کنترل فعالیت پاتولوژیکی هسته های قاعده ای پارکینسونی با شبکه bg تحت تحریک نوری در مدل اپتوژنتیک سه حالته و چهار حالته chr2 و سه حالته nphr

زمینه. بیماری پارکینسون یک اختلال عصبی است که در اثر اختلال در عملکرد هسته های قاعده ای و به ویژه جسم سیاه و کاهش سطوح دوپامین در مدارهای عصبی این بخش ایجاد می شود. روش کار. در این مقاله برای بررسی تاثیر تحریک اپتوژنتیک در سیستم های عصبی پارکینسونی برای اولین بار مدل کامل bg (شامل تمامی نورون های موثر) برای شبیه سازی نورون های هسته های قاعده ای انتخاب شده و برای بیماری پارکینسون و اعمال تحریک اپتوژنتیک سه و چهار حالته توسعه داده شده است. برای این منظور، اپسین های cheta، chrwtوnphr به دو حالت تحریک سه و چهار حالته و شرایط تحریک مختلف به ازای پارامترهای مختلف در مدل bg مورد بررسی قرار گرفته است. یافته ها. برای راستی آزمایی مدل توسعه یافته، نتایج به دست آمده با نتایج مطالعات آزمایشگاهی مقایسه شده است. میزان مطابقت به ازای شرایط مختلف تحریک و ژن های مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. برای ارزیابی عملکرد مدل bg برای هر ژن در شرایط تحریک سه و چهارحالته با مقادیر مختلف پارامترها شاخص خطا محاسبه شده و شرایط تحریکی که شاخص خطا برابر با صفر را ایجاد کرده اند به عنوان شرایط بهینه معرفی شده است. براساس نتایج بدست آمده، فرکانس های 20 و 200 هرتز در مدل چهار حالته chrwt و فرکانس 80 هرتز در مدل سه حالته cheta به عنوان ژن ها، فرکانس ها و مدل های بهینه معرفی شده اند. نتیجه گیری. پاسخ نورون های gpe با نتایج آزمایشگاهی مطابقت داشته و پاسخ دیگر نورون ها نیز مشابه با پاسخ نورون هایgpe می باشد. در شرایط بهینه، نورون های stn ورودی تحریکی و نورون های gpe ورودی مهاری مناسب به gpi اعمال می کنند و نورون های gpi قادر به اعمال ورودی مهاری مناسب به th شده و در نتیجه عملکرد آن بهبود یافته و اثرات پاتولوژیکی بیماری پارکینسون از بین می رود. پیامدهای عملی. در این پژوهش سعی شده است که با تحریک اپتوژنتیک با انتخاب اپسین های مناسب عملکرد هسته های قاعده ای را بهبود داده و علائم پاتولوژیکی بیماری پارکینسون را از بین برد.

controlling the pathological activity of parkinsonian basal nuclei with the basal ganglia network model under light stimulation in the three-state, four-state channelrhodopsin, and three-state halorhodopsin optogenetic models

background. parkinson’s disease (pd) is a neurological disorder caused by the dysfunction of the basal nuclei, especially the substantia nigra, and a decrease in dopamine levels in the neural circuits of this part. in this paper, to investigate the effects of optogenetic stimulation on parkinsonian nervous systems, a complete model of basal ganglia (bg, including subthalamic nucleus [stn], globus pallidus interna [gpi], globus pallidus externa [gpe], and thalamus [th] neurons) was first selected to simulate the neurons of the basal nuclei and was developed for pd using three- and four-state optogenetic stimulation. methods. for this purpose, channelrhodopsin-2 (cheta), chrwt, and halorhodopsin (nphr) opsins were evaluated in three-state and four-state stimulation modes, and different stimulation conditions according to different parameters in the bg model were taken into consideration. results. to verify the developed model, the obtained results were compared with the results of experimental studies. the amount of compliance for different stimulation conditions and various genes underwent investigation. the value of the error index was calculated to evaluate the performance of the bg model for each gene in three- and four-state stimulation conditions with different values of basic parameters, and the stimulation conditions that created the error index equal to zero were introduced as optimal conditions. based on the results, the frequencies of 20 hz and 200 hz in the four-state chrwt model and the frequency of 80 hz in the three-state cheta model have been suggested as optimal genes, frequencies, and models. conclusion. the response of gpe neurons was consistent with the experimental results, and the response of other neurons was also similar to the response of gpe neurons. in optimal conditions, stn and gpe neurons could provide excitatory input and appropriate inhibitory input to gpi, respectively, and gpi neurons could provide appropriate inhibitory input to th, and as a result, its function improved and the pathological effects of pd disappeared. practical implications. in this research, it has been attempted to improve the function of the basal nuclei of the brain by using optogenetic stimulation and the elimination of the pathological symptoms of pd.