EMが誘発する神経細胞のダイナミクス
電磁場による意図的・非意図的神経刺激のモデル化
電磁場（EMF）は神経細胞と相互作用する。その相互作用は、刺激的、抑制的、同期的であり、意図的であることもあれば、意図的でないこともある。強い低周波磁場への曝露による非意図的な刺激は、例えば磁気共鳴画像装置（MRI）の勾配コイルで発生している。一方、意図的な刺激の例としては、治療用途（経頭蓋刺激、脳深部刺激、機能的電気刺激など）や神経補綴装置（人工網膜、神経補綴肢など）が挙げられる。モデリングは、治療やデバイスの安全性と有効性の評価だけでなく、医療デバイスの性能を最適化するためにも特に有用です。
安全閾値、刺激選択性、スパイク周波数、パルス形状の影響などの予測は、神経細胞の複雑な構造とイオンチャンネルダイナミクス、人体内の電場分布の不均一な性質、そして両者の間の複雑な相互作用によって複雑になる。後者が、EM-神経ダイナミクス連成モデリングが必要とされる理由です。
誘発される神経細胞ダイナミクスに関して、EM曝露の安全性を規制する関連基準が複数存在する：ICNIRP 2010年暴露ガイドラインとIEEE C95.1暴露規格は、EM-ニューロン相互作用に関連する有害な影響を防止する必要性に支配された考慮事項に基づいて、一般公衆と職業における低周波電界への暴露の閾値を規定している。IEC 60601-2-33 規格は、特に MRI 関連電界への曝露を規制している。
ガイドラインや規格の安全限界を導き出す上で重要な要素は、有髄軸索（神経線維）を表現するために設計された神経細胞ダイナミクスのSENN（Spatially Extended Nonlinear Node）モデルである。
方法論
1.Sim4LifeにおけるEMと神経ダイナミクスの連成モデリング
Sim4LifeT-NEUROモジュールは、包括的な神経細胞ダイナミクスシミュレーション、Sim4LifeプラットフォームのEMモデリング機能（P-EM-FDTDおよびP-EM-QS）との完全な統合および結合、ならびに安全基準の基礎となるSENNモデルを含むさまざまな事前定義された神経細胞ダイナミクスモデルを提供します。Sim4Lifeの主な強みは、現実的な解剖学モデル（Virtual Population(ViP) 3.xや、IMGおよびiSEGモジュールを使用して医用画像データから生成されたモデルなど）内で複雑な神経細胞ダイナミクスモデルをシミュレートできることです。T-NEUROモジュールは、イェール大学で開発されたNEURONソルバーを搭載しています。
ニューロンモデルは、軌跡をスプラインとして指定し、定義済みの動作モデルに帰属させるか、ModelDBのような大規模なリポジトリから詳細なニューロンモデルをインポートすることで、簡単に設計することができます。与えられたパルス形状に対する刺激閾値を自動的に決定する機能が利用可能です。
2.神経補綴への応用
Sim4LifeのT-NEURO機能を使用することで、神経補綴用途の埋め込み型電極を調査することが可能です。例えば、様々な筋肉の活性化に関連する坐骨神経の異なるニューロン群を選択的に刺激する5つのサブ電極を特徴とする、横方向筋膜内マルチチャンネル電極（TIME-より一般的なカフ電極などと比較した場合、侵襲性を高める代償としてより高い刺激選択性を約束する神経インターフェース）の設計がシミュレートされた。このために、異なる筋膜を含む神経形状を画像データから抽出し、神経モデルに変換した。次に、神経細胞の特性の統計的変動を捉えた数百の動的神経細胞モデルを神経モデル内に配置し、TIME電極アレイによる刺激をモデル化した。このようなシミュレーションは、筋刺激選択性と配置感度に関して異なる電極デザインを比較するために使用された。シミュレーションによる予測は、ラットを用いた筋肉刺激の実験測定によって確認された。TIME電極による坐骨神経刺激は、麻痺患者に脚の動きを戻すことを目標に研究されており、マウスでの最初の結果は非常に有望である。
3.神経刺激への応用
体外電極や体内電極を用いた神経刺激は、さまざまな目的で応用されている。例えば、脳深部刺激（DBS）は、運動障害やうつ病などの治療に植え込み電極を使用する。経頭蓋刺激は、脳卒中のリハビリテーションなど、頭の表面に取り付けた外部電極を使用します。Sim4Lifeでは、電界分布や電流だけでなく、神経細胞活動への影響もシミュレーションできます。Sim4Lifeの低周波ソルバーと高分解能MIDA頭部モデルを組み合わせて、さまざまな経頭蓋刺激電極モンタージュからの電界分布を比較したところ、得られた網膜を通る電流密度は、実験的に観察された視覚的フォスフェーン（眼に光が入らないのに光が見える現象）の発生と相関することができました。
4.MRI安全性への応用
EM-神経ダイナミクス連成モデリングは、MRI勾配コイルスイッチングによって誘発される意図しない神経刺激に関する安全性の懸念を評価するために適用された。人体内の様々な神経軌跡に沿って現実的な運動ニューロンモデルを統合し、機能化されたViP 3.0ファントム内の現実的な勾配コイルモデルによって誘導される場に関する刺激閾値を調査することにより、現在の安全基準の基礎となる一連の仮定に問題があることを実証することができた。最も重要なことは、i)電界強度に加えて、人体内に存在するような電界の不均一性が神経刺激の関連源となり得ること、ii)SENNモデルは必ずしも保守的ではないこと、iii)神経細胞の動態に対する温度の影響が重要であることであり、低周波被曝の安全性を正しく理解し、適切な安全基準を導き出すためには、現実的な解剖学的モデル内でのEM-神経動態連成モデリングが必要であることが判明した。拡散テンソル画像で得られる非均質で異方性の導電率マップを用いることで、モデリングの忠実度はさらに向上する。様々な治療に関連する視床および視床下核のDBS電極曝露のEMモデリングは、3つの異なるニューロン集団を表す100以上の現実的なニューロンモデル（Sim4LifeのPythonスクリプト機能を使用して正確に配置）のシミュレーションと組み合わされ、予測された刺激率は実験的に決定された量と関連付けることができた。
5.バリデーション
基礎となるEMソルバーは、製造解法などを用いて広範囲に検証されている。
EMとニューロンダイナミクスの連成モデリングは、複数のレベルで検証され、妥当性が確認された：Sim4Lifeの実装の正しさは、Sim4LifeでModelDBからニューロンモデルを再現し、FDAウェブサイトから入手可能な参照SENNモデル実装を使用して得られた閾値と比較することにより、多種多様なパルス持続時間と形状について検証された。実験的検証は、i)網膜神経節細胞の刺激閾値、ii)神経補綴坐骨神経刺激による筋活性化選択性を予測・測定することにより実施した。さらに、脳深部刺激モデリングの定性的検証を文献データに対して行った。
ドキュメンテーション
出版物
- J.P. Reilly, and A. M. Diamant, "Electrostimulation: theory, applications, and computational model," Artech House, 2011.
- E.Neufeld, et al., "Simulation platform for coupled modeling of EM-induced neuronal dynamics and functionalized anatomical models," Neural Engineering (NER), 2015 7th International IEEE/EMBS Conference on.IEEE, 2015.
- M.I. Iacono, et al., "MIDA: A Multimodal Imaging-Based Detailed Anatomical Model of the Human Head and Neck," PloS one 10.4, 2015.
- E.Neufeld, et al., "Thresholds for interference with neuronal activity," Electromagnetic Compatibility (APEMC), 2015 Asia-Pacific Symposium on.IEEE, 2015.
- E.Neufeld, et al., "Computational platform combining detailed and precise functionalized anatomical phantoms with EM-Neuron interaction modeling," General Assembly and Scientific Symposium (URSI GASS), 2014 XXXIth URSI.IEEE, 2014.
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