“ASCENT”让研究神经的电刺激变得更容易

　　

   

   

图片:ASCENT工具模拟了神经如何对来自定制电极的电刺激做出反应。神经纤维显示为红色和蓝色，定制电极显示为灰色。下面的图表显示了神经被激活时的状态。

图片来源:杜克大学Eric Musselman

杜克大学的生物医学工程师开发了一个开源软件平台，可以自动进行3D电神经刺激建模。这可以让研究人员预测特定的神经将如何对来自定制电极的不同刺激模式作出反应。

研究人员希望该平台将帮助研究人员创建各种疾病新疗法的精确模型，包括糖尿病、类风湿关节炎和心血管疾病。

像心脏起搏器一样，神经刺激装置被植入人体，并按程序向神经发送有目标的电脉冲。这些电脉冲可以启动或抑制神经信号，改变器官功能的调节，并可能治疗疾病。在某些情况下，神经刺激是一种很有前途的药物替代品。

这项研究发表在8月26日的《公共科学图书馆计算生物学》杂志上。

某些电刺激疗法，比如迷走神经刺激，已经被证明是对传统药物治疗无效的癫痫和抑郁症等疾病的有效治疗方法。

杜克大学(Duke University)沃伦·格里尔(Warren Grill)生物医学工程实验室的研究主任尼科尔·佩洛(Nicole Pelot)说:“尽管临床前的数据很有希望，但将神经刺激应用于临床仍具有挑战性，因为动物和人类，甚至人与人之间的神经解剖学存在很多差异。”“这些变化需要选择不同的电极或刺激参数来实现目标反应，这可能有点像猜谜游戏。”

虽然计算建模允许研究人员在电刺激中避免一些猜测，但建模过程是高度复杂的，这通常限制了它的使用，并限制了模型的重现性和重用。格里尔是杜克大学埃德蒙·t·普拉特生物医学工程学院的杰出教授，他花了四年时间和同事们开发了一个解决方案。

格瑞尔说，ASCENT，即描述电神经阈值的自动模拟，使模拟神经刺激更容易获得、可重复和有效。它允许研究人员定义各种信息，如神经几何形状、纤维模型、电极设计和刺激波形，然后模拟神经对电脉冲的反应。

ASCENT的自动化技术允许用户复制之前发表的研究模型，将一个可能需要数年时间的过程变成可能只需要几周或几天的事情。

格尔实验室的本科生研究助理杰克·卡瑞洛补充说:“我们设计的代码非常具有可扩展性。”“我们将这个复杂的系统分解成多个子组件，每个子组件都是可定制的。”

ASCENT是一个开源项目，用户可以免费访问，是美国国立卫生研究院共同基金刺激外围活动以缓解病情项目(SPARC)的一部分。ASCENT软件可以在这里下载。

格尔实验室的博士生Eric Musselman说:“如此专业的工具对于新手来说通常是无法使用的。”“我们希望ASCENT能够帮助推动科学向前发展，因为更多的研究人员能够使用计算模型设计和解释治疗干预。”

“ASCENT (Automated Simulations to Characterize Electrical Nerve Thresholds): A pipeline for sample-specific computational modeling of electrical stimulation of peripheral nerves” Eric Musselman, Jake Cariello, Warren Grill, Nicole Pelot. PLOS Computational Biology, August 26, 2021. DOI: 10.1371/journal.pcbi.1009285