Implementação de um protocolo Dynamic Clamp em sistema Linux em tempo real para a produção de condutâncias em neurônios biológicos e eletrônicos

• Ano de defesa: 2006
• Autor(a) principal: Mazur, Rogerio
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Fisica geral; General physics; Plasticity neuronal; Platicidade neural
• Link de acesso: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/43/43134/tde-08052007-135407/

O protocolo conhecido como Dynamic Clamp consiste em utilizar um computador para introduzir condutâncias artificiais em um neurônio biológico. O modo como estas condutâncias dependem da voltagem da membrana ou do tempo são modelado por equações diferenciais que são integradas em tempo real por um computador conectado ao neurônio biológico. Resumidamente, o computador tem acesso ao potencial de membrana dos neurônios através de eletrodos intracelulares conectados a conversores analógico-digitais (ADCs), calcula as correntes a serem injetadas nos neurônios e produz os sinais de saída através de conversores digitalanalógicos (DACs) que produzem a injeção das correntes nos eletrodos intracelulares. De um certo modo, o Dynamic Clamp utiliza os neurônios como simuladores, permitindo investigar a importância de um tipo de condutância para a atividade elétrica de um neurônio, assim como determinar o efeito produzido pelas sinapses em uma rede, combinando o controle e flexibilidade de uma simulação no computador com a acurácia e o realismo de um experimento em eletrofisiologia. Descrevemos a implementação de um protocolo de Dynamic Clamp utilizando um computador pessoal tipo IBM-PC que permitiu contornar 3 das principais limitações que apresentam alguns dos programas de Dynamic Clamp comerciais/gratuitos disponíveis atualmente: (a) Garantia de que o sistema roda em tempo real - nossa implementação é baseada em um programa de Dynamic Clamp que roda em uma plataforma Linux Real-Time que além de controlar os experimentos em tempo real consiste em software livre com codigo fonte aberto e que pode ser instalado gratuitamente; (b) Não necessita de hardware de aquisição de dados dedicado para eletrofisiologia - utilizamos uma placa ADC/DAC comercial comum marca National Instruments modelo PCIMIO16E4. Com o driver COMEDI instalado para placas de aquisição de dados Linux, a maioria das placas ADC/DAC tipo PCI disponíveis no mercado podem ser utilizadas em implementações futuras; (c) Aumentar o número de neurônios que podem ser conectados simultaneamente - desenvolvemos um circuito demultiplex analógico que permite controlar até 8 neurônios biológicos/artificiais a partir das duas saídas analógicas que as placas DAC comerciais possuem e ainda atingir frequências de atualização da corrente de até 3 kHz (para 8 correntes de saída). Apresentamos os resultados de diversos testes que fizemos usando o programa adaptado e o circuito demultiplex para produzir sinapses em tempo real e conectar diversos neurônios artificiais em pequenas redes. Também mostramos alguns resultados preliminares obtidos com a primeira implementação de um modelo de neurônio estocástico tipo Hodgkin-Huxley em um programa de Dynamic Clamp.