Optimal open-loop desynchronization of neural oscillator populations
Optimal open-loop desynchronization of neural oscillator populations
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神经振荡器群的最佳开环去同步化
DOI：
10.1007/s00285-020-01501-1
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发表时间：
2020
影响因子：
1.9
通讯作者：
Wilson, Dan
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Wilson, Dan
脑深部电刺激(DBS)是一种越来越多用于治疗各种神经疾病的医疗方法。虽然其机制尚不完全清楚，但实验证据表明，通过施加周期性的电刺激，DBS可能会使病理上同步的神经元群体去同步，从而导致更大的大脑回路发生理想的变化。然而，周期性刺激可以在耦合的神经元群体中产生去同步化的潜在数学机制还没有被很好地理解。在这项工作中，一个减少的相位-幅度减少框架被用来描述周期刺激对一群耦合振荡器的去同步影响。随后，最优控制理论允许设计周期性的开环激励，使完全同步的解不稳定，同时使旋转块解稳定。该框架利用系统的非线性特性来战略性地修正不稳定的弗洛奎特指数。结果表明，在弱耦合极限下，该方法只需要单个神经元的相响应曲线信息。文中还考虑了噪声和非均质性的影响，并给出了数值结果。这一框架最终可能被用来设计更有效的深度脑刺激波形，用于治疗神经疾病。
Deep brain stimulation (DBS) is an increasingly used medical treatment for various neurological disorders. While its mechanisms are not fully understood, experimental evidence suggests that through application of periodic electrical stimulation DBS may act to desynchronize pathologically synchronized populations of neurons resulting desirable changes to a larger brain circuit. However, the underlying mathematical mechanisms by which periodic stimulation can engender desynchronization in a coupled population of neurons is not well understood. In this work, a reduced phase-amplitude reduction framework is used to characterize the desynchronizing influence of periodic stimulation on a population of coupled oscillators. Subsequently, optimal control theory allows for the design of periodic, open-loop stimuli with the capacity to destabilize completely synchronized solutions while simultaneously stabilizing rotating block solutions. This framework exploits system nonlinearities in order to strategically modify unstable Floquet exponents. In the limit of weak neural coupling, it is shown that this method only requires information about the phase response curves of the individual neurons. The effects of noise and heterogeneity are also considered and numerical results are presented. This framework could ultimately be used to inform the design of more efficient deep brain stimulation waveforms for the treatment of neurological disease.
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