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Biophysical Principles and Computational Modeling of Deep Brain Stimulation

脑深部刺激 神经刺激 计算模型 神经调节 神经科学 多尺度建模 医学 原发性震颤 计算机科学 刺激 人工智能 帕金森病 生物信息学 生物 病理 疾病
作者
Patrick R. Ng,Alan Bush,Matteo Vissani,Cameron C. McIntyre,R. Mark Richardson
出处
期刊:Neuromodulation [Elsevier BV]
卷期号:27 (3): 422-439 被引量:10
标识
DOI:10.1016/j.neurom.2023.04.471
摘要

Background Deep brain stimulation (DBS) has revolutionized the treatment of neurological disorders, yet the mechanisms of DBS are still under investigation. Computational models are important in silico tools for elucidating these underlying principles and potentially for personalizing DBS therapy to individual patients. The basic principles underlying neurostimulation computational models, however, are not well known in the clinical neuromodulation community. Objective In this study, we present a tutorial on the derivation of computational models of DBS and outline the biophysical contributions of electrodes, stimulation parameters, and tissue substrates to the effects of DBS. Results Given that many aspects of DBS are difficult to characterize experimentally, computational models have played an important role in understanding how material, size, shape, and contact segmentation influence device biocompatibility, energy efficiency, the spatial spread of the electric field, and the specificity of neural activation. Neural activation is dictated by stimulation parameters including frequency, current vs voltage control, amplitude, pulse width, polarity configurations, and waveform. These parameters also affect the potential for tissue damage, energy efficiency, the spatial spread of the electric field, and the specificity of neural activation. Activation of the neural substrate also is influenced by the encapsulation layer surrounding the electrode, the conductivity of the surrounding tissue, and the size and orientation of white matter fibers. These properties modulate the effects of the electric field and determine the ultimate therapeutic response. Conclusion This article describes biophysical principles that are useful for understanding the mechanisms of neurostimulation.

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