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经颅直流电刺激对神经元电动力学的多尺度耦合:模拟经颅电场对神经元去极化的影响。 (英语) Zbl 1423.92023年

摘要:经颅直流电刺激(tDCS)作为一种治疗神经退行性疾病、心理状况和创伤性脑损伤恢复的医学干预手段,继续取得成功。tDCS的一个方面仍未完全理解,即tDCS电场对神经功能的影响。为了解决这个问题,我们提出了一个将tDCS管理与神经元电动力学耦合的数学多尺度模型。我们通过使用理想的二维域和MRI衍生的三维人体头部几何体(具有非均匀和各向异性的组织电导率)进行计算模拟,证明了模型的有效性和医学适用性。我们用真实的tDCS电极配置和治疗参数举例说明了这些模拟的能力,并将模型的预测与医学研究获得的预测进行了比较。该模型使用高效的数值策略和求解技术来实现,以允许使用医学界所需的精细计算网格。

MSC公司:

92C20美元 神经生物学
78A70型 光学和电磁理论的生物学应用
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参考文献:

[1] Boggio,P.S。;Khoury,L.P。;D.C.S.马丁斯。;马丁斯,O.E.M.S。;东海岸马其顿。;Fregni,F.,颞叶皮层直流电刺激增强阿尔茨海默病视觉识别记忆任务的表现,《神经病学、神经外科和精神病学杂志》,80,4,444-447(2009)·doi:10.1136/jnnp.2007.141853
[2] Boggio,P.S。;Valasek,C.A。;坎帕尼昂,C。;吉利奥,A.C.A。;新泽西州巴普蒂斯塔。;拉彭塔,O.M。;Fregni,F.,评估和调节阿尔茨海默病神经可塑性的非侵入性脑刺激,神经心理康复,21,5,703-716(2011)·doi:10.1080/09602011.2011.617943
[3] Benninger,D.H。;Lomarev,M。;洛佩兹,G。;Wassermann,E.M。;李,X。;Considine,E。;Hallett,M.,经颅直流电刺激治疗帕金森氏症,神经病学、神经外科和精神病学杂志,81,1011105-1111(2010)·doi:10.1136/jnnp.2009.202556
[4] Boggio,P.S。;费鲁奇,R。;Rigonatti,S.P。;Covre,P。;Nitsche,M。;Pascual-Leone,A。;Fregni,F.,经颅直流电刺激对帕金森病患者工作记忆的影响,《神经科学杂志》,249,1,31-38(2006)·doi:10.1016/j.jns.2006.05.062
[5] 卡鲁,英国。;塞克斯顿,C.E。;Loo,C.K。;Ebmeier,K.P.,经颅直流电刺激治疗重度抑郁症:一项荟萃分析,心理医学,42,91791-1800(2012)·doi:10.1017/S0033291711003059
[6] 弗雷尼,F。;Boggio,P.S。;Nitsche,医学硕士。;Rigonatti,S.P。;Pascual-Lione,A.,抑郁症、抑郁和焦虑患者反复经颅直流电刺激的认知效应,23,8,482-484(2006)·doi:10.1002/da.20201
[7] 施劳格,G。;伦加,V。;Nair,D.,中风恢复中的经颅直流电刺激,《神经病学档案》,65,12,1571-1576(2008)·doi:10.1001/archneur.65.12.1571
[8] 黑塞,S。;瓦尔德纳。;Mehrholz,J。;Tomelleri,C。;波尔,M。;Werner,C.,亚急性卒中患者的经颅直流电刺激和机器人辅助手臂训练:一项探索性随机多中心试验,神经康复和神经修复,25,9,838-846(2011)·数字对象标识代码:10.1177/1545968311413906
[9] 诺林,T。;瓦格纳,S。;Wolters,C.H。;Zaehle,T。;Herrmann,C.S.,Finite-element模型预测tDCS和tACS临床应用的电流密度分布,精神病学前沿,3,第83条(2012年)·doi:10.3389/fpsyt.2012.00083
[10] Gasca,F。;马歇尔,L。;粘合剂,S。;施莱弗,A。;英国霍夫曼。;Schweikard,A.,真实大鼠头部模型中经颅电流刺激的有限元模拟,第五届国际IEEE/EMBS神经工程会议论文集(NER’11)·doi:10.1109/NER.2011.5910483
[11] Datta,A。;周,X。;苏,Y。;帕拉,L.C。;Bikson,M.,《利用头皮电位验证经颅电刺激有限元模型:对临床剂量的影响》,《神经工程杂志》,2013年第10期,第3期·doi:10.1088/1741-2560/10/3/036018
[12] P.C.米兰达。;Lomarev,M。;Hallett,M.,《模拟经颅直流电刺激期间的电流分布》,临床神经生理学,117,7,1623-1629(2006)·doi:10.1016/j.clinph.2006.04.009
[13] 凯斯勒,S.K。;明哈斯,P。;伍兹,A.J。;Rosen,A。;C.戈尔曼。;Bikson,M.,《儿童经颅直接电流刺激的剂量考虑:一项计算模型研究》,《公共科学图书馆·综合》,2013年第8期、第9期·doi:10.1371/journal.pone.0076112
[14] 普隆西,R。;Heppner,D.B.,《电生理系统中准静态的考虑》,《数学生物物理公报》,29,4,657-664(1967)·doi:10.1007/BF02476917
[15] Sadleir,R.,神经组织的双畴模型,国际生物电磁学杂志,12,1,2-6(2010)
[16] Mandonnet,E。;Pantz,O.,《轴突双极电刺激中电极方向的作用:双畴计算模型研究》,《神经科学学报》,153,12,2351-2355(2011)·doi:10.1007/s00701-011-1151-x
[17] 霍奇金,A.L。;赫胥黎,A.F.,《膜电流的定量描述及其在神经传导和兴奋中的应用》,《生理学杂志》,117,4,500-544(1952)
[18] 辛德马什,J.L。;Rose,R.M.,使用三个耦合一阶微分方程的神经元爆发模型,伦敦皇家学会学报B辑:生物科学,22112287-102(1984)·doi:10.1098/rspb.1984.0024
[19] Koch,C.,《神经建模方法:从离子到网络》(1998),美国马萨诸塞州剑桥市:麻省理工学院出版社
[20] Ying,W。;Henriquez,C.S.,描述生物细胞对应用场电响应的混合有限元方法,IEEE生物医学工程学报,54,4,611-620(2007)·doi:10.1109/TBME.2006.889172
[21] Agudelo-Toro,A。;Neef,A.,细胞膜与自我产生和外部施加的电场相互作用的电活动的计算有效模拟,神经工程杂志,10,2(2013)·doi:10.1088/1741-2560/10/2/026019
[22] Szmurło,R。;斯达奇恩斯基,J。;Sawicki,B。;Wincenciak,S.,电活性神经组织的多尺度有限元模型,计算机作为工具国际会议论文集(EUROCON'07)·doi:10.1109/EURCON.2007.4400409
[23] Szmurło,R。;斯达奇恩斯基,J。;Sawicki,B。;Wincenciak,S。;Cichocki,A.,用于模拟大脑活动传播的双域公式,第12届IEEE电磁场计算双年度会议论文集(CEFC'06)·doi:10.1109/CEFC-06.2006.1633138
[24] Geselowitz,D.B。;Miller,W.T.,各向异性心肌的双畴模型,生物医学工程年鉴,11,3-4,191-206(1983)·doi:10.1007/BF02363286
[25] Sundnes,J。;线路,G.T。;蔡,X。;尼尔森,B.F。;马尔达尔,K.-A。;Tveito,A.,《计算心脏的电活动》(2006),德国柏林:施普林格,德国柏林·兹比尔1182.92020
[26] FitzHugh,R.,神经膜理论模型中的冲动和生理状态,生物物理杂志,1,6,445-466(1961)·doi:10.1016/S0006-3495(61)86902-6
[27] Southern,J.A。;普朗克,G。;维格蒙德,E.J。;Whiteley,J.P.,求解耦合系统可提高bidomain方程的计算效率。,IEEE生物医药工程交易,56,10,2404-2412(2009)·doi:10.1109/TBME.2009.2022548
[28] Suli,E.,《数值分析导论》(2003),英国剑桥:剑桥大学出版社,英国剑桥·Zbl 1033.65001号
[29] Mardal,K.A。;Sundes,J。;Langtangen,H.P。;特维托,A。;Langtangen,H.P。;Tveito,A.,PDE和块预处理系统,计算偏微分方程高级主题:数值方法和Diffpack编程。计算偏微分方程高级主题:数值方法和差分程序设计,计算科学与工程讲义,199-236(2003),德国柏林:施普林格,德国柏林·Zbl 1026.68163号 ·doi:10.1007/978-3642-18237-25
[30] van der Vorst,H.A.,大型线性系统的迭代Krylov方法。《大型线性系统的迭代Krylov方法》,剑桥应用和计算数学专著(2003),英国剑桥:剑桥大学出版社,英国剑桥·Zbl 1023.65027号
[31] Langtangen,H.P.,《计算偏微分方程:数值方法和Diffpack编程》(2003),德国柏林:施普林格出版社,德国柏林·Zbl 1037.65119号 ·doi:10.1007/978-3-642-55769-9
[32] 温德霍夫,M。;Opitz,A。;Thielscher,A.,《基于有限元的脑刺激电场计算:生成和使用精确个人头部模型的优化处理管道》,《人脑映射》,34,4,923-935(2013)·doi:10.1002/hbm.21479
[33] Geuzaine,C。;Remacle,J.F.,Gmsh:具有内置预处理和后处理设施的三维有限元网格生成器,《国际工程数值方法杂志》,79,11,1309-1331(2009)·Zbl 1176.74181号 ·doi:10.1002/nme.2579
[34] 布鲁塞特,A.M。;Langtangen,H.P.,Diffpack:PDE求解器快速原型的软件环境,第15届IMACS科学计算、建模和应用数学世界大会论文集
[35] MATLAB,版本8.2.0.701(R2013b)(2013),美国马萨诸塞州纳蒂克:美国马萨诸塞州纳蒂克市数学工作
[36] Szmurlo,R。;Starzynski,J。;斯坦尼斯劳,S。;Rysz,A.,迷走神经电刺激的数值模型,COMPEL,28,1211-220(2009)·Zbl 1161.78328号 ·doi:10.1108/03321640910919002
[37] Datta,A。;贝克,J.M。;比克森,M。;Fridriksson,J.,个体化模型预测反应性卒中患者经颅直流电刺激治疗期间的脑电流,脑刺激,4,3,169-174(2011)·doi:10.1016/j.brs.2010.11.001
[38] Nitsche,医学硕士。;科恩,L.G。;Wassermann,E.M。;Priori,A。;Lang,N。;安塔尔,A。;保卢斯,W。;Hummel,F。;Boggio,P.S。;弗雷尼,F。;Pascual-Lione,A.,《经颅直流电刺激:最新进展》,2008年,《脑刺激》,第1期,第3期,第206-223页(2008年)·doi:10.1016/j.brs.2008.06.004
[39] Kang,E.K。;Paik,N.-J.,tDCS电极蒙太奇对健康受试者内隐运动序列学习的影响,实验和转化中风医学,3,1,第4条(2011年)·doi:10.1186/2040-7378-3-4
[40] 冈本,M。;丹·H。;坂本,K。;Takeo,K。;清水,K。;科诺,S。;奥达,I。;Isobe,S。;铃木,T。;Kohyama,K。;Dan,I.,通过面向经颅功能脑绘图的国际10-20系统的三维概率解剖颅-脑相关性,神经影像,21,1,99-111(2004)·doi:10.1016/j.neuroimage.2003.08.026
[41] 弗雷尼,F。;Boggio,P.S。;桑托斯,M.C。;利马,M。;维埃拉,A.L。;Rigonatti,S.P。;Silva,M.T.A。;Barbosa,E.R。;Nitsche,医学硕士。;Pascual Leone,A.,帕金森病中经颅直流电刺激的无创皮层刺激,运动障碍,21,10,1693-1702(2006)·数字对象标识代码:10.1002/mds.21012
[42] Hess,C.W.,应用场效应对帕金森病皮层-皮层下网络的调节,人类神经科学前沿,7,第565条(2013年)·doi:10.3389/fnhum.2013.00565
[43] Mcintyre,C.C。;Foutz,T.J.,脑深部刺激的计算模型,《临床神经病学手册》,116,55-61(2013)·doi:10.1016/B978-0-444-53497-2.0005-X
[44] Brocker,D.T。;Grill,W.M.,《神经组织电刺激原理》,《临床神经病学手册》,116,3-18(2013)·doi:10.1016/B978-0-444-53497-2.0001-2
[45] A.C.萨顿。;于伟(Yu,W.)。;卡洛斯,M.E。;A.B.史密斯。;Ramirez-Samora,A。;Molho,E.S。;Pilitsis,J.G。;Brotchie,J.M。;Shin,D.S.,深部脑刺激黑质网状部改善偏侧帕金森病大鼠前肢运动障碍,神经生理学杂志,109,2,363-374(2013)·doi:10.1152/jn.00311.2012年
[46] 韦斯,D。;布雷特,S。;瓦希特,T。;Plewnia,C.(Plewnia,C.)。;加拉巴吉,A。;Krüger,R.,联合刺激黑质网状部和丘脑底核对帕金森氏病患者低运动步态障碍有效,神经病学杂志,258,6,1183-1185(2011)·doi:10.1007/s00415-011-5906-3
[47] Siegel,A.,《基础神经科学》(2006),美国宾夕法尼亚州费城:利平科特·威廉姆斯和威尔金斯,宾夕法尼亚州,美国
[48] Stetson,D.S。;Albers,J.W。;Silverstein,B.A。;Wolfe,R.A.,《年龄、性别和人体测量因素对神经传导测量的影响》,《肌肉和神经》,第15、10、1095-1104页(1992年)·doi:10.1002/mus.880151007
[49] Malmivuo,J。;Plonsey,R.,《生物电磁学:生物电场和生物磁场的原理和应用》(1995),美国纽约州纽约市:牛津大学出版社,美国纽约市
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