Mechanisms of electrical stimulation of a canonical motor microcircuit

典型电机微电路的电刺激机制

基本信息

  • 批准号:
    10247044
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 50.89万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2018-09-30 至 2023-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The neural circuitry of the spinal cord has a unique, repetitive structure that forms an especially promising target for control via electrical stimulation. Furthermore, this structure allows the essential circuits for generation of movements to be preserved below the level of a spinal cord injury (SCI). Electrical stimulation techniques targeted at these remaining sensorimotor circuits are thus becoming highly promising therapies. These approaches usually take advantage of another basic aspect of spinal anatomy, that all sensory axons enter the cord via a highly accessible location, its dorsal surface. Thus dorsal electrical stimulation (DES) via surface electrodes provides effective activation of sensory axons without the need for penetrating electrodes. The spinal connections of these sensory axons mediate potent effects on spinal motor circuits. In this proposal, we examine the neural mechanisms of DES to clearly define its potential for controlling motor output and to create a rational basis for improving its therapeutic implementation. The basic goal of DES is to recreate key functions of the descending inputs from the brain to the cord, which are of course damaged or lost in SCI. Thus a fundamental question is, how well can DES of sensory axons replicate the effects of descending inputs on spinal neurons. To address this question, we focus on the canonical motor microcircuit (CMM), which comprises a single set of antagonist motor pools and the local circuits that process their sensory feedback about muscle length and velocity. The group Ia axons conveying this information are large and likely to be more sensitive to DES than any other type of sensory input. We apply multiple techniques, including intra-axonal recording in sensory axons, extracellular recording of interneurons and voltage clamp in motoneurons. Our Aims are to map the distribution of excitatory and inhibitory synaptic input generated in the CMM by DES, identify the roles of the intrinsic electrical properties of spinal neurons in processing these inputs, assess whether DES activation of sensory axons interferes with their normal function and probe the mechanism that underlie the stability and focus of the CMM when driven by DES or normal sensory inputs. The proposed studies will provide a fundamental underpinning for DES of the spinal cord and are likely to identify new opportunities for improvement its therapeutic effectiveness.
脊髓的神经回路具有独特的重复结构,形成了一种特别有前途的神经回路。 通过电刺激进行控制的目标。此外,这种结构允许基本电路 运动的产生将被保留在脊髓损伤(SCI)水平以下。电刺激 因此,针对这些剩余感觉运动回路的技术正在成为非常有前途的疗法。 这些方法通常利用脊柱解剖学的另一个基本方面,即所有感觉轴突 通过一个易于接近的位置(其背面)进入绳索。因此,背侧电刺激(DES)通过 表面电极无需穿透电极即可有效激活感觉轴突。 这些感觉轴突的脊髓连接对脊髓运动回路产生强大的影响。在这个 提案中,我们研究了 DES 的神经机制,以明确其控制运动输出的潜力 并为改善其治疗实施奠定合理的基础。 DES 的基本目标是 重建从大脑到脊髓的下行输入的关键功能,这些功能当然会被损坏或丢失 在SCI中。因此,一个基本问题是,感觉轴突的 DES 能够在多大程度上复制 脊髓神经元的下降输入。为了解决这个问题,我们重点关注典型的电机微电路 (CMM),由一组拮抗运动池和处理其感觉的局部电路组成 关于肌肉长度和速度的反馈。传递此信息的 Ia 组轴突很大并且很可能 对 DES 比任何其他类型的感官输入更敏感。我们应用多种技术,包括 感觉轴突的轴突内记录、中间神经元的细胞外记录和电压钳 运动神经元。我们的目标是绘制在神经元中产生的兴奋性和抑制性突触输入的分布图。 通过 DES 进行 CMM,确定脊髓神经元的固有电特性在处理这些信息中的作用 输入,评估感觉轴突的 DES 激活是否干扰其正常功能并探测 当由 DES 或正常感官输入驱动时,该机制是 CMM 稳定性和焦点的基础。 拟议的研究将为脊髓 DES 提供基础基础,并可能 寻找提高其治疗效果的新机会。

项目成果

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