توصيفگر ها :
دوپامين , ناحيه تگمنتال شكمي , مدلسازي , مدل هاچكين-هاكسلي , كنترل , اعتياد , افسردگي
چكيده فارسي :
دوپامين يكي از اصلي‌ترين انتقال‌دهنده‌هاي عصبي مغز است كه توسط چندين مسير دوپامينرژيك به نواحي مختلف مغز ارسال مي‌شود. اختلال در عملكرد اين مسيرهاي دوپامينرژيك، سبب اختلالات عصبي و روانپزشكي همچون پاركينسون، اسكيزوفرني، نقص توجه و بيش‌فعالي، اختلالات خلقي و اعتياد مي‌شود. يكي از مسيرهاي مهم دوپامينرژيك مغز، مدار مزوليمبيك معروف به مدار پاداش است كه دوپامين توليد شده در ناحيه تگمنتال شكمي را به مناطق هدف، از جمله هسته اكومبنس، قشر جلوي مغز، آميگدال و هيپوكامپ مي‌فرستد. ناحيه تگمنتال شكمي يكي از دو مراكز اصلي ترشح دوپامين در مغز است و از سه نوع نورون دوپامينرژيك، گابارژيك و گلوتاماترژيك تشكيل شده است. نورون‌هاي دوپامينرژيك اصلي‌ترين نورون‌هاي ناحيه تگمنتال شكمي هستند كه 60 درصد آن را تشكيل مي‌دهند. نحوه فعاليت اين نورون‌ها توسط ورودي‌هاي بازدارنده كه از نورون‌هاي گابارژيك ناحيه تگمنتال شكمي، توليد و به آن‌ها وارد مي‌شود، تنظيم مي‌گردد. مدلسازي ناحيه تگمنتال شكمي، مي‌تواند به درك عملكرد اين ناحيه و درنتيجه درمان بيماري‌هاي مربوط به مدار پاداش همچون اعتياد و افسردگي كمك كند. در اين پژوهش مدلي براي ناحيه تگمنتال شكمي شامل مدل ديناميكي ولتاژ غشاء يك نورون دوپامينرژيك و مدل ديناميكي ولتاژ غشاء 30 نورون گابارژيك به‌دست‌آمده است. به دليل جمعيت اندك نورون‌هاي گلوتاماترژيك و مطالعات كم انجام شده پيرامون آن‌ها، از مدلسازي اين نورون‌ها صرف‌نظر شده است. به منظور نزديك كردن مدل به شرايط واقعي، تاثير عدم‌قطعيت پارامترها و جريان‌هاي مدل نشده به عنوان جريان اختلال به مدل افزوده شد. همچنين پارامترهاي قابل‌تغيير، به‌گونه‌اي تنظيم شد كه مدل مانند ناحيه تگمنتال شكمي فرد مبتلا به اعتياد، نرخ آتش و در نتيجه انتشار دوپامين كمي داشته باشد. سپس در راستاي بازگرداندن فعاليت طبيعي مدل، دو رويكرد براي كنترل آن در نظر گرفته شد. هر دوي اين رويكردها توسط سه نوع كنترل‌كننده دو آستانه، تناسبي و حالت لغزشي فراپيچشي، 10 مرتبه بر مدل اعمال گرديد. براي ارزيابي عملكرد اين كنترل‌كننده‌ها از مجذور ميانگين مربعات خطا و همچنين انرژي ورودي كنترلي به‌عنوان معيار سنجش استفاده شد. در رويكرد اول، كنترل ولتاژ غشاء نورون دوپامينرژيك به گونه‌اي انجام شد كه الگوي ولتاژ مطلوب رديابي شود. در اين رويكرد كنترل‌كننده حالت لغزشي فراپيچشي با داشتن كمترين مجذور ميانگين مربعات خطا براي عدم‌قطعيت‌ها و جريان‌هاي اختلال مختلف، بهترين عملكرد را نشان داد. همچنين با افزايش عدم‌قطعيت تغيير چنداني در انرژي ورودي كنترلي اين كنترل‌كننده مشاهده نشد. در اين رويكرد كنترل‌كننده دو آستانه با داشتن مجذور ميانگين مربعات خطاي بالاتر از 14 ميلي ولت عملكرد مطلوبي ارائه نكرد. در رويكرد دوم، كنترل نرخ آتش نورون دوپامين به‌عنوان اصلي‌ترين ويژگي ولتاژ غشاء انجام گرفت و هدف رساندن اين نرخ به 10 هرتز تعيين شد. در اين رويكرد نيز بر اساس نتايج به‌دست‌آمده از مجذور ميانگين مربعات خطا و همچنين انرژي ورودي كنترلي سه كنترل‌كننده، بهترين عملكرد متعلق به كنترل‌كننده حالت لغزشي فراپيچشي و بعد از آن كنترل‌كننده تناسبي بود. كنترل‌كننده دو آستانه نيز تا حدودي موفق عمل كرد؛ اما به اشباع رفتن مدل توسط اين كنترل‌كننده محتمل بود. اميد است نتايج به‌دست‌آمده در اين پژوهش بتواند گامي موثر در راستاي درمان بيماري‌هاي مربوط به مدار پاداش مغز، به‌خصوص معضل اجتماعي اعتياد باشد.
چكيده انگليسي :
Dopamine is one of the primary neurotransmitters in the brain, which is sent to various brain regions through several dopaminergic pathways. Dysfunction of these dopaminergic pathways can lead to neurological and psychiatric disorders such as Parkinson's disease, schizophrenia, attention deficit hyperactivity disorder (ADHD), mood disorders, and addiction The mesolimbic pathway, also known as the reward circuit, is a crucial dopaminergic pathway that relays dopamine produced in the ventral tegmental area (VTA) to target regions, including the nucleus accumbens, prefrontal cortex, amygdala, and hippocampus. The VTA, one of the brain's two major dopamine-producing centers, comprises three types of neurons: dopaminergic, GABAergic, and glutamatergic neurons. Dopaminergic neurons, constituting 60% of VTA neurons, are the predominant cell type. Their activity is regulated by inhibitory inputs from GABAergic neurons in the VTA. Modeling the VTA can aid in understanding its function and, consequently, developing treatments for reward circuit disorders like addiction and depression. This study presents a VTA model encompassing the dynamic membrane voltage model of a single dopaminergic neuron and the dynamic membrane voltage model of 30 GABAergic neurons. Due to the very small population of glutamatergic neurons and limited studies conducted on them, modeling these neurons has been disregarded. To enhance model realism, the effects of parameter uncertainty and unmodeled currents were incorporated as disturbance currents. Additionally, the adjustable parameters were tuned in a way that the model mimics the ventral tegmental area of an addicted individual, with reduced firing rates and consequently reduced dopamine release. Two control approaches were investigated to restore normal model activity: voltage-based and firing rate-based control. Both approaches were implemented 10 times using three types of controllers: dual-threshold, proportional, and super-twisting sliding mode controllers. The root mean squared error (MSE) and control input energy were employed to assess controller performance. In the voltage-based approach, the dopaminergic neuron's membrane voltage was controlled to track a desired voltage pattern. The super-twisting sliding mode controller exhibited the best performance under various uncertainties and disturbance currents, with the lowest RMSE. Moreover, its control input energy remained relatively unaffected by increasing uncertainty. In this approach, the dual-threshold controller's performance was unsatisfactory, with an RMSE exceeding 14 mV. In the firing rate-based approach, the dopaminergic neuron's firing rate, a key aspect of membrane voltage, was controlled with the objective of achieving a firing rate of 10 Hz. The super-twisting sliding mode controller again outperformed the other controllers based on RMSE and control input energy. The proportional controller demonstrated moderate performance, while the two-threshold controller exhibited saturation issues. The findings of this study hold promise for developing effective treatments for reward circuit disorders, particularly the societal challenge of addiction.
