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F. Rattay:
"Electrical stimulation of the central nervous system: analysis of the primarily excited structures"; Biomedical Engineering and Physics, Meduni Vienna, 2006.

Objectives. Individual electric and geometric characteristics of neural substructures have often surprising effects on artificially controlled neural signaling. Rules of thumb approved for the stimulation of long peripheral axons may not hold when the central nervous system is primarily stimulated. This is demonstrated comparing theoretical results with animal experiments and patient data with a focus on cases of the electrically stimulated cochlea, the retina and the lumbar spinal cord.
Methods. A generalized form of the activating function together with accurate modeling of the neural membrane dynamics are the tools to analyze the excitation mechanisms initiated by neural prostheses. Sometimes analysis is possible with a linear theory, in other cases simulation of internal calcium concentration or ion channel current fluctuations is needed to observe irregularities in spike trains. Many of the presented results are based on a two step procedure: (i) calculation of the electric field with finite elements or analytically for an infinite homogeneous medium approach and (ii) simulation of a target neuron response with a compartment model where every `active´ compartment is simulated with ion channel gating mechanisms of the Hodgkin - Huxley type.
Results. A set of 12 spike initiation rules is deduced by analyzing several model neurons under stimulating conditions relevant for neural prostheses. Moreover, for a cochlear implant it is shown that spike initiation site can easily change within a single target neuron even under constant stimulation conditions and this way irregularities in the temporal pattern are expected which deteriorate, e.g., speech understanding. Poor myelinisation in the soma region that is unique for the bipolar human cochlear neurons causes firing characteristics differing from any animal recordings. Retinal ganglion cells also will generate propagating spikes within the dendritic tree. Bipolar cells in the retina are expected to respond with neurotransmitter release, before a spike is generated in the ganglion cell even when they are rather far away from the electrode. A new method for focal retina stimulation is presented. Furthermore, it is shown that epidural stimulation of the human lumbar spinal cord predominantly stimulates large sensory axons in the dorsal roots which induce muscle reflex responses, but there are no neural structures within the spinal cord that are directly stimulated.
Conclusions. Presently neuroprostheses uses few active contacts and generate spiking patterns much more synchronized and with reduced information content in comparison to the natural ones. The successful operation of such devices is possible by the robustness and plasticity of the nervous system.

Ziele. Die besonderen elektrischen und geometrischen Charakteristika neuronaler Substrukturen führen oft zu überraschenden Effekten wenn Nervensignale künstlich gesteuert werden sollen. Anerkannte Daumenregeln zur Stimulation langer peripherer Axone halten nicht mehr sobald die Stimulation im Zentralnervensystem erfolgt. Das wird durch einen Vergleich theoretischer Ergebnisse mit Tier-experimenten und Patientendaten dargestellt, besonders im Hinblick auf Fallstudien der elektrisch stimulierten Cochlea, der Retina und des lumbalen Rückenmarks.
Methoden. Eine verallgemeinerte Form der Aktivierungsfunktion zusammen mit einer genaueren Simulation der elektrischen Nervenzellmembrandynamik wird eingesetzt, um den von Neuroprothesen ausgelösten Erregungsmechanismus zu analysieren. Manchmal ist diese Analyse schon mittels einer linearen Theorie möglich, in anderen Fällen müssen etwa intrazelluläre Kalziumkonzentration oder stochastische Fluktuationen der Ionenkanalströme miteinbezogen werden, um Irregularitäten in den Zeitreihen der Feuerungen zu verstehen. Viele der präsentierten Resultate basieren auf einem zweistufigen Verfahren: (i) Berechnung des elektrischen Feldes mit Finiten Element-Methoden oder durch eine analytische Darstellung unter der Annahme eines unendlich großen homogenen Mediums und (ii) Antwort eines ausgewählten Neurons, das als Kompartmentmodell simuliert wird, wobei in jedem aktiven Kompartment die Ionenkanaldynamik nach einem Modell vom Hodgkin - Huxley Typ beschrieben wird.
Resultate. Ein Satz von 12 Regeln zur Nervenimpulsentstehung wird durch Analyse einiger Modellneurone hergeleitet, und zwar für Stimulationsbedingungen, die für Neuroprothesen relevant sind. Außerdem wird für ein Cochleaimplantat gezeigt, dass auch unter konstanten Stimulationsbedingungen der Ort der Aktions-potentialbildung innerhalb einer Nervenzelle leicht wechseln kann, was wegen der damit verbunden Laufzeitänderungen zur Störung des neuronalen Zeitmusters führt, sodass es damit zu einer Verschlechterung z. B. des Sprachverständnisses kommt. Der einzigartige minimale Myelinisierungsgrad in der Somaregion der bipolaren menschlichen Cochlearneurone bewirkt Feuerungscharakteristika, die bei Tierversuchen nicht beobachtet werden können. In Ganglionzellen der Retina können auch dentritische Aktionspotentiale ausgelöst werden. In bipolaren Zellen der Retina werden Neurotransmitterausschüttungen erwartet bevor durch die Elektrostimulation in Ganglionzellen eine Nervenaktivierung einsetzt, auch wenn die Bipolarzellen weiter von der Elektrode entfernt sind. Eine neue Methode zur Fokalstimulation von Retinabereichen wird präsentiert. Außerdem wird gezeigt, dass im Menschen bei der üblichen epiduralen Stimulation des lumbalen Rücken-marks zuerst die dicksten sensiblen Fasern der dorsalen Bündel antworten und dadurch Muskelzuckungen ausgelöst werden und dass primär keine Strukturen innerhalb des Rückenmarks stimuliert werden.
Schlussfolgerungen. Derzeit nützen Neuroprothesen nur wenige aktive Kontakte und erzeugen damit im Vergleich zur natürlichen Situation viel stärker synchronisierte Nervensignale mit geringem Informationsgehalt. Die trotzdem einigermaßen erfolgreiche klinische Elektrostimulation beruht somit teilweise auf der Robustheit und Plastizität des Nervensystems.

http://publik.tuwien.ac.at/files/pub-tm_4742.pdf