Diseño y desarrollo de un modelo computacional del efecto del campo eléctrico sobre la actividad neuronal de la médula espinal

Abstract

[ES] La estimulación de médula espinal (EME) es una terapia que se ha estado usando durante más de 40 años para el tratamiento de diferentes condiciones de dolor crónico. Esta terapia consiste en estimular las grandes fibras nerviosas Aß de los dermatomas correspondientes a las áreas donde el paciente siente dolor para producir parestesia. Aunque su uso clínico es elevado, todavía se desconoce el efecto de ciertos factores sobre el alcance del umbral de molestia de la estimulación. Dicho umbral limita la eficacia de la terapia, ya que impide el aumento del campo eléctrico para estimular las fibras nerviosas necesarias para aliviar el dolor. Muchos trabajos se han centrado en determinar los factores que afectan a la eficacia de la terapia de EME. Algunos de esos factores son: la polaridad de los electrodos, la geometría de la médula espinal, la distancia entre los contactos de los electrodos o la distancia entre el electrodo y la médula espinal. Con el objetivo de conocer mejor el efecto de estos factores, así como las mejores condiciones para lograr la máxima eficacia de la terapia de EME, en este trabajo se va a elaborar un modelo 3D de médula espinal. Para ello, primero se desarrollará un modelo de conductor volumétrico de médula espinal realista que permita simular el campo eléctrico y calcular el potencial eléctrico en los nodos de Ranvier. Luego se realizará un modelo de fibra nerviosa que simule la propagación del potencial de acción sobre la misma y, por tanto, el efecto del campo eléctrico sobre su activación. Finalmente, ambos modelos se usarán conjuntamente para el estudio de los diversos factores que afectan a la eficacia de la terapia de EME.

[EN] Spinal cord stimulation (SCS) therapy has been using for more than 40 years to treat different chronic pain conditions. This therapy consists on producing paresthesia by stimulating big Aß nerve fibers from dermatomas that correspond to painful areas of the patient. Despite its wide clinic use, the effects on the scope on discomfort threshold are still unknown. Discomfort threshold limits SCS therapy efficacy because it prevents increasing the electric field to stimulate all necessary nerve fibers to relieve pain. There are works in the literature focused on establishing the factors that affect SCS therapy efficacy. According to these works, the main factors are: electrodes polarity, spinal cord geometry, distance between electrodes contacts or distance between electrode and spinal cord. With the aim of knowing better the effect of this factors, as well as the best conditions to obtain the maximum SCS therapy efficacy, this work presents the development of a 3D spinal cord model. To do this, in first place, a realistic volumetric conductor model of the spinal cord that allows simulate the electric field is presented, in addition to the computation of the electric potential in Ranvier nodes. Then, a nerve fiber model to simulate the action potential propagation is realized in order to study the effect of the electric field when the activation is befallen. Finally, both models are used together to study several factors affecting directly to the SCS therapy efficacy.