) 2] delta = 0; deltaTime =0 Pt++; vungphanthuong = 2 delta <= wz & deltaTime => delayTime yes yes no Pt == maxPt || t== maxT no no vungphanthuong =1 delta = sqrt[(xt - xz2) 2 +(yt - yz2) 2] delta <= wz & deltaTime => delayTime delta = 0; deltaTime =0 Pt++; vungphanthuong = 1 yes yes no Đọc dữ liệu xt; yt Bắt đầu Kết thúc Hình 2.16. Lưu đồ thuật toán kích thích cho bài tập PLT. 14 Chương 3 ĐÁNH GIÁ THUẬT TOÁN, HỆ THỐNG KÍCH THÍCH THÔNG QUA ĐÁP ỨNG HÀNH VI THỰC NGHIỆM TRÊN CHUỘT 3.1. Chất liệu và phương pháp nghiên cứu Động vật: chuột nhắt đực trọng lượng 26 - 29g. Động vật do trung tâm động vật - viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương cung cấp. Cấy điện cực: Điện cực kích thích là hai điện cực đơn cực bằng thép không rỉ, 100µm được cấy vào bó giữa não trước tại vùng sau bên của vùng dưới đồi dùng làm điện cực kích thích nội sọ (Tọa độ so với điểm mốc Bregma: trước - sau: -2,3mm; trong - ngoài: ±0,7 ÷ 0,75mm; xuống dưới: 5,3 ÷ 5,4mm). Điện cực ghi, một bộ vi điện cực ghi gồm 8 điện cực đơn được thiết kế để cấy vào vùng CA1 thuộc vùng lưng hồi Hải mã (tọa độ so với điểm mốc Bregma: trước - sau: -1,8mm; trong - ngoài: 1,8mm; xuống dưới: 1,4mm). Các điện cực ghi này đã được kiểm tra trước quá trình cấy điện cực và được mạ vàng để đảm bảo điện trở đầu điện cực giảm xuống và có giá trị trong khoảng 100 - 300k tại tần số 1kHz. Ngoài ra, 3 đinh ốc (1,2 × 3mm, Matsumoto Industry Co., Ltd., Nhật Bản) cũng được gắn lên hộp sọ động vật với chức năng làm điện cực đối chiếu và gia cố điện cực được cấy vào đầu chuột (hình 3.1). Hình 3.1. Mô hình và hình ảnh cấy điện cực kích thích và điện cực ghi. a b 15 Phương tiện nghiên cứu:  Bài tập ghi đáp ứng hành vi nhúng mũi Hình 3.2. Hộp ghi đáp ứng ICSS và hành vi nhúng mũi của chuột.  Các bài tập đáp ứng không gian và khả năng nghi nhớ: Dựa vào kết quả nghiên cứu đáp ứng ICSS và đáp ứng hành vi nhúng mũi xác định được tham số phù hợp để thực hiện các bài tập đáp ứng không gian. Hình 3.3. Mô hình và hình ảnh bố trí đối với bài tập không gian. Nghiên cứu được tiến hành trong môi trường mở là một hộp trụ tròn đường kính 80cm, thành cao 25cm (hình 3.3). 3.2. Kết quả mô phỏng giả lập Từ các thuật toán xây dựng qua 4 bài tập NPT, DMT, RRPST và PLT được xây dựng ở chương 2, là cơ sở để xây dựng chương trình kích a b 16 thích điện và ghi đáp ứng hành vi cũng như hoạt động điện của tế bào thần kinh cho 04 bài tập thực nghiệm trên chuột có giao diện dưới đây: 3.2.1. Mô phỏng đáp ứng trong bài tập NPT Hình 3.4. Giao diện chương trình mô phỏng đáp ứng kích thích với hành vi nhúng mũi. Dữ liệu được lưu và phân tích với mục đính nhằm đánh giá đáp ứng của động vật đối với giá trị của tham số cường độ và tần số kích thích. 3.3. Phân tích, đánh giá kết quả thực nghiệm trên chuột nhắt 3.3.1. Kết quả thực nghiệm thực hiện trên bài tập NPT a. Huấn luyện ICSS Sau phẫu thuật đặt điện cực 1 tuần, động vật được đưa vào lồng ghi đáp ứng ICSS, giữa lồng có khoét một lỗ nhỏ (đường kính 1,5cm) bên dưới gắn cảm biến quang Omron EE - SPX303. Mỗi khi chuột đưa mũi vào lỗ này sẽ kích hoạt một chuỗi xung kích thích kéo dài 0,5s gồm các xung kích thích vuông Cathode 0,3ms. Đường cong theo giá trị thực tế ghi được phù hợp với dự đoán theo mô hình Gompertz và xu hướng xung đáp ứng của mô hình hóa mạch điện tử tế bào thần kinh với các giá trị cường độ xung kích thích đã khảo sát trong mô phỏng ở chương 2. 17 Cường độ kích thích Hình 3.8. Mối liên hệ giữa đáp ứng hành vi nhúng mũi với cường độ kích thích. Đồ thị đáp ứng hành vi nhúng mũi trung bình trong một phút với tùy biến cường độ kích thích và biểu diễn của mô hình Gompertz ứng với các giá trị tính toán dựa theo mô hình. Thực nghiệm tiến hành trên 07 đối tượng chuột, mỗi đối tượng thực hiện 2 lần trong 2 ngày khác nhau; mức độ thay đổi biểu diễn sai số chuẩn. Tần số kích thích Hình 3.9. Mối liên hệ giữa đáp ứng hành vi nhúng mũi với tần số kích thích. Đồ thị biểu diễn đáp ứng nhúng mũi trung bình trong một phút, tùy biến tần số kích thích (thực tế) và các giá trị tính toán (dự đoán) dựa theo mô hình Gompertz. Thực nghiệm tiến hành trên 06 đối tượng chuột, mỗi 18 đối tượng thực hiện các phiên tập trong 2 ngày khác nhau; mức độ thay đổi biểu diễn sai số chuẩn đối với kết quả thực nghiệm. 3.3.2. Kết quả thực nghiệm thực hiện trên bài tập đáp ứng không gian Hình 3.10. Phân tích và hiển thị dữ liệu trong các bài tập. (A) Kết quả thực nghiệm thực hiện trên bài tập DMT. (B) Kết quả thực nghiệm thực hiện trên bài tập RRPST. (C) Kết quả thực nghiệm thực hiện trên bài tập PLT. 3.4. Kết quả kích thích tế bào thần kinh và ghi hoạt động điện tế bào vị trí hồi Hải mã trên chuột nhắt Bộ điện cực ghi sẽ được tiến dần xuống mỗi lần ~20µm/ngày.  Đặc tính chung của tế bào vị trí hồi hải mã Hình 3.11. Hoạt động tế bào thần kinh ghi và được phân lập bằng chương trình offline-sorter (Plexon). 19 3.5. Phân tích đánh giá thuật toán, hệ thống kích thích điện, hệ thống ghi hoạt động điện tế bào thần kinh 3.5.1. Phân tích đánh giá thuật toán Luận án đã đề cập đến 04 bài tập và xây dựng 04 thuật toán tương ứng để giải quyết các bài tập đó. Các thuật toán đều bám sát yêu cầu của bài toán với những điều kiện, đảm bảo cho luyện tập các bài tập từ dễ đến khó và thành thục động tác, hành vi trên động vật thực nghiệm. Các thuật toán được xây dựng là cơ sở để xây dựng các chương trình tương ứng. 3.5.2. Đánh giá hệ thống kích thích và ghi hoạt động điện tế bào thần kinh  Tính ổn định và chính xác của hệ thống: Thực nghiệm được tiến hành trong mỗi phiên tập của 4 bài tập, thỏa mãn điều kiện nhận thưởng sẽ kích hoạt hệ thống kích thích và phát thưởng tương ứng, hiệu quả phát thưởng 100%. Hệ thống ghi hoạt động điện của tế bào thần kinh giúp ta theo dõi hoạt đông điện tế bào cần ghi đo một cách trường diễn giúp đánh giá đầy đủ, cụ thể. Hơn thế nữa hệ thống đảm bảo khả năng ghi tới cỡ mV. Hệ thống đảm bảo tính ổn định cao, hoạt động liên tục không có hiện tượng báo lỗi.  Độ trễ của hệ thống: Bài tập NPT: Isolator Stimulator USB 6501 Bộ xử lý trung tâm Màn hình Labchart v8.1.8 Điện cực KT Mạch xử lý Cả m b iến t2 t1 Hình 3.13. Mô hình đánh tính ổn định, độ trễ của hệ thống đối với bài tập NPT bằng phần mềm labchart Pro v8.1.8. Độ trễ hệ thống của bài tập NPT: 𝛥𝑡𝑁𝑃𝑇 là khoảng thời gian tính từ thời điểm chuột nhúng mũi đến khi chuột nhận được tín hiệu kích thích, 20 trung bình là 60ms. Trong khi đó để đạt 01 phần thưởng cần tối thiểu 0,74s = 740ms >> 60ms. Như vậy, NPT t quá nhỏ so với thời gian để nhận được 01 phần thưởng. Hình 3.14. Xung thỏa mãn điều kiện nhận thưởng, xung phát phần thưởng và độ trễ của hệ thống. Bài tập DMT, RRPST và PLT Mô hình đánh giá tính ổn định và độ trễ của hệ thống đối với các bài tập DMT, RRPST và PLT được mô tả trên hình 3.15. Thời điểm thỏa mãn điều kiện nhận thưởng 1 t được xác định: đối với bài tập DMT là khi chuột di chuyển theo một khoảng cách đã định sẵn; bài tập RRPST là khi chuột chạm vào (hoặc bên trong vùng nhận thưởng) vùng phần thưởng ngẫu nhiên; bài tập PLT là khi chuột chạm vào vùng phần thưởng (màu đỏ và xanh) đã định sẵn theo điều kiện luân phiên. Thời điểm 2 t chuột nhận được phần thưởng. Màn hình Isolator Stimulator USB 6501 Bộ xử lý trung tâm Đ iện cự c K T CCD cam era t1 t2 Hình 3.15. Mô hình đánh tính ổn định, độ trễ của hệ thống đối với các bài tập DMT, RRPST và PLT. 21  Giao diện chương trình giả lập kết hợp đánh giá độ trễ hệ thống ứng với các bài tập DMT, RRPST và PLT: Hình 3.16. Chương trình đánh tính ổn định, độ trễ của hệ thống đối với bài tập DMT. Hình 3.18. Chương trình đánh tính ổn định, độ trễ của hệ thống đối với bài tập RRPST. 22 Hình 3.20. Chương trình đánh tính ổn định, độ trễ của hệ thống đối với bài tập PLT. Đối với các bài tập DMT, RRPST và PLT ngoài chương trình ghi lại thời điểm 1t , 2t và có độ trễ trung bình lần lượt là 4,88 ± 2,01ms; 4,44 ± 1,91ms và 4,91 ± 2,12ms. Vậy quãng đường vận động tối đa của chuột trong khoảng thời gian trễ trung bình đối với cả ba bài tập là: 7,03 × 0,083  0,58 mm  200mm (bán kính vùng nhận thưởng) Hơn thế nữa, Trong 1500 lượt khảo sát đối với cả 3 bài tập DMT, RRPST và PLT thì độ trễ hệ thống chủ yếu dao động khoảng từ 3 – 7ms; chỉ xuất hiện trường hợp duy nhất độ trễ 24,28ms, khi đó quãng đường tối đa chuột có thể di chuyển được trong khoảng thời gian đó là: 24,28 × 0,083  2,02mm  200mm (bán kính vùng nhận thưởng) Tức là trong khoảng thời gian trễ của hệ thống của các bài tập DMT, RRPST và PLT tương ứng là 𝛥𝑡𝐷𝑀𝑇, 𝛥𝑡𝑅𝑅𝑃𝑆𝑇 và 𝛥𝑡𝑃𝐿𝑇 có thể coi chuột chưa di chuyển ra khỏi điểm tọa độ chuột đang đứng.  Như vậy, ta có thể coi độ trễ của hệ thống bằng không hay chuột nhận được phần thưởng ngay khi thỏa mãn điều kiện bài toán. 23 KẾT LUẬN Từ các nội dung đã triển khai nghiên cứu và thực nghiệm, luận án đã đạt được các kết quả và nội dung đóng góp mới như sau: 1. Các kết quả nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu tổng quan hoạt động điện tế bào thần kinh, Luận án tập trung nghiên cứu tổng quan hoạt động điện tế bào thần kinh, trong đó có khả năng kích thích điện đối với tế bào thần kinh. Để nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố kích thích điện ảnh hưởng đến hoạt động điện của tế bào, luận án đề cập đến các mô hình mạch điện tử của tế bào thần kinh. Trong đó, luận án sử dụng mô hình Maeda và Mekino để khảo sát tham số cường độ và tần số của xung điện kích thích thông qua mô phỏng các tham số đó bằng phần mềm NI Multisim version 14.0. Để chứng thực các tham số tần số và cường độ kích thích ảnh hưởng đến hoạt động điện của tế bào đã mô phỏng, luận án sử dụng phương pháp thực nghiệm trên động vật. Kết quả khảo sát đáp ứng hành vi nhúng mũi của chuột đối với tùy biến các tham số để chọn bộ tham số kích thích tối ưu: cường độ 100µA và tần số 100Hz. Sử dụng tham số kích thích phù hợp (80% giá trị tối ưu) trong nghiên cứu tế bào vị trí hồi Hải mã thông qua 3 bài tập không gian. Để nghiên cứu các tham số kích thích, đáp ứng hành vi, khả năng vận động, học tập và ghi nhớ của động vật, luận án đề cập 4 bài tập trên cơ sở xây dựng 4 thuật toán tương ứng. Các bài tập với các thuật toán phù hợp là cơ sở quan trọng kết hợp với hệ thống kích thích hoạt động điện của tế bào thần kinh đã xây dựng. Để đánh giá hiệu quả của hệ thống kích thích, luận án đề cập xây dựng hệ thống ghi hoạt động điện của tế bào vị trí hồi Hải mã. Hệ thống ghi được đồng bộ với hệ thống kích thích thành hệ thống hoàn chỉnh có khả năng đánh giá hoạt động điện của tế bào thần kinh trong hệ thống não bộ. Kết quả thu được, được phân tích trên phần mềm chuyên dụng để 24 đánh giá hiệu quả các thuật toán, hệ thống kích thích và

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdftom_tat_luan_an_nghien_cuu_xay_dung_he_thong_kich_thich_te_b.pdf
Tài liệu liên quan