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A generalized activating function for rapid and accurate neural response prediction in spinal cord stimulation

计算机科学 神经调节 多目标优化 匹配(统计) 计算模型 集合(抽象数据类型) 计算 功能(生物学) 神经生理学 功能性电刺激 波形 人工神经网络 最优化问题 帕累托原理 利用 二元分析 脊髓损伤 神经科学 脊髓 刺激 噪音(视频) 脉搏(音乐) 基函数 不确定度量化
作者
Taylor Newton,Javier García Ordóñez,Abdallah Alashqar,Vincent Gemar,Andreas Rowald,Jocelyne Bloch,Grégoire Courtine,Niels Kuster,Esra Neufeld
出处
期刊:Communications biology [Nature Portfolio]
标识
DOI:10.1038/s42003-026-10849-x
摘要

Abstract We present the Generalized Activating Function (GAF), a biophysics-grounded framework that accelerates neural activation predictions by up to three orders of magnitude relative to NEURON simulations of multi-compartment cable models while maintaining high predictive accuracy ( R 2 = 0.99). By overcoming computational bottlenecks in patient-specific modeling, the GAF enables practical translation of computational optimization into neuromodulation therapies such as spinal cord stimulation (SCS). We verify the GAF’s physiological validity by demonstrating near-perfect agreement with multi-compartment simulations for activation thresholds and spike initiation location/timing across multiple pulse widths in an anatomically realistic spine model. We validate clinical relevance by reproducing a published SCS optimization study for lower-limb motor recovery, matching NEURON-based prediction accuracy while reducing computation time from hours to seconds. Finally, we exploit the GAF’s speed to explore previously intractable parameter spaces: Pareto optimization over pulse waveforms uncovers solutions with approximately seven-fold increased energy efficiency at matched activation, while optimization of multielectrode stimulation (16 currents) increases the functional selectivity index for right hip flexion from 52% (clinical benchmark) to 82% in under one minute. By eliminating computational bottlenecks and enabling gains in efficiency and selectivity, the GAF transforms model-driven optimization into a clinically viable tool for patient-specific neuromodulation.
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