一种基于小鼠内嗅皮层的电刺激仿真参数优化方法技术

本发明专利技术公开一种基于小鼠内嗅皮层的电刺激仿真参数优化方法,包括以下步骤：1)建立内嗅皮层DBS电场模型；2)建立内嗅皮层的神经元模型；3)设置电刺激参数，利用刺激电极对内嗅皮层的神经元模型进行电刺激仿真，得到内嗅皮层DBS电场分布情况；4)根据内嗅皮层DBS电场分布情况对电刺激参数进行优化，得到最优电刺激参数。本发明专利技术提供一种基于小鼠内嗅皮层的电刺激仿真参数优化方法，采用该方法建立的电场和神经元模型用以研究不同刺激条件下的电刺激对神经元电活动的影响，从而为实验选择刺激参数提供一定的理论参考。数提供一定的理论参考。数提供一定的理论参考。

【技术实现步骤摘要】
一种基于小鼠内嗅皮层的电刺激仿真参数优化方法


[0001]本专利技术涉及脑深部电刺激领域，具体是一种基于小鼠内嗅皮层的电刺激仿真参数优化方法。

技术介绍

[0002]阿尔茨海默症(AD)目前尚无治愈方法。脑深部电刺激(DBS)通过在脑内特定部位植入刺激电极，产生外加电场来调节病理性神经活动，是AD治疗的研究热点。多年以来，对帕金森的致病机理进行了深入研究，让DBS治疗帕金森病的应用更加成熟。帕金森病与AD具有不同的致病机制与研究靶点，利用DBS治疗AD的作用机制还需要深入研究。内嗅皮层(EC)在AD中最早受损，是最有研究价值的刺激靶点之一。电刺激内嗅皮层的治疗机制需要通过动物实验进行研究。
[0003]然而，很多研究过程中很少综合考虑不同刺激参数对治疗效果的影响。由于刺激参数比较多且范围比较广，动物实验通常需要数周时间才能显现出结果。盲目选择参数不仅延长了实验周期，而且对于生理性实验，实验周期的延长，还可能会增加实验误差。因此需要通过计算模型对脉宽、幅值、电极距离等刺激参数进行优化，即提高刺激参数的效率十分有必要。但目前较少有涉及刺激参数优化的AD仿真方案。
[0004]另一方面，早期的DBS计算模型研究大多是围绕治疗帕金森病建立的，未见到有数学模型能用于对DBS治疗AD时的参数进行优化。
技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种基于小鼠内嗅皮层的电刺激仿真参数优化方法，包括以下步骤：
[0006]1)建立内嗅皮层DBS电场模型；
[0007]所述内嗅皮层DBS电场模型用于仿真电刺激在内嗅皮层产生的空间电场分布。
[0008]所述电刺激由插入内嗅皮层的刺激电极产生。
[0009]所述刺激电极包括双极同心电极。
[0010]内嗅皮层DBS电场模型如下所示：
[0011][0012][0013][0014][0015]式中，H为磁场强度；E为电场强度；p为电荷密度；为哈密顿算子；t为时间；
[0016]其中，电位移矢量D、磁感应强度B、电流密度J分别如下所示：
[0017]D＝εE
ꢀꢀꢀ
(5)
[0018]B＝μH
ꢀꢀꢀ
(6)
[0019]J＝σE
ꢀꢀꢀ
(7)
[0020]式中，ε为介电系数，μ为磁导率，σ为电导率。
[0021]2)建立内嗅皮层的神经元模型；
[0022]所述内嗅皮层的神经元模型包括快速钠离子通道动力学方程、延迟整流钾离子通道动力学方程、A型钾离子通道动力学方程、h电流通道动力学方程、高阈值激活钙离子通道动力学方程、漏电流通道动力学方程、快速钾离子通道动力学方程；
[0023]其中，快速钠离子通道动力学方程如下所示：
[0024]I
Na
＝g
Na
m3h(V
‑
E
Na
)
ꢀꢀ
(8)
[0025]式中，I
Na
为快速钠离子电流；g
Na
为电流IN
a
对应的电导；V为膜电位；E
Na
为钠离子电流平衡电位；m、h为所述快速钠离子通道的门控变量。
[0026]延迟整流钾离子通道动力学方程如下所示：
[0027]I
Kdr
＝g
kdr
n(V
‑
E
K
)
ꢀꢀ
(9)
[0028]式中，I
Kdr
为整流钾离子电流；g
kdr
为电流I
Kdr
对应的电导；E
K
为钾离子电流平衡电位；n为所述延迟整流钾离子通道的门控变量。
[0029]A型钾离子通道动力学方程如下所示：
[0030]I
ap
＝g
ap
nl(V
‑
E
K
)
ꢀꢀꢀ
(10)
[0031]式中，I
ap
为A型钾离子电流；g
ap
为电流I
Kdr
对应的电导；l为所述A型钾离子通道的门控变量。
[0032]h电流通道动力学方程如下所示：
[0033]I
h
＝g
h
n(V
‑
E
h
)
ꢀꢀ
(11)
[0034]式中，I
h
为h电流；h电流通道指超极化激活的电流通道；g
h
为电流I
h
对应的电导；E
h
为h电流平衡电位；
[0035]高阈值激活钙离子通道动力学方程如下所示：
[0036]I
Ca
＝g
Ca
m2h(V
‑
E
Ca
)
ꢀꢀ
(12)
[0037]式中，I
Ca
为钙离子电流；E
Ca
为钙离子电流平衡电位；
[0038]漏电流通道动力学方程如下所示：
[0039]I
L
＝g
L
(V
‑
E
L
)
ꢀꢀ
(13)
[0040]式中，I
L
为漏电流；E
L
为漏电流平衡电位；
[0041]快速钾离子通道动力学方程如下所示：
[0042][0043]式中，为快速钾离子电流；g
kf
为电流对应的电导。
[0044]3)设置电刺激参数，利用刺激电极对内嗅皮层的神经元模型进行电刺激仿真，得到内嗅皮层DBS电场分布情况；
[0045]所述电刺激参数包括脉宽、刺激强度、频率。
[0046]4)根据内嗅皮层DBS电场分布情况对电刺激参数进行优化，得到最优电刺激参数。
[0047]最优电刺激参数依据电刺激的最高效率评判。
[0048]本专利技术的技术效果是毋庸置疑的，本专利技术提供一种基于小鼠内嗅皮层的电刺激仿真参数优化方法，采用该方法建立的电场和神经元模型用以研究不同刺激条件下的电刺激对神经元电活动的影响，从而为实验选择刺激参数提供一定的理论参考。
[0049]本专利技术从脑深部电刺激治疗阿尔茨海默症的实验研究问题出发，针对最常用的实验动物小鼠和可能最有效的刺激靶点内嗅皮层，采用计算机建模仿真的方法，研究了不同刺激条件下内嗅皮层锥体神经元对刺激产生的外部电场的响应情况，为研究脑深部电刺激治疗阿尔茨海默症的动物实验的刺激参数选择提供理论指导。
附图说明
[0050]图1为电极
‑
脑组织的结构模型；(a)为小鼠脑部三维模型，(b)为电极模型尖端的局部放大；
[0051]图2为内嗅皮层III层锥体神经元位置；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于小鼠内嗅皮层的电刺激仿真参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立内嗅皮层DBS电场模型。2)建立内嗅皮层的神经元模型；3)设置电刺激参数，利用刺激电极对内嗅皮层的神经元模型进行电刺激仿真，得到内嗅皮层DBS电场分布情况；4)根据内嗅皮层DBS电场分布情况对电刺激参数进行优化，得到最优电刺激参数。2.根据权利要求1所述的一种基于小鼠内嗅皮层的电刺激仿真参数优化方法，其特征在于，所述内嗅皮层DBS电场模型用于仿真电刺激在内嗅皮层产生的空间电场分布。3.根据权利要求2所述的一种基于小鼠内嗅皮层的电刺激仿真参数优化方法，其特征在于，所述电刺激由插入内嗅皮层的刺激电极产生。4.根据权利要求3所述的一种基于小鼠内嗅皮层的电刺激仿真参数优化方法，其特征在于，所述刺激电极包括双极同心电极。5.根据权利要求1所述的一种基于小鼠内嗅皮层的电刺激仿真参数优化方法，其特征在于，内嗅皮层DBS电场模型如下所示：在于，内嗅皮层DBS电场模型如下所示：在于，内嗅皮层DBS电场模型如下所示：在于，内嗅皮层DBS电场模型如下所示：式中，H为磁场强度；E为电场强度；p为电荷密度；为哈密顿算子；t为时间；其中，电位移矢量D、磁感应强度B、电流密度J分别如下所示：D＝εE
ꢀꢀꢀꢀ
(5)B＝μH
ꢀꢀꢀꢀ
(6)J＝σE
ꢀꢀꢀꢀ
(7)式中，ε为介电系数，u为磁导率，σ为电导率。6.根据权利要求1所述的一种基于小鼠内嗅皮层的电刺激仿真参数优化方法，其特征在于，所述内嗅皮层的神经元模型包括快速钠离子通道动力学方程、延迟整流钾离子通道动力学方程、A型钾离子通道动力学方程、h电流通道动力学方程、高阈值激活钙离子通道动力学方程、漏电流通道动力学方程、快速钾离子通道动力学方程；其中，快速钠离子通道动力学方程如下所示：I
Na
＝g
Na
m3h(V
‑
E
Na
)
ꢀꢀꢀꢀ
(8)式中，I
Na
为快速钠离子电流；g
Na
为电流I
Na
对应的电导；V为膜电位；E
Na
为钠离子电流平衡电位；m、h为所述快速钠离子通道的门控变量；延迟整流钾离子通道动力学方程如下所示：I
Kdr
＝g
kdr
n(V
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王星，宋红亮，侯文生，傅丽华，郑小林，廖彦剑，吴小鹰，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：