Doppelkabelmodelle für die elektrische Reizung von Nervenfasern und ihre Vereinfachung zur effizienten Computersimulation

Abstract

Die Computersimulation findet auch in der Medizin immer mehr Bedeutung in verschiedensten Anwendungsbereichen. Unter Anderem kann die Ausbreitung von Nervenimpulsen im menschlichen Körper über Modelle dargestellt und simuliert werden. Eine detailgetreue Modellierung ist dabei genau so wichtig wie eine kurze Berechnungszeit verschiedener Versuchsaufbaue. Im Laufe der Jahre, beginnend bei Hodgkin und Huxley 1952 bis hin zum McIntyre Modell von 2002 (MRG Modell), wurde eine Vielzahl solcher Modelle entwickelt. Einige dieser Modelle ähneln sich, jedoch werden in fast allen die elektrischen Parameter der Membran sowie die vorhandenen Ionenströme angepasst. In nachfolgender Arbeit wird das zu Zeit akkurateste Modell zur Simulation menschlicher Nervenfasern beschrieben, das MRG Modell. Der Nachteil des großen Rechenaufwands wurde dabei ausgemerzt und es entstand ein neues Modell, das eine kürzere Berechnungszeit aufweist ohne dabei große Abweichungen in punkto der Form des Aktionspotentials zu zeigen. Die einzelnen Schritte (von Analyse bis hin zur Implementierung des neuen Modells) werden in dieser Arbeit beschrieben. Realisiert wurden alle Modelle in der freien Software NEURON.<br />

Computer simulation is gaining more and more importance in medicine in a very wide range of fields of application. As for example it is possible to simulate the excitation of human nerve fibres in the human body with a set of different models. In this case a very detailed modeling is as important as a fast calculation time in those sets of experiments. During the years, starting with Hodgkin and Huxley 1952 up to the model from McIntyre in 2002 there have been developed a great amount of such models. Some of them are very similar, but in all of them they adapt the electrical parameters of the membrane and the existing / modeled ion currents. The following thesis describes the, at the time of writing, most accurate model for simulating human nerve fibres, the MRG model. The big issue of the very long execution time was annulled and a new model, with shorter execution time but nearly the same action potential shape arose. The single steps (from analysis to the implementation of the new model) are described in this paper. All models were implemented in the free software NEURON.