EM诱导的神经元动力学

1.Sim4Life 中的电磁-神经元耦合动力学建模

Sim4LifeT-NEURO模块提供全面的神经元动力学仿真，与 Sim4Life 平台的电磁建模功能（P-EM-FDTD和P-EM-QS）以及一系列预定义的神经元动力学模型（包括作为安全标准基础的 SENN 模型）完全集成和耦合。Sim4Life 的一个主要优势是能够在逼真的解剖模型（如虚拟人群(ViP) 3.x 或使用 IMG 和 iSEG 模块从医学图像数据生成的模型）中模拟复杂的神经元动力学模型。T-NEURO 模块由耶鲁大学开发的神经元求解器提供支持。

神经元模型的设计非常简单，既可以将轨迹指定为曲线，然后将其归属于预定义的行为模型，也可以从模型数据库等大型资源库中导入详细的神经元模型。此外，还提供了针对给定脉冲形状自动确定刺激阈值的功能。

2.神经义肢的应用

利用 Sim4Life 的 T-NEURO 功能，可以研究用于神经义肢的植入式电极。例如，模拟了一种横向筋膜内多通道电极（TIME--一种神经接口，与更常见的袖带电极相比，具有更高的刺激选择性，但代价是增加了侵入性）设计，它具有五个子电极，可选择性地刺激坐骨神经中与激活各种肌肉相关的不同神经元群。为此，从图像数据中提取了神经几何结构，包括不同的神经束，并将其转化为神经模型。然后在神经模型中放置数百个动态神经元模型，以捕捉神经元特性的统计变异性，并模拟 TIME 电极阵列对它们的刺激。这些模拟用于比较不同电极设计对肌肉刺激的选择性和位置敏感性。对大鼠肌肉刺激的实验测量证实了模拟预测。目前正在研究用 TIME 电极刺激坐骨神经，目的是让截瘫患者恢复腿部运动，在小鼠身上取得的初步结果令人鼓舞。

3.Application to Neurostimulation

使用外部或内部电极进行神经刺激的目的多种多样。例如，脑深部刺激（DBS）使用植入电极治疗运动障碍、抑郁症等。经颅刺激使用安装在头部表面的外部电极，例如用于中风康复。利用 Sim4Life 不仅可以模拟电场分布和电流，还可以模拟对神经元活动的相关影响。使用 Sim4Life 低频求解器结合高分辨率MIDA 头部模型，对各种经颅刺激电极蒙太奇的电场分布进行了比较，得到的通过视网膜的电流密度与实验观察到的视觉幻视现象（即在没有光线进入眼睛的情况下看到光的现象）相关联。

4.Application to MRI Safety

电磁-神经元耦合动力学建模已被用于评估核磁共振成像梯度线圈切换引起的意外神经刺激的安全问题。通过沿人体内部各种神经轨迹整合逼真的运动神经元模型，并调查功能化 ViP 3.0 模型内逼真的梯度线圈模型所诱导场的刺激阈值，可以证明当前安全标准的一系列假设存在问题。最重要的是，研究发现 i) 除场强外，人体内存在的场不均匀性也可能是神经刺激的相关来源；ii) SENN 模型并不总是保守的；iii) 温度对神经元动力学的影响非常重要，因此需要在逼真的解剖模型内进行电磁-神经元动力学耦合建模，以正确理解低频暴露的安全性并得出合适的安全标准。通过使用扩散张量成像获得的非均质、各向异性传导图，可进一步提高建模的保真度。各种治疗相关丘脑和丘脑下核的 DBS 电极暴露的电磁建模已与代表三种不同神经元群（使用 Sim4Life 的 Python 脚本功能精确放置）的 >100 个逼真神经元模型的模拟相结合，预测的刺激率可与实验确定的数量相关联。

5.验证

底层电磁求解器已通过广泛验证，例如使用人工求解法。

电磁-神经元耦合动力学建模已在多个层面上得到验证和确认：通过在 Sim4Life 中重现 ModelDB 中的神经元模型，并与使用 FDA 网站上提供的参考 SENN 模型实施获得的阈值进行比较，验证了 Sim4Life 实施的正确性。通过预测和测量 i) 视网膜神经节细胞的刺激阈值和 ii) 神经假体坐骨神经刺激的肌肉激活选择性，进行了实验验证。此外，还根据文献数据对深部脑刺激建模进行了定性验证。