末梢軸索の形状と局所解剖が磁気刺激クロナクシーに与える影響

2024-06-04 Tue
周囲神経の幾何形状と局所解剖が磁気刺激時間定数に与える影響背景紹介高速切り替えの磁気共鳴画像法（MRI）の勾配場は人体内に十分な電場を発生させ、周囲神経刺激（Peripheral Nerve Stimulation, PNS）を引き起こし、画像化速度や分解能の向上を制限します。PNS閾値の強度-持続時間曲線は、周期波形の刺激閾値を特徴づけるために広く利用され、時間定数（Chronaxie）と基礎電圧（Rheobase）でパラメータ化されます。現在のMRI安全基準は、すべての神経の反応を特徴づける単一の時間定数値に依存しています。しかし、実験結果は周囲神経の時間定数値が1桁異なることを示しています。これは、さまざまな時間定数値とMRI安全モデルにおけるこの値の重要性が観察されていることから、時間定数のばらつきを引き起こすメカニズムを理解することが重要です。
論文元この研究成果は、Natalie G. Ferris、Valerie Klein、Bastien Guerin、Lawrence L. Wald、およびMathias Davidsなどの人々によって共同で行われ、研究メンバーはハーバード大学生物物理学大学院プログラム、ハーバード-MIT健康科学技術部門、およびハーバード医学校に属しています。論文はJournal of Neural Engineeringに掲載されました。
研究プロセス研究方法研究者たちは結合電磁-神経ダイナミック周囲神経刺激モデルを利用して、時間定数のばらつきを引き起こす幾何形状の要因を評価しました。彼らは、刺激磁場コイルと体の位置関係、局所解剖学的特徴、および神経の軌跡が駆動関数や時間定数に与える影響を研究しました。
研究は以下の手順で行われました：
1. 電磁-神経ダイナミックPNSモデル: まず、与えられたコイルの幾何形状が人体モデルに誘発する電場を予測し、電場を神経マップに投影し結果を統合して、神経に沿った電位を得ます。その後、神経環境における神経細胞の反応を計算します。
2. 研究対象: 2つの異なる脚部モデルを使用しました。1つは実際の脚部モデル、もう1つは簡略化された円筒形脚部モデルです。コイルの位置と軸方向角度が時間定数と基礎電圧に与える影響を研究しました。
結果分析実際の脚部モデル: コイルのz位置と回転角度を変えることで、これらの変化が異なる神経のPNS閾値とその時間定数および基礎電圧に与える影響を研究しました。
簡略化脚部モデル: 異なる幾何パラメータ（例：曲げ角度、半径、骨格空隙の長さと高さ）が電場の形態、時間定数、および基礎電圧に与える影響を分析しました。
主な結果実際の脚部モデルコイルの位置と回転角度の変更はPNS閾値に著しい影響を与えました。ある位置では、最も敏感な神経の位置が変わり、時間定数と基礎電圧が変わります。例えば、コイルがz=0mからz=0.1mに移動した場合、最も敏感な神経の位置が普通腓骨神経から内側腓骨神経に変わり、閾値が72mTから157mTに増加し、時間定数が459μsから317μsに低下しました。
簡略化脚部モデルこの簡略化モデルを通じて、研究者は神経の軌跡と局所解剖が電場の形成に与える影響をより良く理解できました。例えば、曲げ角度を増やすと（一定の曲げ半径の場合）、時間定数が減少し、曲げ半径を増やすと（一定の角度の場合）、時間定数が増加しました。骨格空隙モデルでは、空隙の長さと高さが電場「ホットスポット」の形態とその時間定数および基礎電圧に著しい影響を与えました。
駆動関数分析駆動関数（Driving Function, DF）は、異なる幾何学的特徴が電場変化に与える応答を決定するために使用されました。例えば、曲がった神経のDFは、曲げ半径が小さい（例：1mm）ほど電場勾配が急峻で、DFの振幅が大きくなり、それに応じて時間定数が短くなることを示しました。
電場誘導膜電位変動電場によって誘導される膜電位変動を計算することで、研究者は異なる幾何学的特徴が膜電位の時間的変化に与える影響を分析しました。いくつかの幾何的場面では、電荷の蓄積と放散の速度が刺激閾値および時間定数に影響を与えました。例えば、曲げ半径が1mmの小さな曲がった神経と9mmの大きな曲がった神経は、初期の電荷に大きな差はないものの、時間定数は明らかに異なります。
結論と意義この研究は、MRIの磁気刺激時間定数の変動を引き起こすメカニズムの一つとして、刺激パターンによって生成される電荷が軸索上に蓄積し、その後、異なるタイムスケールで分布されることを示しました。固定された生理学的および内在的なパラメータを持つ神経において、膜電位の消散速度が刺激閾値と時間定数に影響を与えます。この研究は、時間定数の変動メカニズムを理解することで、実際のPNS閾値を汎用的に記述し、MRIやMPIの安全基準を向上させることができることを示しました。
研究のハイライト神経の軌跡と局所解剖が時間定数に与える影響を明確にしました。
結合電磁-神経ダイナミックモデルを含むPNS予測フレームワークを確立しました。
電荷消散速度が時間定数の変動の基礎的な要因であることを発見しました。
研究の価値これらの発見は、現在の勾配安全モニタリング方法にとって重要であり、単一の時間定数値に依存してPNS安全限界を設定することの限界を明らかにします。また、詳細な実験データや実際の人体モデルを使用して時間定数の変動を捉えることの重要性を強調しています。本研究の長期的な目標は、時間定数の変動の起源を理解し、患者の身体特性、位置、およびコイルタイプの変化をより正確に反映するために、MRIおよびMPIの安全基準を最適化することです。