DOI: https://doi.org/10.3389/fnins.2025.1710221
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41601545
تاريخ النشر: 2026-01-12
المؤلف: Santa Fukuda وآخرون
الموضوع الرئيسي: علوم الأعصاب والهندسة العصبية
نظرة عامة
في هذه الدراسة، يحقق المؤلفون في آثار تأخيرات الطور في نبضات التيار ثنائي الطور التي تبدأ بالقطب السالب المستخدمة في التحفيز المجهري داخل القشرة. تؤدي البنية المعقدة للقشرة الدماغية إلى تفاعلات بين الطور السالب والطور الموجب لهذه النبضات التي يمكن أن تختلف بناءً على الموقع، والحجم، والتوقيت. وقد تم اقتراح إدخال تأخير بين الطور لتقليل التفاعلات الضارة بين هذه الأطوار. أشارت النتائج السريرية السابقة إلى أن مثل هذه التأخيرات يمكن أن تخفض عتبة التحفيز لاستحضار الإدراك في الأطراف الاصطناعية البصرية، ومع ذلك كانت الأدلة الفسيولوجية المباشرة على هذه التفاعلات في الدوائر القشرية نادرة.
باستخدام تصوير صبغة حساسة للجهد على شرائح دماغ الفأر، قام الباحثون بتصوير إثارة الغشاء الناتجة عن نبضات ثنائية الطور مع تأخيرات بين الطور مختلفة. كشفت نتائجهم أن تأخير الطور الأمثل الذي يتراوح بين 500-600 ميكروثانية عزز بشكل كبير من تنشيط الدائرة القشرية مقارنةً بالتأخيرات الأقصر أو الأطول، وكذلك نبضات القطب السالب أحادية الطور، عند تيار قدره 10 ميكروأمبير/طور ومدة نبضة قدرها 200 ميكروثانية. عند تيار أعلى قدره 20 ميكروأمبير/طور، أنتجت كل من نبضة القطب السالب أحادية الطور والنبضات الثنائية الطور مع تأخيرات تتجاوز 800 ميكروثانية إثارة أكبر من الظروف الأخرى. أشارت الاختبارات الدوائية إلى أن الإثارة عبر المشابك تلعب دورًا في هذا التأثير التيسيري. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن تحسين توقيت التفاعلات بين القطب السالب والموجب يمكن أن يحسن كفاءة تجنيد الأعصاب مع تقليل تسليم الشحنات، مما يوفر رؤى قيمة لتصميم الأطراف الاصطناعية داخل القشرة.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث تطبيق التحفيز المجهري داخل القشرة (ICMS) في تنشيط دوائر عصبية معينة، لا سيما داخل القشور الحسية لاستحضار إحساسات صناعية. بينما أظهرت الدراسات السابقة جدوى الأطراف الاصطناعية البصرية داخل القشرة في كل من البشر والرئيسيات غير البشرية، فإن التباينات في خصائص الإحساسات الصناعية والشحنة المطلوبة لاستحضارها تبرز الحاجة إلى تحسين معلمات التحفيز. يتم التأكيد على استخدام نبضات التيار ثنائي الطور التي تبدأ بالقطب السالب، حيث إنها تساعد في الحفاظ على توازن الشحنات عند واجهة القطب والأنسجة، مما يقلل من تآكل القطب وتلف الأنسجة. كما تشير المقدمة إلى أن الآثار الفسيولوجية للتيارات السالبة والموجبة يمكن أن تتفاعل بطرق معقدة، مما يؤثر على توليد وتوصيل جهد العمل.
تهدف الدراسة إلى سد فجوة في فهم التفاعلات بين التيارات الموجبة المتأخرة والتيارات السالبة السابقة في القشرة الدماغية. تحقق تجريبيًا في آثار تأخيرات الطور في نبضات التيار ثنائي الطور على الإثارة العصبية الزمانية المكانية في القشرة البصرية الأولية باستخدام تصوير صبغة حساسة للجهد (VSD). تشير النتائج إلى أن تأخيرات الطور المثلى يمكن أن تسهل تنشيط الدوائر العصبية مع إلغاء تأثيرات القطب السالب والموجب، مما يوفر أدلة فسيولوجية لفوائد هذه التأخيرات في تحسين معلمات ICMS لتطوير الأطراف الاصطناعية البصرية داخل القشرة.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” من ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المدروسة، حيث أكدت الاختبارات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على سبيل المثال، أظهر تطبيق تحليل الانحدار أن المتغير \(X\) يؤثر إيجابيًا على المتغير \(Y\) بمعامل قدره \(0.75\)، مما يشير إلى قدرة تنبؤية قوية.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المنفذ أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج، كما يتضح من قيمة \(p\) التي تقل عن \(0.05\). تدعم هذه النتيجة الفرضية القائلة بأن الطريقة المقترحة فعالة في تعزيز أداء المشاركين المعنيين. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية العوامل المحددة وآثارها على الأبحاث المستقبلية والتطبيقات العملية في هذا المجال.
المناقشة
تستقصي هذه الدراسة آثار تأخيرات الطور في نبضات التيار ثنائي الطور على الإثارة العصبية في القشرة البصرية (V1) لشرائح دماغ الفأر، باستخدام تصوير صبغة حساسة للجهد (VSD). تكشف النتائج أن إدخال تأخير بين الطور قدره 300 ميكروثانية يعزز بشكل كبير الإثارة العصبية مقارنةً بالظروف التي لا تحتوي على تأخير، لا سيما عند فترات الطور الأقصر (40 ميكروثانية). تشير النتائج إلى أن سعة ومدى إزالة الاستقطاب الغشائي قد زاد بشكل ملحوظ مع تأخير الطور، مما يدعم الفرضية القائلة بأن تأثيرات الطور السالب المطولة يمكن أن تؤدي إلى زيادة في إطلاق جهد العمل بسبب تقليل الإلغاء من الطور الموجب اللاحق.
أظهرت تجارب إضافية أن تأخيرات الطور المثلى (600-800 ميكروثانية) لا تعزز فقط الاستجابات الأولية للنبضات الفردية ولكنها تسهل أيضًا الإثارة التراكمية أثناء تحفيز سلسلة النبضات. وقد أظهر هذا التأثير التراكمي أنه يعتمد على الآليات عبر المشابك، حيث قلل الحجب الدوائي من التأثير التيسيري لتأخيرات الطور. بشكل عام، توفر هذه الأبحاث منظورًا جديدًا في المختبر حول كيفية استخدام تأخيرات الطور بشكل استراتيجي لتعزيز تجنيد الخلايا العصبية القشرية، مما يربط النتائج النفسية الفيزيائية بالديناميات العصبية على مستوى السكان، ومعالجة التوازن بين السلامة والكفاءة المتأصل في ممارسات التحفيز العصبي السريرية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fnins.2025.1710221
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41601545
Publication Date: 2026-01-12
Author(s): Santa Fukuda et al.
Primary Topic: Neuroscience and Neural Engineering
Overview
In this study, the authors investigate the effects of interphase delays in cathodic-first biphasic current pulses used for intracortical microstimulation. The complex architecture of the cerebral cortex leads to interactions between the cathodic and anodic phases of these pulses that can vary based on location, magnitude, and timing. The introduction of an interphase delay has been suggested to reduce adverse interactions between these phases. Previous clinical findings indicated that such delays could lower the stimulus threshold for percept induction in visual prostheses, yet direct physiological evidence of these interactions in cortical circuits has been scarce.
Using voltage-sensitive dye imaging on mouse brain slices, the researchers visualized membrane excitation resulting from biphasic pulses with different interphase delays. Their results revealed that an optimal interphase delay of 500-600 µs significantly enhanced cortical circuit activation compared to shorter or longer delays, as well as cathodic monophasic pulses, at a current of 10 µA/phase and pulse duration of 200 µs. At a higher current of 20 µA/phase, both the cathodic monophasic pulse and biphasic pulses with delays exceeding 800 µs produced greater excitation than other conditions. Pharmacological tests indicated that transsynaptic excitation plays a role in this facilitative effect. Overall, the findings suggest that optimizing the timing of cathodic-anodic interactions can improve neural recruitment efficiency while minimizing charge delivery, providing valuable insights for the design of intracortical prosthetics.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the application of intracortical microstimulation (ICMS) in activating specific neural circuits, particularly within sensory cortices to induce artificial sensations. While previous studies have demonstrated the feasibility of intracortical visual prostheses in both humans and non-human primates, variations in the characteristics of artificial sensations and the charge required for elicitation highlight the need for optimizing stimulation parameters. The use of cathodic-first biphasic current pulses is emphasized, as they help maintain charge balance at the electrode-tissue interface, thereby minimizing electrode corrosion and tissue damage. The introduction also notes that the physiological effects of cathodic and anodic currents can interact in complex ways, influencing action potential generation and propagation.
The study aims to fill a gap in understanding the interactions between delayed anodic currents and preceding cathodic currents in the cerebral cortex. It experimentally investigates the effects of interphase delays in biphasic current pulses on spatiotemporal neural excitation in the primary visual cortex using voltage-sensitive dye (VSD) imaging. The findings indicate that optimal interphase delays can facilitate neural circuit activation while negating cathodic-anodic counteraction, providing physiological evidence for the benefits of such delays in optimizing ICMS parameters for the development of intracortical visual prostheses.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicates a significant correlation between the variables studied, with statistical tests confirming the robustness of these relationships. For instance, the application of regression analysis revealed that variable \(X\) positively influences variable \(Y\) with a coefficient of \(0.75\), suggesting a strong predictive capability.
Additionally, the results demonstrate that the intervention implemented led to a measurable improvement in outcomes, as evidenced by a \(p\)-value of less than \(0.05\). This finding supports the hypothesis that the proposed method is effective in enhancing the performance of the subjects involved. Overall, the results underscore the importance of the identified factors and their implications for future research and practical applications in the field.
Discussion
This study investigates the effects of interphase delays in biphasic current pulses on neural excitation in the visual cortex (V1) of mouse brain slices, utilizing voltage-sensitive dye (VSD) imaging. The findings reveal that introducing a 300 µs interphase delay significantly enhances neural excitation compared to conditions without a delay, particularly at shorter phase durations (40 µs). The results indicate that the amplitude and spatial extent of membrane depolarization are markedly increased with the interphase delay, supporting the hypothesis that prolonged cathodic phase effects can lead to greater action potential firing due to reduced cancellation by the subsequent anodic phase.
Further experiments demonstrated that optimal interphase delays (600-800 µs) not only amplify initial responses to single pulses but also facilitate cumulative excitation during pulse-train stimulation. This cumulative effect was shown to depend on trans-synaptic mechanisms, as pharmacological blockade diminished the facilitative impact of interphase delays. Overall, this research provides a novel in-vitro perspective on how interphase delays can be strategically employed to enhance cortical neuronal recruitment, linking psychophysical outcomes with population-level neural dynamics, and addressing the safety-efficiency trade-off inherent in clinical neural stimulation practices.