神経刺激

迷走神経刺激のモデル化

迷走神経刺激（VNS）は、抗てんかん薬（AED）抵抗性のてんかん患者に対する侵襲的な神経調節アプローチとして、1997年に米国食品医薬品局（FDA）により承認された。迷走神経（VN）は多くの臓器を支配しているため、選択的神経刺激の治療的応用が期待されている。

迷走神経は（人体の他の多くの太い神経と同様に）、多くの有髄A軸索と無髄C軸索が組み合わさった複数の機能単位から構成されている。したがって、治療的応用のためのVNSアプローチには、高い繊維選択性を提供するアプローチが必要である。最適化された刺激波形を持つ電極アレイは、理論的にはそのような選択性を提供するために使用することができる。現実的な軌道に沿って現実的なヒトの解剖学的モデルに組み込まれた簡略化された、あるいは現実的なVNモデルを特徴とする計算モデルは、電気-神経相互作用を捉えた軸索線維の電気生理学的モデルとともに、新しいVNSプロトコルの計算支援による定式化、電極アレイの設計、刺激波形の最適化、およびセットアップに特異的な軸索線維のリクルートメントの予測のための基礎となる。

Sim4Lifeでは、最近追加されたT-NEURO機能により、低周波数領域での電磁気（EM）シミュレーションと組み合わせて、頭部モデル、任意の数の電気生理学的軸索モデルによる神経軌跡を特徴とする機能化VNモデルを作成することができます。

方法論

1.VN形状、電極、EMシミュレーションのモデリング

断面2D VNモデル、神経上膜、神経周囲膜、神経束を特徴とする2次元VN断面モデルは、医用画像から作成したり、Sim4Lifeのグラフィカルユーザーインターフェース（GUI）を使用してスクラッチすることができます（図上参照）。VNの3Dモデルは、例えば、ユーザー定義の軌跡に沿ってリアルな2D神経断面を押し出したり（図中）、計算人体モデル内の解剖学的神経軌跡に沿って作成したりできます（図下）。

Sim4lifeの電気準静的電流支配（EQSCD）ソルバーを使用して、均質または異方性誘電組織パラメータの低周波EMシミュレーションを設定できます。電極電圧は、ディリクレ境界条件として割り当てることができます。

Sim4Lifeのポスト処理ツールにより、「活性化関数概念」に基づいて神経刺激領域を特定するためのEフィールドヤコビアンの固有値および固有ベクトルとして、Eフィールド分布、電極の入力電流などの被ばく関連量の解析および可視化が可能です。

2.軸索軌道の作成と機能化

軸索軌跡は、GUI CAD機能またはPythonインタフェースを使用して数値的にスプラインで作成され、ユーザー定義のルール（軸索の数、長さ、変位など）に従って、または計算人体モデルの現実的な神経軌跡に従って、関連構造（筋膜など）に配置することができます。これらは、インプラントの安全性評価用のSim4Life IMSafeツールを使用して、指定されたエンティティ内（例えば筋膜内）のランダムスプライン軌跡と同様に作成することができます。

完全な電気生理学的軸索モデルは、軸索軌道に繊維直径と事前定義された生物物理学的モデル（SENN [7]、Sweeney [8]、MOTOR [8]）またはカスタム（ホックファイルとして）を割り当てて作成されます。神経は、A線維、B線維、C線維の現実的な混合を模倣するために、任意の数の軸索と任意の生物物理学的記述で機能化することができます。

3.T-NEUROシミュレーションの実行

T-Neuroシミュレーションは、シリアルまたはパラレルで実行することができます。各シミュレーションは、（電極アレイの場合のように）複数の独立した神経刺激の電気ソースを含むことができ、それぞれが独自の刺激波形を持ちます。ポイントセンサーやラインセンサーを定義して、膜貫通電位や電流の情報を記録し、ポストプロ解析に使用することができます。実装されている「滴定手順」は、モデル内の個々の軸索内で活動電位（AP）を開始するためのE-フィールドまたは刺激関連量（入力電流など）のしきい値を特定するための基本的なものです。

4.後処理

Sim4Lifeは、Eフィールド関連の積分計算（フラックス積分器）、膜貫通電圧または電流プロファイルの視覚化またはアニメーションを含む、データ視覚化のための複数のオプション（スライスおよびサーフェスビュー、ベクトルフィールドビューおよびストリームラインなど）を提供します。これらの機能は、pythonスクリプトから得られるカスタマイズされたポストプロ量（例えば複合活動電位）の可視化にも使用できます。

神経刺激部位の予測因子である活性化関数は、軸索形状に沿って可視化することができる（図上参照）。滴定センサーは、スパイク開始の閾値Eフィールド、スパイク開始の時間と位置を提供し、線維リクルートメント曲線を導き出すことができる（図下）。

すべての後処理結果は、MATLABまたはExcelでさらに解析するためにエクスポートできます。PythonスクリプトとSweeperツールは、例えば、選択的刺激（例えば、A線維、B線維、C線維のいずれかのリクルートメント）のためのステアリング・パラメーターを特定したり、電極形状を最適化したりすることを目的とした最適化手順をカスタマイズするために使用することができます。

結論

Sim4Life T-Neuroは、神経刺激の計算支援調査、電気治療薬や神経刺激装置の設計と最適化、および電磁気-神経相互作用のメカニズムに関する研究を支援するために考案されました。この例では、T-Neuroを使用して、現実的または単純化された迷走神経モデルの線維リクルートメントを調査する利点が説明されている。

同様の手順は、任意の計算人体または動物体における任意の複雑な神経刺激のモデル化にも適用できます。Sim4Lifeは、神経刺激という複雑な領域を調査するためのユニークで前例のない機能を提供し、神経刺激調査のための市場のリーダーツールであることを確証しています。