Dissertação de Mestrado

Este trabalho descreve o processo de modelagem de uma sub-rede neuronal da medula espinhal que atua sobre o músculo gastrocnêmio medial e o desenvolvimento de um simulador desta sub-rede. O modelo descreve matematicamente a ação de entradas sinápticas oriundas de vias centrais e periféricas sobre um núcleo composto por motoneurônios e células de Renshaw, bem como a geração de força por fibras musculares. O núcleo neuronal estudado atua no controle motor dos membros inferiores em humanos, ou dos membros traseiros em animais como o gato. Buscou-se retratar de maneira fidedigna algumas características fisiológicas, tais como: recrutamento de unidades motoras, relações de entrada-saída dos motoneurônios, influência das entradas sinápticas e da inibição recorrente sobre o núcleo motoneuronal e a geração de força. Os parâmetros necessários à modelagem, por exemplo, taxas de disparo de potenciais de ação, constantes elétricas das células, interconexão entre os vários elementos, entre outros, foram extraídos de trabalhos experimentais descritos na literatura especializada. O desenvolvimento do simulador da sub-rede constitui o objetivo principal deste trabalho. A utilização de recursos computacionais apropriados é fundamental para este tipo de tarefa, devido à grande quantidade de variáveis envolvidas e o caráter não-linear dos elementos constituintes. Trabalhos experimentais trazem conclusões pontuais sobre o núcleo neuronal estudado, enquanto simulações computacionais podem permitir uma análise mais ampla do comportamento do núcleo neuronal.

This work describes the modeling of a spinal neuronal network that controls the medial gastrocnemius muscle and the development of a computer simulator of that network. The model describes mathematically the action of central and peripheral pathways on a nucleus composed of motoneurons and Renshaw cells, as well as the generation of muscle force. The neuronal nucleus associated with the medial gastrocnemius acts on the inferior limb in human beings or on the hindlimb in animals like cat. One objective was to represent accurately some physiological features like motor unit recruitment, input-output relationships, the effect of synaptic inputs on the motoneuron nucleus and the force generation. The necessary modeling parameters, for instance, action potential discharge rate, cell electrical constants, interconnections among the various elements etc., were obtained from the experimental literature. The development of the network simulator was the main objective of this work. The use of appropriate computer resources is fundamental in this task due to the model non-linearities and the large number of variables. The experimental literature analyzes the behavior of a particular motoneuron pool in a very restricted context. The computer simulations permit a much wider analysis of the neuronal ensemble behavior.