مدلسازي ديناميكي و طراحي يك كنترل‌كننده مقاوم براي ترشح دوپامين در نورون‌هاي دوپامينرژيك مغز

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي برق

كارشناسي ارشد

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.

229922

بيوالكتريك

مهندسي برق و كامپيوتر

دانشگاه صنعتي اصفهان