تحريك‌پذيري پايانه‌هاي آكسوني در تحريك خارج سلولي: بررسي تاثير مشخصات هندسي پايانه‌ها

Extracellular Excitability of the Axon Terminals: The Effects of their Morphological Characteristics

هدف: تحريك الكتريكي سيستم اعصاب مركزي، اجزاي نوروني مختلفي را تحت تاثير قرار مي‌دهد. فعال شدن هر يك از اين اجزا مي تواند به پاسخ متفاوت سيستم عصبي منجر شود. مطالعات گذشته حاكي از آن است كه در تحريك كاتدي، آكسون هاي عبوري و در تحريك آندي، بخش اوليه آكسون سلول هاي محلي، تحريك پذيرتر از ساير اجزاي نوروني اطراف الكترود هستند. در اين مطالعات به پايانه هاي آكسوني چندان توجه نشده است، اما نتايج بعضي مطالعات تجربي، شواهدي دال بر تحريك پذيري زياد پايانه ها ارايه مي-دهند. در اين تحقيق با استفاده از يك مدل محاسباتي، تحريك پذيري پايانه آكسوني بررسي شد. روش: به اين منظور، اثر ويژگي هاي مختلف هندسي پايانه آكسوني، نظير پايان يافتن فيبر در محل پايانه، شاخه بندي پايانه، وجود زايده هاي سيناپسي مخروطي‌شكل و برجستگي در محل شاخه شدن آكسون بر تحريك پذيري آن (در مقايسه با ساير بخش هاي آكسون) بررسي شد و حساسيت آستانه تحريك به اين ويژگي ها به دست آمد. يافته ها: نتايج اين شبيه سازي ها نشان داد كه انتهاي فيبر عصبي تحريك پذيرتر از بخش‌هاي مياني آن است. برآمدگي هاي پايانه آكسون نيز باعث افزايش تحريك پذيري مي شود و آستانه تحريك كاتدي را تا 34 درصد و آستانه تحريك آندي را تا 5/7 درصد كاهش مي دهد. از سوي ديگر ،آكسون ها در بخش پاياني خود شاخه بندي شده و با توجه به نتايج شبيه سازي، عامل ديگر افزايش تحريك پذيري پايانه ها مي شوند و بدين وسيله مي توانند از آستانه تحريك كاتدي تا 28درصد و از آستانه تحريك آندي تا 78 رصد بكاهند. نتيجه گيري: نتايج اين تحقيق نشان داد كه ويژگي هاي هندسي پايانه هاي آكسوني به افزايش تحريك پذيري اين بخش مي انجامد و آن را يكي از مهم ترين اهداف تحريك الكتريكي مي سازد. فعال شدن پايانه هاي آكسوني با توجه به اثر مهاري يا تحريكي آنها بر نورون هاي محلي مي تواند آثار متفاوتي بر سيستم عصبي داشته باشد

Introduction: In electrical stimulation of the central nervous system, different neural elements are present around the electrode and affected by the stimulation. The activation of each type of these neural elements may result in different overall neural responses. Previous studies have suggested that the passing axons and the initial segments of the local cells are the most excitable neural elements in cathodic and anodic stimulation, respectively. However, there are experimental evidences suggesting that the local fibers are generally excited indirectly by activation of the axon terminals of the presynaptic cells. The axon terminal has been usually neglected in the analysis of extracellular excitability. Methods: In this study, a detailed computational model of the axon terminal was used to study the extracellular excitability of the axon terminal. To this end, the effect of different geometrical characteristics of the axon terminals including their arborizations, conical synaptic buttons, and the swellings in the branching points on their excitability were studied in comparison to a passing fiber, where the electrode was far from the terminal. Results: Our findings showed that branching of the axon terminal increases the excitability of the axon terminal up to 28% and 78% for cathodic and anodic stimulation, respectively. In addition, the terminal arborizations which form the synaptic buttons as well as the swellings at the branching points could increase the excitability up to 7.5% and 34% for anodic and cathodic stimulation, respectively. Conclusion: The present results suggest that geometric properties of the axon terminals increase the excitability of this segment, turning it to an important target in electrical stimulation. The activation of axon terminals may lead to different responses due to their inhibitory or excitatory effects on the local neurons