Therapeutic electrical stimulation strategies for neuroregeneration and neuroprotection of retinal neurons
Retinal nöronların nöroproteksiyonu ve nörorejenerasyonu için terapötik elektriksel uyarım stratejileri
- Tez No: 1012795
- Danışmanlar: PROF. DR. GİANLUCA LAZZİ, PROF. DR. MARK HUMAYUN, PROF. DR. KİMBERLY GOKOFFSKİ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyomühendislik, Bioengineering
- Anahtar Kelimeler: İmplante edilebilir nörostimülatörler, Implantable neurostimulators
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Unıversıty Of Southern Calıfornıa
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Biyomedikal Bilimler ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
- Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
İnsan sinir sistemi, fiziksel travma veya dejeneratif bozukluk sonucu geri dönüşü olmayan hasarlara karşı hassastır ve bu durum nörolojik işlevlerin kaybına yol açabilir. Merkezi sinir sisteminde (MSS) oluşan hasarların iyileşmesi, bu sistemin rejenerasyon kapasitesinin sınırlı olması nedeniyle zordur. Buna karşılık, periferik sinir sistemi (PSS) kendini yenileyebilse de ciddi hasarlar kalıcı kayıplara veya hatalı rejenerasyona yol açarak işlevsel bozukluklara neden olabilir. Bu gibi durumlarda hücresel yanıtları uyararak büyüme faktörlerini aktive etmek ve inhibitör sinyalleri aşarak tam rejenerasyonu sağlamak amacıyla, dış müdahalelere ihtiyaç duyulmaktadır. Elektroterapi alanı son yıllarda önemli ölçüde gelişerek nörolojik bozuklukların tedavisinde umut vadeden yaklaşımlar sunmaktadır. Dışarıdan uygulanan elektrik alanlarının kullanımı, nöronal hasarın tedavisinden protez sistemler aracılığıyla bozulmuş sinirsel fonksiyonların yeniden kazandırılmasına kadar geniş bir yelpazede dikkat çekici bir potansiyel göstermiştir. Bu gelişmeler, insan sinir sisteminin karmaşık yapısının anlaşılmasında ve nöral protezlerin geliştirilmesinde önemli dönüm noktaları niteliğindedir. Elektriksel uyarım, erişimi kolay dokularda uyarım sağlamak ve bazı nöral implantlarda doğrudan fonksiyonel sonuçlar elde etmek açısından yaygın olarak kullanılsa da erişimi sınırlı dokuların hedeflenmesi ve karmaşık nöronal ağlar içerisinde istenen fonksiyonel yanıtların oluşturulmasında önemli zorluklar halen devam etmektedir. Bu tez çalışması, özellikle görme sistemi (retinadan optik sinire kadar) için uyarlanmış elektriksel uyarım yaklaşımları aracılığıyla nörorejenerasyon ve nöroproteksiyon alanında yenilikçi yaklaşımlar sunmaktadır. Her bir uygulama için elektrot ve dalga biçimi tasarımlarını içeren özgün uyarım stratejileri, kapsamlı hesaplamalı modeller ve deneysel doğrulamalar ile desteklenerek sunulmaktadır. Büyük ölçekli biyoelektromanyetik modellerin çözümü için geliştirilen üç boyutlu Admitans Yöntemi (Admittance Method, AM) hesaplama platformu, hücre dışı elektrik alanlara tekil nöron yanıtlarının simülasyonu amacıyla NEURON simülasyon ortamı ile birlikte kullanılmaktadır. Ayrıca çalışma, retinitis pigmentosa sırasında ortaya çıkan sinyal iletim örüntülerini çözümlemek amacıyla AM-NEURON simülasyon platformundan yararlanarak dejenerasyona uğrayan retinaya ait bağlantısal (connectome tabanlı) bir ağ modeli kullanmaktadır. Bu yaklaşımın temel amacı hastalığın erken evresinde uygulanabilecek terapötik müdahalelerin optimize edilmesine yönelik fikirler edinmektir. Son olarak bu çalışma, elektriksel uyarıma karşı toleransı artırmayı hedefleyen yenilikçi bir harici devre tasarımını incelemektedir. Önerilen tasarım, yük enjeksiyon mekanizmasını optimize ederek uyarım protokollerinin etkinliğini ve güvenliğini artırma potansiyeli taşımaktadır.
Özet (Çeviri)
The human nervous system is vulnerable to irreversible damage which may result from physical trauma or degenerative disorders, culminating in the loss of neurological functions. Recovery from damage to the central nervous system (CNS) is challenging, given its inherent incapability for regeneration. Conversely, while the peripheral nervous system (PNS) can regenerate itself, severe damage may still result in permanent loss or distorted regeneration, leading to functional deficits. In such scenarios, external interventions are necessary to stimulate cellular responses to activate growth factors and overcome inhibitory cues to facilitate complete regeneration. The field of electrotherapy has evolved considerably, offering promising avenues for addressing neurological impairments. The application of externally induced electric fields has demonstrated remarkable potential across various domains, ranging from treating neuronal damage to replacing impaired neural function through prosthetics. These advancements stand as pivotal breakthroughs in unraveling the complexities of the human nervous system and the development of neural prostheses. While electrical stimulation has found widespread application in stimulating tissues at easily accessible sites and yielding straightforward functional outcomes for some neural implants, challenges persist when attempting to target tissues with limited accessibility and evoke desired functional responses within complex neuronal networks. This dissertation introduces innovative approaches in neuroregeneration and neuroprotection using electrical stimulation, specifically tailored for the visual system-from the retina to the optic nerve. Distinct stimulation strategies involving electrode and waveform designs for each application are presented, supported by rigorous computational models and experimental validations. The three-dimensional Admittance Method (AM) computational platform developed for solving large scale bioelectromagnetic models is used in conjunction with the NEURON simulation environment for simulating responses of individual neurons to an induced extracellular electric field. Moreover, the study employs a connectome-based network model of the degenerating retina, leveraging the AM-NEURON simulation platform to decipher underlying signaling patterns during retinitis pigmentosa. The primary goal is to gain insights for optimizing therapeutic interventions during the early-stage of the disease. Lastly, this work explores an innovative external circuit design aimed at enhancing the tolerance to electrical stimulation. The proposed design optimizes the mechanism of charge injection, holding significant promise in improving the effectiveness and safety of stimulation protocols.
Benzer Tezler
- In Vitro primary neuron and Ex Vivo retina stimulation with optoelectronic biointerfaces
Optoelektronik biyoarayüzler ile In Vitro primer nöron ve Ex Vivo retina uyarımı
HÜMEYRA NUR KALELİ
Doktora
İngilizce
2025
BiyomühendislikKoç ÜniversitesiTıbbi Genetik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CELAL MURAT HASANREİSOĞLU
- Kedi ve köpeklerin rehabilitasyonunda nörolojik ve ortopedik rahatsızlıklar için fizik tedavi uygulamaları ve sonuçlarının değerlendirilmesi
Physical therapy applications for neurological and orthopedic disorders in the rehabilitation of cats and dogs and evaluation of their results
AŞKIN DOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Veteriner HekimliğiDicle ÜniversitesiCerrahi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SADIK YAYLA
- Evaluation of functional electrical stimulation on hemiplegic children for correcting drop foot
Yarı felçli çocukların düşük ayak tedavisinde işlevsel elektrik uyarımın değerlendirilmesi
GÜLAY GÜL
Yüksek Lisans
İngilizce
2004
Tıbbi BiyolojiBoğaziçi ÜniversitesiBiyomedikal Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. ÖZCAN GÜLÇÜR
- A home-based functional electrical stimulation system for upper-limb stroke rehabilitation
Başlık çevirisi yok
MUSTAFA ÇAĞRI KUTLU
Doktora
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiUnıversıty Of SouthamptonDR. CHRISTOPHER T. FREEMAN
- Investigation of the effect of electrical stimulation on proteotoxic models of caenorhabditis elegans
Elektrik stimülasyonunun caenorhabditis elegans proteotoksik modeller üzerindeki etkilerinin incelenmesi
BAHRİYE ERKAYA
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
BiyolojiKoç ÜniversitesiMoleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. FUNDA ŞAR