Hiệu ứng Domino và sự đồng bộ khi bắt đầu co giật - Bệnh động kinh

Bệnh động kinh, một bệnh thần kinh gây ra các cơn co giật tái phát với một loạt các tác động, ảnh hưởng đến khoảng 50 triệu người trên thế giới. Tình trạng này đã được công nhận từ lâu - các bản ghi chép về các triệu chứng động kinh có từ năm 4000 trước Công nguyên Nhưng bất chấp lịch sử kiến ​​thức và điều trị lâu dài này, các quá trình chính xác xảy ra trong não trong cơn động kinh vẫn khó nắm bắt.

Các nhà khoa học đã quan sát thấy các mô hình đặc biệt trong hoạt động điện của các nhóm tế bào thần kinh trong bộ não khỏe mạnh. Mạng lưới tế bào thần kinh di chuyển qua các trạng thái có hành vi tương tự (đồng bộ hóa) và hành vi không giống nhau (không đồng bộ hóa) trong một quá trình liên quan đến trí nhớ và sự chú ý. Nhưng trong một bộ não bị rối loạn thần kinh như động kinh, sự đồng bộ hóa có thể phát triển đến mức nguy hiểm khi một tập hợp các tế bào não bắt đầu phát ra điện dư thừa. Jennifer Creaser của Đại học Exeter cho biết: “Đồng bộ hóa được cho là quan trọng đối với việc xử lý thông tin. "Nhưng đồng bộ hóa quá nhiều - chẳng hạn như những gì xảy ra trong cơn co giật động kinh hoặc bệnh Parkinson - có liên quan đến các trạng thái bệnh và có thể làm suy giảm chức năng não."

Các phép đo về cơn động kinh cho thấy sự mất đồng bộ trong mạng lưới não bộ thường xảy ra trước hoặc trong giai đoạn đầu của cơn động kinh. Khi cơn động kinh tiến triển, các mạng lưới ngày càng trở nên đồng bộ hơn khi các vùng não bổ sung tham gia, dẫn đến mức độ đồng bộ hóa cao cho đến cuối cơn động kinh. Hiểu được mối tương tác giữa hoạt động điện tăng lên trong cơn động kinh và những thay đổi trong đồng bộ hóa là một bước quan trọng để cải thiện chẩn đoán và điều trị bệnh động kinh.
Jennifer Creaser, Peter Ashwin (Đại học Exeter) và Krasimira Tsaneva-Atanasova (Đại học Exeter, Đại học Kỹ thuật Munich, và Học viện Khoa học Bungari) đã khám phá các cơ chế đồng bộ hóa đi kèm với sự khởi phát động kinh trong một bài báo được xuất bản vào tháng 12 trên tạp chí Tạp chí SIAM về các hệ thống động lực học ứng dụng. Trong nghiên cứu của họ - diễn ra tại Trung tâm Mô hình Dự đoán trong Chăm sóc Sức khỏe của Hội đồng Nghiên cứu Kỹ thuật và Khoa học Vật lý tại Đại học Exeter và Đại học Birmingham - các nhà nghiên cứu đã sử dụng mô hình toán học để khám phá sự tương tác giữa các nhóm tế bào thần kinh trong não dẫn đến quá trình chuyển đổi đồng bộ thay đổi trong thời gian khởi phát cơn động kinh. Ashwin nói: “Mặc dù đây là một nghiên cứu lý thuyết về một mô hình lý tưởng hóa, nhưng nó được lấy cảm hứng từ những thách thức đặt ra khi hiểu được sự chuyển đổi giữa hoạt động lành mạnh và bệnh lý trong não.

Các tác giả sử dụng một phiên bản mở rộng của một mô hình toán học hiện có thể hiện bộ não như một mạng lưới kết nối nhiều nút của các nhóm nơ-ron. Mạng mô hình bao gồm các nút bistable, nghĩa là mỗi nút có thể chuyển đổi giữa hai trạng thái ổn định: nghỉ (trạng thái yên) và động (trạng thái hoạt động và dao động). Các nút này vẫn ở trạng thái hiện tại của chúng cho đến khi chúng nhận được một kích thích cung cấp cho chúng một cú hích đủ để thoát sang trạng thái khác. Trong mô hình, kích thích này đến từ các nút kết nối khác hoặc xuất hiện dưới dạng "tiếng ồn" —các nguồn bên ngoài của hoạt động thần kinh, chẳng hạn như phản ứng nội tiết liên quan đến trạng thái cảm xúc hoặc thay đổi sinh lý do bệnh tật.

Ảnh hưởng giữa các nút lân cận được điều chỉnh bởi một hàm ghép thể hiện cách thức mà các nút trong mạng giao tiếp với nhau. Kiểu đầu tiên trong số hai kiểu ghép nối có thể có là ghép nối biên độ, được điều chỉnh bởi "độ lớn" của các nút lân cận. Thứ hai là ghép pha, có liên quan đến tốc độ bắn của các nút láng giềng. Mặc dù các nhà nghiên cứu cần sử dụng một công thức đơn giản trên một mạng nhỏ để thậm chí có thể thực hiện phân tích của họ — một hệ thống phức tạp hơn và thực tế hơn sẽ bị hao hụt quá nhiều về mặt tính toán — họ mong đợi mô hình của họ thể hiện các loại hành vi giống như các bản ghi lâm sàng về hoạt động thực của não.
Các nút trong hệ thống được mô hình hóa đều bắt đầu ở trạng thái nghỉ ngơi khỏe mạnh. Trong nghiên cứu trước đây, các tác giả phát hiện ra rằng việc thêm một lượng nhỏ tiếng ồn vào hệ thống khiến mỗi nút chuyển sang trạng thái hoạt động - nhưng hình dạng của hệ thống khiến việc quay trở lại trạng thái nghỉ mất nhiều thời gian hơn là rời đi. Do đó, những lần thoát này có thể lan truyền tuần tự như một " hiệu ứng domino " khi một số nút được kết nối với nhau. Điều này dẫn đến một loạt các cuộc trốn chạy đến trạng thái hoạt động - giống như một dòng dominos rơi xuống - lan truyền hoạt động trên toàn mạng.

Bài báo mới của Creaser, Ashwin và Tsaneva-Atanasova được xây dựng dựa trên nghiên cứu trước đây về hiệu ứng domino để khám phá các quá trình chuyển đổi thành và ra ngoài đồng bộ xảy ra trong các đợt vận động đột ngột quá mức. Nhóm đã sử dụng mô hình của họ để xác định các trường hợp dẫn đến những thay đổi này trong tính đồng bộ và điều tra cách loại kết nối trong mạng ảnh hưởng đến hành vi của nó.

Khi mô hình chỉ kết hợp khớp nối biên độ, nó thể hiện một hiện tượng mới trong đó hiệu ứng domino có thể tăng hoặc giảm tốc. Tuy nhiên, ảnh hưởng này không ảnh hưởng đến các thay đổi đồng bộ hóa trong mạng; tất cả các nút đã bắt đầu và vẫn được đồng bộ hóa. Nhưng khi mô hình kết hợp biên độ tổng quát hơn và ghép pha, các tác giả nhận thấy rằng tính đồng bộ của các nút có thể thay đổi giữa các lần thoát liên tiếp trong hiệu ứng domino. Sau đó, họ xác định điều kiện nào sẽ gây ra những thay đổi trong tính đồng bộ dưới ghép biên độ pha. Sự thay đổi đồng bộ trong suốt trình tự vượt mức giới hạn này là kết quả mới nhất của nghiên cứu.
Kết quả của công việc này có thể tạo điều kiện cho các nghiên cứu sâu hơn về các cơn động kinh và cách quản lý chúng. "Mô hình toán học về sự bắt đầu và lan truyền cơn co giật không chỉ có thể giúp khám phá các cơ chế cơ bản phức tạp của cơn co giật mà còn cung cấp một phương tiện để kích hoạt trong silicoTsaneva-Atanasova nói rằng các thí nghiệm để dự đoán kết quả của việc điều khiển hệ thống thần kinh. Hiểu được tác động qua lại giữa động lực đồng bộ và không đồng bộ trong mạng não có thể giúp xác định các biện pháp liên quan đến lâm sàng để điều trị co giật. +