EM으로 유도된 뉴런 역학
전자기장에 의한 의도적 및 비의도적 신경 자극 모델링하기
전자기장(EMF)은 뉴런과 상호 작용합니다. 이러한 상호작용은 자극, 억제 또는 동기화 작용을 할 수 있으며 의도된 것일 수도 있고 의도하지 않은 것일 수도 있습니다. 강한 저주파장에 노출되어 의도하지 않은 자극은 예를 들어 자기공명영상(MRI) 경사 코일에서 발생하며, 의도된 자극의 예로는 치료용(경두개자극, 심부 뇌자극, 기능적 전기 자극 등) 또는 신경 보철 장치(인공 망막, 신경 보철 사지 등) 등이 있습니다. 모델링은 치료 및 기기의 안전성 및 유효성 평가뿐만 아니라 의료 기기 성능을 최적화하는 데에도 특히 유용합니다.
안전 임계값, 자극 선택성, 스파이크 주파수, 펄스 형태의 영향 등을 예측하는 것은 뉴런의 복잡한 구조와 이온 채널 역학, 인체 내 전기장 분포의 불균일성, 이 둘 사이의 복잡한 상호 작용으로 인해 복잡합니다. 후자가 바로 EM-뉴런 역학 결합 모델링이 필요한 이유입니다.
유도된 신경 역학과 관련하여 EM 노출 안전을 규제하는 여러 관련 표준이 있습니다: ICNIRP 2010 노출 가이드라인과 IEEE C95.1 노출 표준은 EM-뉴런 상호 작용 관련 부작용을 방지해야 할 필요성을 중심으로 일반 대중 및 직업적 저주파장 노출에 대한 임계값을 제공합니다. IEC 60601-2-33 표준은 MRI 관련 자기장에 대한 노출을 구체적으로 규제합니다.
가이드라인과 표준의 안전 한계를 도출하는 데 중요한 요소는 골수성 축삭(신경 섬유)을 표현하도록 설계된 신경 역학의 SENN(공간 확장 비선형 노드) 모델입니다.
방법론

1. Sim4Life의 결합된 EM-신경 역학 모델링
Sim4Life T-NEURO 모듈은 포괄적인 뉴런 동역학 시뮬레이션, Sim4Life 플랫폼의 EM 모델링 기능(P-EM-FDTD 및 P-EM-QS)과의 완전한 통합 및 결합은 물론 안전 표준의 기반이 되는 SENN 모델을 포함한 다양한 사전 정의된 뉴런 동역학 모델을 제공합니다. Sim4Life의 주요 강점은 실제 해부학 모델(예: 가상 모집단(ViP) 3.x 또는 IMG 및 iSEG 모듈을 사용하여 의료 이미지 데이터에서 생성된 모델) 내에서 복잡한 신경 역학 모델을 시뮬레이션할 수 있다는 점입니다. T-NEURO 모듈은 예일대학교에서 개발한 NEURON 솔버로 구동됩니다.
뉴런 모델은 궤적을 스플라인으로 지정한 다음 사전 정의된 행동 모델을 할당하거나 ModelDB와 같은 대규모 저장소에서 상세한 뉴런 모델을 가져와서 쉽게 설계할 수 있습니다. 주어진 펄스 모양에 대한 자극 임계값을 자동으로 결정하는 기능도 사용할 수 있습니다.

2. 신경 보철에 적용
Sim4Life의 T-NEURO 기능을 사용하면 신경 보철 응용 분야를 위한 이식형 전극을 조사할 수 있습니다. 예를 들어, 다양한 근육의 활성화와 관련된 좌골 신경의 여러 뉴런 그룹을 선택적으로 자극하기 위해 5개의 하위 전극을 갖춘 횡단 근막 내 다중 채널 전극(TIME - 일반적인 커프 전극과 비교할 때 침습성이 증가하는 대신 자극 선택성이 높은 신경 인터페이스) 설계가 시뮬레이션되었습니다. 이를 위해 이미지 데이터에서 다양한 근막을 포함한 신경 형상을 추출하여 신경 모델로 변환했습니다. 그런 다음 뉴런 속성의 통계적 가변성을 포착하는 수백 개의 동적 뉴런 모델을 신경 모델 내부에 배치하고 시간 전극 어레이를 모델링하여 자극을 가했습니다. 이러한 시뮬레이션은 근육 자극 선택성 및 배치 감도와 관련하여 다양한 전극 설계를 비교하는 데 사용되었습니다. 시뮬레이션 예측은 쥐의 근육 자극에 대한 실험적 측정으로 확인되었습니다. TIME 전극을 이용한 좌골 신경 자극은 하반신 마비 환자의 다리 운동 회복을 목표로 연구 중이며, 쥐를 대상으로 한 첫 번째 결과는 매우 고무적입니다.

3. 신경 자극에 적용
외부 또는 내부 전극을 이용한 신경 자극은 다양한 목적으로 적용됩니다. 예를 들어, 심부 뇌 자극(DBS)은 운동 장애, 우울증 등을 치료하기 위해 이식된 전극을 사용합니다. 경두개자극은 뇌졸중 재활을 위해 머리 표면에 장착된 외부 전극을 사용합니다. Sim4Life를 사용하면 전기장 분포와 전류뿐만 아니라 신경세포 활동에 대한 관련 영향도 시뮬레이션할 수 있습니다. 다양한 경두개 자극 전극 몽타주에서 얻은 전계 분포를 고해상도 MIDA 헤드 모델과 함께 Sim4Life 저주파 솔버를 사용하여 비교했으며, 망막을 통해 얻은 전류 밀도를 실험적으로 관찰한 시각 포펜 현상, 즉 눈에 빛이 들어가지 않은 상태에서 빛을 보는 현상과 연관시킬 수 있었습니다.

4. MRI 안전에 대한 적용
MRI 경사 코일 전환에 의해 유도되는 의도하지 않은 신경 자극에 대한 안전성 문제를 평가하기 위해 결합된 EM-신경 역학 모델링이 적용되었습니다. 인체 내부의 다양한 신경 궤적을 따라 실제 운동 뉴런 모델을 통합하고 기능화된 ViP 3.0 팬텀 내부의 실제 경사 코일 모델에 의해 유도되는 필드와 관련하여 자극 임계값을 조사함으로써 현재 안전 기준의 기초가 되는 일련의 가정에 문제가 있음을 입증할 수 있었습니다. 가장 중요한 것은 i) 전계 강도 외에도 인체 내부에 존재하는 전계 불균일성이 신경 자극의 관련 원인이 될 수 있고, ii) SENN 모델이 항상 보수적인 것은 아니며, iii) 온도가 신경 역학에 미치는 영향이 중요하므로 저주파 노출 안전을 제대로 이해하고 적절한 안전 기준을 도출하려면 실제 해부학적 모델 내부에서 EM-신경 역학 모델링을 결합해야 한다는 사실이 밝혀진 것입니다. 확산 텐서 이미징으로 얻은 불균일하고 이방성 전도도 맵을 사용하면 모델링 충실도가 더욱 높아집니다. 다양한 치료 관련 시상 및 시상하핵의 DBS 전극 노출에 대한 EM 모델링은 세 가지 뉴런 집단을 나타내는 100개 이상의 실제 뉴런 모델 시뮬레이션(Sim4Life의 Python 스크립팅 기능을 사용하여 정확하게 배치)과 결합되어 예측된 자극 속도가 실험적으로 결정된 양과 연관될 수 있습니다.

5. Validation
기본 EM 솔버는 제조된 솔루션의 방법을 사용하는 등 광범위하게 검증되었습니다.
결합된 EM-뉴런 동역학 모델링은 여러 수준에서 검증 및 검증되었습니다: Sim4Life의 ModelDB에서 뉴런 모델을 재현하고 다양한 펄스 지속 시간 및 모양에 대해 FDA 웹사이트에서 제공되는 참조 SENN 모델 구현을 사용하여 얻은 임계값과 비교하여 Sim4Life 구현의 정확성을 검증했습니다. 실험적 검증은 i) 망막 신경절 세포의 자극 역치 및 ii) 신경 보철 좌골 신경 자극에 의한 근육 활성화 선택성을 예측하고 측정하여 수행되었습니다. 또한, 문헌 데이터에 대한 심부 뇌 자극 모델링의 정성적 검증을 수행했습니다.
문서
출판물
- J. P. Reilly 및 A. M. Diamant, "전기 자극: 이론, 응용 및 계산 모델", Artech House, 2011.
- E. Neufeld 외, "EM 유도 신경 역학 및 기능화된 해부학 모델의 결합 모델링을 위한 시뮬레이션 플랫폼," Neural Engineering (NER), 2015 제7차 국제 IEEE/EMBS 컨퍼런스. IEEE, 2015.
- M. I. Iacono 외, "MIDA: 인간 두경부의 멀티모달 이미징 기반 상세 해부학적 모델," PloS one 10.4, 2015.
- E. Neufeld 외, "신경 활동 간섭에 대한 임계값", 전자기 호환성(APEMC), 2015 아시아 태평양 심포지엄. IEEE, 2015.
- E. Neufeld 외, "상세하고 정밀한 기능화된 해부학적 팬텀과 EM-Neuron 상호 작용 모델링을 결합한 계산 플랫폼", 총회 및 과학 심포지엄(URSI GASS), 2014 XXXIth URSI. IEEE, 2014.
검증 보고서, 지원팀에 요청 시 제공 가능
- P-EM-FDTD 모듈 검증
- P-EM-QS 모듈 검증
- P-Thermal 모듈 검증
- T-NEURO 모듈 검증