A Static Distributed-parameter Circuit Model Explains Electrical Stimulation on the Neuromuscular System
有限元建模（FEM）已被广泛用于模拟电场分布，研究刺激电极与神经组织之间的相互作用。然而，由于计算能力不足以将神经组织表示到原子水平，现有的FEM无法对垂直于神经元膜的真实电场进行建模以启动动作电位。因此，为了揭示真实的电极-组织相互作用，我们开发了一种电路来模拟跨膜电压波形。在这里，我们展示了一个分布参数电路模型，系统地研究电极-组织相互作用如何受到电极位置，输入电流波形和神经肌肉系统中的生物结构的影响。我们的模型解释和预测神经肌肉刺激中的各种现象，指导新的刺激电极和方法设计，更重要的是，有助于对电极-组织相互作用过程中的物理过程的基本理解。在我们的模型中，髓磷脂被假定为诱导性的。由这种诱导性髓鞘引起的电压波形共振解释了激活运动神经元的刺激阈值比肌肉纤维低得多，这是用体内测量观察到的。这些发现证实了使用适当的分布参数电路研究电极-组织相互作用的可行性。我们目前在神经肌肉系统上的应用也提高了这种分布参数电路模型可能被应用于研究其他神经组织的可能性，包括外周神经系统（PNS）和中枢神经系统（CNS）。
2019-08-21 q-bio.NC
Cortical recruitment and functional dynamics in postural control adaptation and habituation during vibratory proprioceptive stimulation
保持直立姿势是一项复杂的任务，由传入感觉运动和视觉信息与代偿性神经肌肉反应的整合所控制。这项工作的目的是表征视觉依赖性和功能动力学的皮质激活姿势控制。以85 Hz的频率对小腿肌肉进行本体感觉振动刺激，以在睁眼（OE）和闭眼（CE）实验试验中引起姿势扰动，伪随机二进制刺激相位分为4段16个刺激。64-记录通道EEG;使用放置在每个振动器近端的双极电极定义扰动时期。最后，功能连接评估通过网络分离和集成分析进行了探讨。光谱变化表明，在特定的姿势适应和习惯化的皮层区域内的波形和视觉依赖的激活。广义光谱变化产生显着的变化，从低到高的频率在CE适应试验，与整体活动抑制习惯化; OE试验显示出相反的现象，与适应和习惯产生的光谱功率增加。最后，我们的功能动力学分析揭示了新的皮质网络牵连的姿势控制使用EEG源空间脑网络。特别是，我们报告的本地theta连接的显着增加可能意味着纠正步骤的规划和/或跌倒后果的分析，而α带网络整合结果反映了扣带皮层内的错误检测的抑制，可能是由于习惯化。我们的研究结果表明，特定的皮层波形依赖于视觉反馈的可用性，我们提出的第一个证据表明，本地和全球的大脑网络在姿势控制过程中进行特征修改。
2019-02-27 q-bio.NC q-bio.QM
Postural control adaptation and habituation during vibratory proprioceptive stimulation: an HD-EEG investigation of cortical recruitment and kinematics
本工作的目的是测量姿势运动学和功率谱变化从HD-EEG评估在适应和习惯的姿势扰动过程中的皮层活动的变化。为了引起本体感受姿势扰动，在85 Hz的振动刺激施加到33名受试者的小腿肌肉超过四个75秒的刺激周期。根据伪随机二进制序列进行刺激。振动脉冲与高密度脑电图（HD-EEG，256通道）同步。在四个频带（Δ：0.5-3.5 Hz; θ：3.5-7.5 Hz; α：7.5-12.5 Hz; β：12.5-30 Hz）上分析绝对光谱功率（ASP）的变化。一个力平台记录扭矩驱动的脚，和归一化的摇摆路径长度（SPL）计算作为一个结构的姿势性能在每个时期。SPL值表明在试验期间姿势性能的改善。绝对功率值（ASP）的显着变化，发现在评估姿势适应：增加θ带ASP在额中央区的闭眼试验，增加θ和β带ASP在顶骨区的睁眼试验。在习惯化中，在闭眼试验期间未观察到ASP的显著变化，而在睁眼时观察到θ、α和β带ASP的增加。此外，睁大眼睛的试验一般产生了更多的显着的ASP差异在所有频段在适应和习惯，表明在姿势扰动的皮质活动可能会上调与视觉反馈的可用性。结果提供了更深入的了解病理姿势控制失败，探索在适应和习惯本体感觉姿势扰动过程中的皮质活动和姿势运动学的动态变化。
2020-04-19 q-bio.NC q-bio.QM
Synthetic reverberating activity patterns embedded in networks of cortical neurons
合成混响活动模式是通过刺激嵌入在体外皮层细胞自发活动网络中的神经元子集来实验产生的。神经元通过条件刺激矩阵人工连接，形成具有预定义可编程连接性和时间延迟的合成局部电路。这种实验设计的可能用途被证明，分析这些确定性的活动模式的敏感性传输延迟和正在进行的网络动态的性质。
2012-03-26 nlin.CD q-bio.NC
Stimulus-Evoked Network Dynamics in Human Cortical Organoids: From a Graph-Computational Framework to Repeated-Stimulation Depression
Faculty of Engineering, University of Southern Denmark（南丹麦大学工程学院）；Faculty of Science, University of Southern Denmark（南丹麦大学理学院）
本研究开发图计算框架分析人类皮质类器官刺激诱发的网络动力学，发现重复刺激可抑制并空间收缩诱发反应，且该效应可与发育成熟区分开。
2026-07-31 cs.AI q-bio.NC
Neural Co-Processors for Restoring Brain Function: Results from a Cortical Model of Grasping
University of Washington（华盛顿大学）
目的：设计闭环脑机接口的一个主要挑战是为不同的受试者和目标找到最佳刺激模式，作为正在进行的神经活动的函数。方法：为了实现目标导向的闭环神经刺激，我们提出了“神经协处理器”，它使用人工神经网络和深度学习来学习最佳的闭环刺激策略，塑造神经活动并桥接受损的神经回路，以进行有针对性的修复和康复。当生物电路本身适应刺激时，协处理器适应刺激策略，从而实现一种形式的大脑-设备协同适应。在这里，我们使用模拟为神经协处理器的未来体内测试奠定基础。我们利用皮层模型的把握，我们应用了各种形式的模拟病变，使我们能够开发关键的学习算法和研究适应非平稳性。主要结果：我们的模拟显示了神经协处理器使用监督学习方法学习刺激策略的能力，并随着底层大脑和传感器的变化而调整该策略。我们的协处理器成功地与模拟大脑共同适应，在施加各种损伤后完成了达到和抓取任务，实现了向健康功能的恢复。重要性：我们的研究结果提供了第一个概念验证演示的协处理器的自适应活动依赖性闭环神经刺激，优化康复目标。虽然模拟和应用之间仍然存在差距，但我们的研究结果提供了关于如何开发协处理器以学习各种神经康复和神经假体应用的复杂自适应刺激策略的见解。
2023-03-20 cs.AI q-bio.NC
Adapting Brain-Like Neural Networks for Modeling Cortical Visual Prostheses
University of California Santa Barbara（加州大学圣巴巴拉分校）；Ernst-Abbe-University（恩斯特·阿贝大学）
皮质假体是植入视觉皮层的装置，试图通过电刺激神经元来恢复失去的视力。目前，由这些设备提供的视觉是有限的，并且准确地预测由刺激引起的视觉感知是一个公开的挑战。我们建议通过利用“类脑”卷积神经网络（CNN）来解决这一挑战，CNN已成为视觉系统的有前途的模型。为了研究将类脑CNN用于建模视觉假体的可行性，我们开发了一个概念验证模型来预测电刺激产生的感知。我们表明，神经启发解码CNN激活产生定性准确的光幻视，与真实患者报告的光幻视。总的来说，这是建立类似大脑的电刺激模型的重要第一步，这不仅可以提高皮质假体提供的视觉质量，还可以进一步了解视觉的神经编码。
2022-09-27 cs.LG cs.NE q-bio.NC
Mapping neuron positions to curved cortical surfaces
根据实验数据，真实的皮质组织弯曲和折叠。然而，我们目前的模拟只使用未折叠的皮质层。该项目扩展了皮层切片模型，以便能够指定任意曲率的皮层层，并研究曲率和折叠对神经元密度和层形态的影响。
2014-05-14 q-bio.NC
Mesoscale tissue properties and electric fields in brain stimulation: Bridging the macroscopic and microscopic scales using layer-specific cortical conductivity
Duke University（杜克大学）；Technical University of Denmark（丹麦技术大学）；Copenhagen University Hospital Amager and Hvidovre（哥本哈根大学医院阿马格和哈弗尔校区）；Dartmouth College（达特茅斯学院）
本文综述了通过微观模型估计皮层层特异性电导率的方法，发现层间电导率差异显著（如第3层和第6层分别比第2层高20%和50%），并指出在脑刺激电场模型中采用层特异性电导率可提高神经激活阈值和分布估计的准确性。
2026-02-04 physics.app-ph physics.bio-ph physics.med-ph
A model of dissociated cortical tissue
研究生物神经元网络中的计算的一个强有力的实验方法是使用培养的解离皮层细胞在多电极阵列上生长成网络。这样的准备工作允许网络的发展，活动，可塑性，对刺激的反应，以及药理学试剂的影响的调查。它们还表现出全培养病理性爆发;了解其背后的机制可以创造更有用的细胞培养物，并可能具有医学应用。
2008-05-21 q-bio.CB q-bio.NC
Model-Guided Microstimulation Steers Primate Visual Behavior
EPFL（瑞士联邦理工学院）；Netherlands Institute for Neuroscience（荷兰神经科学研究所）；University of Parma（帕尔马大学）
该研究提出一种包含扰动模块、拓扑模型和映射流程的计算框架，用于引导高级视觉皮层微刺激，在恒河猴实验中验证了其对视觉行为的调控作用，为下一代复杂视觉假体研发奠定基础。
2025-10-04 cs.CV q-bio.NC
Analysis of Evolving Cortical Neuronal Networks Using Visual Informatics
Aston University（阿斯顿大学）；Universitat de Barcelona（巴塞罗那大学）；University of Nottingham（诺丁汉大学）
本研究利用基于余弦度量的最小失真嵌入（MDE）降维框架，分析神经元群体活动在发育和刺激下的变化，相比PCA和t-SNE，MDE能更好地保留活动轨迹和条件内半径等生物学信息。
2026-07-03 cond-mat.dis-nn physics.data-an physics.soc-ph
Understanding Epileptiform After-Discharges as Rhythmic Oscillatory Transients
癫痫患者的皮层电活动对刺激的反应可能表现出异常的节律性瞬变。即使在同一患者中使用相同的刺激参数，也报告了瞬态反应持续时间的广泛变化。这些瞬态一直被认为是重要的癫痫大脑中的兴奋性水平的映射，但其动力学机制仍然没有很好地理解。为了了解动态异常瞬变的发生，我们使用癫痫棘波活动的丘脑-皮层神经元群体模型，并研究慢子系统和快子系统之间的相互作用。在一个简化版本的丘脑-皮层模型，慢波振荡产生的折叠周期（FoC）分叉。这标志着高振幅振荡节律和背景状态之间的双稳态区域的开始。在参数空间的双稳态附近，该模型具有可兴奋的动力学，表现出对阈上脉冲刺激的延长的节律瞬变。我们分析的状态空间的几何形状的可激发态，并发现，节奏的瞬态时，即将出现的FoC分叉变形的状态空间，并创建一个区域的局部减少吸引力的不动点。这个区域基本上允许轨迹在逃逸到稳定的稳态之前停留在那里，从而产生有节奏的瞬变。在完整的丘脑-皮层模型中，我们发现了类似的FoC分叉结构。基于分析，我们提出了一个解释，为什么刺激诱发癫痫样活动可能会有所不同的试验之间，并预测如何变异可能与正在进行的振荡背景活动。
2017-05-05 math.DS q-bio.NC
Precision microfluidic control of neuronal ensembles in cultured cortical networks
本研究利用微流控装置构建具有层级模块结构的皮层神经元网络，通过调节微通道尺寸控制模块间耦合，降低同步性并丰富神经元集群活动模式，为体外研究神经元集群提供了稳健平台。
2024-05-29 q-bio.NC
Intramembrane Cavitation as a Predictive Bio-Piezoelectric Mechanism for Ultrasonic Brain Stimulation
低强度超声波可以远程地、非破坏性地兴奋中枢神经系统（CNS）神经元。虽然这种效应的各种应用已经出现，但这种激发的生物物理转导机制仍不清楚。最近，我们提出，超声诱导的双层膜内的膜内空化可能是一系列观察到的声学生物效应的生物力学基础。在本文中，我们表明，在中枢神经系统神经元中，这些纳米双层声载体的超声诱导的空化可以诱导一个复杂的机电相互作用，导致激励，主要是通过膜电容变化引起的电流的影响。我们的模型解释了中枢神经系统声刺激的基本特征，并预测了实验观察到的小鼠运动皮层超声刺激的疗效取决于刺激参数。这些结果支持神经元膜内压电性是超声诱导的神经刺激的基础的假设，并表明神经系统和压力波或扰动之间的其他相互作用可以解释这种新的生物压电转导模式。
2014-01-27 q-bio.NC
Timing Control of Single Neuron Spikes with Optogenetic Stimulation
本文预测的能力，外部控制的皮层神经元，其行为遵循Izhikevich神经元模型的发射时间。Izhikevich神经元模型提供了一种有效的和生物学上合理的方法来跟踪皮层神经元的膜电位和其放电时间。外部控制是一个简单的光遗传学模型，由一个可以打开或关闭的恒流源表示。本文认为，发射频率是足够低的膜电位返回到其静息电位后，它的火灾。将神经元充电和神经元恢复到静息电位所需的时间拟合到Izhikevich神经元模型参数的函数。结果表明，线性函数的模型参数可以用来预测充电时间具有一定的精度，并足以估计可实现的最高发射频率没有interspike干扰。
2018-02-13 physics.bio-ph q-bio.NC
Diffusion geometry approach to efficiently remove electrical stimulation artifacts in intracranial electroencephalography
在颅内脑电图（iEEG）中可以观察到与认知功能相关的脑皮层振荡（电生理活动模式），并且在许多精神疾病中受损。直接皮层刺激（DCS）可以直接针对这些振荡，并可以作为治疗方法，以恢复功能障碍。然而，神经生理数据中电刺激伪影的存在限制了刺激效果的分析。目前可用的方法在生物数据中存在固有的非平稳性的情况下在性能上受到影响。我们的算法，形状自适应非局部去噪（SANAR）是基于无监督流形学习。通过估计每个工件的k个最近邻的欧几里德中位数在一个非局部的方式，我们得到一个忠实的表示的工件，然后减去。这种方法克服了非平稳性带来的挑战。SANAR可有效去除时域中的刺激伪影，同时保留内源性神经生理信号的频谱内容。我们证明了在模拟数据集以及在人类iEEG数据的性能。使用两个定量的措施，捕捉多少信息从内源性活动被保留，我们证明SANAR的性能超过了广泛使用的方法之一，独立成分分析，在时域以及频域。这种方法允许在DCS期间分析iEEG数据，单通道或多通道，这是推进我们对周期性刺激效果的理解和开发新疗法的关键一步。
2018-11-20 physics.data-an physics.med-ph q-bio.NC
Self-wiring in neural nets of point-like cortical neurons fails to reproduce cytoarchitectural differences
我们提出了一个模型来描述活动依赖的进化和二进制神经元之间的自布线。具体而言，该模型可用于研究发育中的新皮层中神经元连接的生长。通过使用适当的训练模式序列的计算模拟，我们表明，长期记忆可以编码在神经元的连接和外部刺激的功能的新皮层电路的一部分。有人建议，这种二进制神经元表示的点样皮层神经元不能再现新皮层组织的细胞结构差异，这对房室模型的不足之处有影响。
2006-07-04 cond-mat.dis-nn q-bio.NC
Modeling Interference-Free Neuron Spikes with Optogenetic Stimulation
本文预测的能力，外部控制的皮层神经元，其行为遵循Izhikevich神经元模型的发射时间。Izhikevich神经元模型提供了一种有效的和生物学上合理的方法来跟踪皮层神经元的膜电位和其放电时间。外部对照是由刺激饱和或衰减膜电流的照明源表示的简单光遗传学模型。本文认为，发射频率是足够低的膜电位返回到其静息电位后，它的火灾。神经元充电和神经元恢复到静息电位所需的时间在数值上拟合到Izhikevich神经元模型参数和峰值输入电流的函数。结果表明，简单的函数的模型参数和最大输入电流可以用来预测的充电和恢复时间，即使在实际参数值有偏差。此外，预测导致可以在没有显著失真的情况下实现的发射频率的下限。
2019-12-29 physics.bio-ph q-bio.NC
An experimental evidence-based computational paradigm for new logic-gates in neuronal activity
我们提出了一个新的实验证实的范例，其中大脑的逻辑门的功能取决于其活动的历史，例如，随着时间的推移变成XOR门的OR门。我们的研究结果是基于一个实验过程中，条件刺激被强制嵌入在一个大规模的网络皮层细胞在体外的神经元电路。潜在的生物学机制是对持续刺激的神经元响应潜伏期的不可避免的增加，这强加了网络延迟的非均匀逐渐拉伸。
2013-05-02 q-bio.NC
Photo-Thermal Neural Excitation by Extrinsic and Intrinsic Absorbers: A Temperature-Rate Model
在水吸收的中红外波长处的红外神经刺激（INS）脉冲可以提供用于刺激外周和颅神经以及中枢神经系统神经元的非侵入性和安全的模式。INS激活的激发机制被认为是由光热组织瞬变介导的，这也可能使用外源性吸收剂（光吸收剂诱导的神经热刺激或PAINTS）诱导。光热瞬变对靶神经元的特定生物物理效应尚未确定和定量表征。在这里，我们提出并研究了一个模型的热诱导神经刺激的温度变化引起的去极化跨膜电流的温度变化率成正比。我们的模型包括激光吸收引起的温度瞬变的物理计算和靶细胞的生物物理模型。我们的研究结果表明，该模型预测的刺激阈值与使用外源性微粒吸收剂（PAINTS）在皮层细胞培养中获得的经验数据以及使用INS的听觉神经元刺激的早期结果吻合良好。这些结果表明，光热与神经系统的相互作用的一般的神经化学定律，并可能有助于指导这些现象的未来基础和应用研究。
2012-01-23 q-bio.NC
Coupling continuous neural networks to the electromagnetic field in nervous tissue
我们提出了一个微观的方法耦合的皮质活动，由于适当的偶极子电流的锥体神经元，在细胞外液中的电磁场的扩散和欧姆传导的存在下。结果，神经活动变为由连续神经场方程表示，而电场电位的观测模型是从皮层偶极子电流与非电阻性细胞外空间中的电荷密度的相互作用获得的，如由能斯特-普朗克方程描述的。
2012-09-03 cond-mat.dis-nn q-bio.NC
The simulation of the activity dependent neural network growth
目前公认的是，皮层地图是动态的结构，改变响应外部输入。皮层微切口的经验依赖性结构变化导致活动的变化，即编码信息的变化。外部刺激的特定模式可以导致神经元之间新的突触连接的创建。在发育中的神经系统中，由神经元活动控制的钙内流调节神经元释放神经营养因子、生长锥运动和突触分化的过程。我们提出了一个模型的描述和研究活动依赖的发展神经网络。网络参数（活性、轴突引导化学物质的扩散、生长锥位置）的动态由一组封闭的微分方程描述。本文提出的模型描述了神经网络在依赖于轴突导向分子的假设下的发展。数值模拟表明，无形态神经元损害皮层连接的发展。
2009-03-05 q-bio.NC
Cortical Dynamics of Neural-Connectivity Fields
本研究将广义振荡动力学纳入神经场理论，证明各向异性和波动连接仍可维持振荡，并提出连接场框架以整合赫布与非赫布可塑性。
2024-10-22 q-bio.NC
Virtual Electrode Recording Tool for EXtracellular potentials (VERTEX): Comparing multi-electrode recordings from simulated and biological mammalian cortical tissue
Newcastle University（纽卡斯尔大学）；Okinawa Institute of Science and Technology（冲绳科学技术大学院大学）；University of York（约克大学）
用细胞外电极采样的局部场电位（LFP）经常被用作群体神经元活动的量度。然而，将这种测量与潜在的神经元行为和连接性相关联是不平凡的。为了帮助研究这一联系，我们开发了细胞外电位虚拟电极记录工具（VERTEX）。我们首先确定了一个简化的神经元模型，保留了新皮层神经元细胞外电位的空间和频率滤波特性。然后，我们开发了VERTEX作为一个易于使用的Matlab工具，用于模拟来自大群体（>100 000个神经元）的LFP。一个基于VERTEX的模拟成功地再现了功能的LFPs从体外多电极阵列记录猕猴新皮层组织。我们的模型，虚拟电极放置在3D的任何地方，允许直接比较与体外记录设置。我们设想VERTEX将刺激实验学家、临床医生和计算神经科学家使用模型来理解健康和疾病中测量的大脑动力学的机制。
2014-09-18 cs.AI cs.NE q-bio.NC
Adaptive Estimation of the Neural Activation Extent in Computational Volume Conductor Models of Deep Brain Stimulation
目的：本研究的目的是提出一种嵌入到开源环境中的自适应方案，用于估计脑深部电刺激过程中的神经激活程度，并研究通过场解的阈值近似神经激活程度的可行性。研究方法：用于求解深部脑刺激的体积导体模型中的场方程和计算神经激活的开源解决方案被嵌入到Python包中，以通过采用空间自适应方案来估计依赖于介电组织特性和轴突参数的神经激活。为了进一步减少计算量，研究了用场阈值近似神经激活程度的可行性。结果：神经激活的不同程度的不同患者特定的介电特性估计的自适应方案。结果揭示了手术后急性和慢性阶段封装层的介电性质的强烈影响。在每个研究模型的情况下，确定神经激活程度所需的计算时间大大减少。结论：神经激活程度受患者特定参数的影响。电位和电场范数的阈值有助于计算有效的方法来估计神经激活程度。重要性：所提出的自适应方案是能够鲁棒地确定神经激活程度和场阈值估计不同的介电组织的属性和轴突直径，同时大大减少了计算费用。
2017-08-07 cs.CE q-bio.NC
Real-Time Optimization of the Current Steering for Visual Prosthesis
多电极阵列上的电流导引通常用于使神经组织中的电场成形，以便改善刺激的选择性和功效。以前，组织中的电场的模拟需要对每组刺激参数进行单独计算。这种建模方法不仅耗时，而且很难使用大量电极，而且与实际应用中电流导引的实时优化不兼容。我们提出了一个框架，用于有效计算的电场在神经组织的基础上叠加的领域从预先计算的基础。这样的线性代数框架使得能够实时地优化针对任何目标电场的电流导引。对于视网膜假体的应用，我们演示了如何刺激深度可以优化每个患者的视网膜厚度和从阵列的分离的基础上，同时最大限度地提高空间分辨率所必需的电场的横向限制。
2020-12-25 eess.IV physics.bio-ph q-bio.NC
Dynamics of multi-stable states during ongoing and evoked cortical activity
单个试验分析合奏活动在警觉的动物表明，皮层电路动态演变通过时间序列的亚稳态。亚稳性已被研究其在感觉编码，记忆和决策中的潜在作用。然而，人们对负责其起源的网络机制知之甚少。通常假设状态序列的开始是由外部刺激触发的。在这里，我们表明，状态序列也可以观察到在没有明显的感官刺激。对警觉大鼠味觉皮层多电极记录的分析揭示了持续的状态序列，其中单个神经元自发地在不同状态下获得几个放电率。这种单神经元多稳定性代表了对现有尖峰网络模型的挑战，其中通常每个神经元至多是双稳定的。我们提出了一个经常性的尖峰网络模型，占两个自发产生的状态序列和多稳定性的单神经元放电率。每个状态都是由具有增强的簇内连接的神经簇的激活引起的，每个簇中的放电率取决于活跃簇的数量。模拟表明，模型集合活动在不同状态之间跳跃，再现了数据中观察到的持续动态。当探测外部刺激时，该模型预测了单神经元多稳态到双稳态的淬灭和逐个试验变异性的减少。这两个预测都在数据中得到了证实。总之，这些结果提供了一个理论框架，捕捉正在进行的和诱发的网络动态在一个单一的机制模型。
2016-03-22 q-bio.NC
Suppression of hypersynchronous network activity in cultured cortical neurons using an ultrasoft silicone scaffold
皮质神经元在分离培养中的自发活动模式的特征在于在广泛的细胞群体中高度同步的突发放电。然而，同步的程度远远高于皮质组织。在这里，我们采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性体建立一个新的系统，用于培养神经元的支架上的弹性模量类似于脑组织，并研究了支架的弹性对培养的大鼠皮层神经元的网络活动模式的影响。使用全细胞膜片钳评估支架对突触连接发展的影响，我们发现，兴奋性突触后电流的振幅，以及自发传输的频率，在弹性模量为0.5 kPa的超软PDMS上生长的神经元网络中减少。此外，发现超软支架抑制培养的神经元网络的自发活动中的神经相关性。GsMTx-4的剂量，拮抗剂的拉伸激活的阳离子通道（SAC），需要减少低于1.0事件/分钟的PDMS基板上的事件的产生低于玻璃基板上的神经元。这表明SAC活化的基线水平的差异是神经元网络活性取决于支架刚度的改变的分子机制。我们的研究结果表明，具有仿生弹性的PDMS作为细胞培养支架在神经系统中弥合体内-体外缺口方面具有潜在的应用前景。
2019-12-10 physics.bio-ph q-bio.NC
Modeling effect of GABAergic current in a basal ganglia computational model
脑深部电高频刺激（HFS）是一种在不同类型的运动和神经系统疾病中临床有效的方法。为了阐明其作用模式，基底神经节网络的计算模型将HFS作为注入电流耦合到丘脑底核（subthalamic nucleus，简称STN）的细胞中。它的整体增加的活动呈现出通过丘脑-皮层中继细胞的感觉运动输入的忠实传输。我们的贡献使用Rubin和Terman的这个模型（J Comput Neurosci，16，211-223，2004）作为起点，并整合了关于抑制性神经递质GABA的细胞外浓度的重要性的最新发现。我们能够表明，在这项计算研究中，除了电刺激的高浓度的GABA和其产生的导电性，在神经元细胞是能够重新建立忠实的丘脑皮层中继，否则打破了模拟帕金森氏症的状态。
2013-12-30 q-bio.NC
Cortical origins of MacKay-type visual illusions: A case for the non-linearity
Université Paris-Saclay, CNRS, CentraleSupélec（巴黎萨克雷大学、法国国家科学研究中心、中央理工-高等电力学院）
研究冗余几何图案对视网膜刺激与初级视皮层响应的交互，基于马卡伊效应和比洛克与苏的实验，通过可控性方法分析非线性响应函数对视觉现象的影响。
2023-06-16 cs.NA math.NA math.OC
Processing of information in synchroneously firing chains in networks of neurons
皮层活动的Abeles模型假设在没有刺激的情况下，零级神经活动可以用泊松过程来描述。在这里，该模型被扩展到描述信息处理的synfire链在网络中的活动不相关的synfire链。从这个概念的传递函数的定量推导。
2006-09-20 cond-mat.dis-nn q-bio.NC
Spatial Resolution of Local Field Potential Signals in Macaque V4
皮质视觉假体的发展的一个主要挑战是空间定位的光，称为光幻视，通过分配适当的刺激参数植入电极的个人斑点。模仿在不同位置的光幻视样刺激的自然反应，可以帮助设计一个系统的程序来确定这些参数。这种系统的关键特征是能够区分对视野中不同位置的反应。虽然大多数先前的假体装置针对的是初级视觉皮层，但纹外皮层具有用较少量的皮质组织覆盖大部分视野的优点，从而提供了更紧凑的植入物的可能性。在这里，我们研究了如何以及合奏的多单位活动（MUA）和局部场电位（LFPs）的反应，从外纹皮层视觉区V4的行为猕猴可以区分二维空间位置。我们发现，尽管在V4的大感受野的大小，从多个网站的组合响应，无论是MUA或LFP，具有精细和粗糙的歧视的位置的能力。我们确定了一个选择程序，可以显着提高的歧视性能，同时减少所需的电极数量。对MUA和LFP反应的噪声相关性分析表明，LFP反应的噪声相关性携带了更多的空间位置信息。总体而言，这些研究结果表明，空间位置可以与纹外区V4的模式刺激本地化。
2019-11-18 q-bio.NC
Wireless Optogenetic Nanonetworks: Device Model and Charging Protocols
近年来，许多研究工作致力于开发用于脑刺激的有效植入式设备。然而，目前的技术存在局限性和挑战。首先，神经元的刺激目前可以通过可植入电极来实现，但仅限于神经元群体。其次，一个主要的障碍在于开发可以在患者大脑中持续一生的微型设备。与此同时，光遗传学已经出现，提出通过插入头骨的光纤用光刺激神经元。因此，在患者生活方式的适应性和生物相容性方面引入了许多挑战。我们最近提出了无线光遗传学纳米网络设备（WiOptND）的概念，解决了这些长期部署问题，同时针对单个神经元刺激[1]。WiOptND配备了一个微型LED，能够刺激基因工程神经元，同时从超声波振动中获取能量。本文研究了光在脑组织中的传播方式，并根据发射足够强度的刺激所需的功率，设计了能量收集电路。还提出了许多充电协议，以最大限度地提高能源效率，同时确保最少的神经尖峰误激发次数。这些协议包括充电和火灾，预测滑动检测窗口，及其变体基于马尔可夫链的时间延迟模式。仿真结果表明，基于马尔可夫链的时间延迟模式的激励比下降了25%，其效率比表现出更稳定的趋势相比，变化和火灾。结果显示了利用WiOptND进行长期植入的可行性，以及精确刺激大脑皮质柱神经元的新方向。
2017-06-20 cs.ET q-bio.NC
Fluctuation analysis in nonstationary conditions: single Ca channel current in cortical pyramidal neurons
波动分析是一种方法，它允许测量离子通道的单通道电流，即使它太小而不能直接用膜片钳技术解决。这是电压门控Ca 2+通道（VGCC）的情况。它们存在于所有哺乳动物中枢神经元中，控制突触前递质的释放、突触后信号传导和突触整合。然而，在生理浓度的细胞外Ca 2+中，它们的单通道电流的幅度很小，并且没有很好地确定。但是，测量这个数量是必不可少的估计功能VGCC的膜和通道相关的Ca 2+信号结构域的大小，并了解Ca 2+信号的随机性。在这里，我们记录了VGCC电流在有核补丁从第5层锥体神经元在大鼠新皮层，在生理外部Ca 2+（1-2 mM）。由于VGCC电流的快速下降，传统波动分析所需的电流响应的整体平均被证明是不切实际的。因此，我们开发了一种更强大的方法，使用平均电流拟合的个人电流响应和带通滤波。此外，电压斜坡刺激被证明是有用的。通过对仿真数据的分析，验证了该方法的准确性.在1 mM的外部Ca 2+浓度和-20 mV的膜电位下，我们发现平均单通道电流幅度约为0.04 pA，在2 mM外部Ca 2+时增加至0.065 pA，波动的弛豫时间常数在0.2- 0.12pA的范围内。0.8毫秒。结果是相关的了解树突状细胞的Ca 2+尖峰在新皮层第5层锥体神经元的随机特性。与报告的方法，单通道电流幅度的本地VGCC可以准确地解决，尽管条件不稳定的rundown。
2017-08-29 q-bio.NC
Channel Impulse Analysis of Light Propagation for Point-to-point Nano Communications through Cortical Neurons
最近的脑机接口已转向由纳米级组件构建的微型设备。虽然这些设备可以植入大脑，但其功能可能有限，并且需要通信和网络才能实现合作。神经元刺激的一种通信形式是使用光。传播需要考虑许多因素，包括衍射、散射、吸收以及衰减。这些性质不仅受介质的影响，还受细胞几何形状的影响。这些因素影响光波的方向和振幅。本文分析了光在神经组织中传播的路径损耗和几何增益、信道冲激响应和频率响应。总衰减取决于传播介质损耗和几何增益，信道响应高度依赖于沿路径的细胞数量，此外，介质的光学性质还影响接收端的时延和探测器的位置宽度。基于数值分析，球形细胞衰减大约20%的透射功率，这小于梭形细胞和锥体细胞（分别为35%和65%）。
2019-11-01 cs.ET q-bio.NC
Biophysically grounded mean-field models of neural populations under electrical stimulation
神经系统的电刺激是理解神经动力学并最终开发临床治疗的关键工具。电刺激的许多应用影响大量神经元。然而，尖峰神经元的大型网络的计算模型本质上很难模拟和分析。我们评估了一个简化的平均场模型的兴奋性和抑制性自适应指数积分和消防（AdEx）神经元，可用于有效地研究电刺激对大型神经元群体的影响。这个基本的皮质模型的丰富的动力学特性的详细描述和验证使用大型网络模拟。反映网络状态的分叉图揭示了异步的上下状态、振荡机制和振荡区域，对应于快速的兴奋-抑制和缓慢的兴奋-适应反馈回路。AdEx神经元的生物物理参数可以耦合到一个电场与现实的场强，然后可以传播到人口的描述。我们展示了如何在分叉的边缘，直接的电输入导致网络状态的转变，如打开和关闭振荡的人口率。振荡输入可以频率夹带和锁相内源振荡。1 V/m量级的相对弱的电场强度能够产生这些效应，表明场效应在网络中被强烈放大。随时间变化的外部刺激的效果是很好的预测的平均场模型，进一步支持低维神经质量模型的实用性。
2020-11-17 cond-mat.dis-nn nlin.AO q-bio.NC
Bending a slab of neural tissue
在比较神经解剖学和发育神经解剖学中，人们会遇到有关神经组织在应力下变形的问题。这篇文章的动机是一个观察（Barbas { \it et al}），即在皮质褶皱或脑回处，神经组织层显示出上层或深层的相对增厚或变薄。一般来说，一片神经组织的材料性质是未知的，即使已知，也可能导致弹性理论中的难题。这里提出了一个简单的论点，表明弯曲弹性板应产生相对增厚的层内的弯曲。该参数是基于材料的不可压缩性，因此应该相当稳健。
2006-11-08 physics.bio-ph q-bio.NC q-bio.TO
Cellular Adaptation Accounts for the Sparse and Reliable Sensory Stimulus Representation
大多数外周感觉通路中的神经元最初在出现首选刺激时反应强烈，但随着刺激的继续而适应。目前还不清楚这种现象如何影响皮层感觉处理后期的刺激表征。在这里，我们表明，一个时间稀疏和可靠的刺激表示自然发展的网络与适应神经元。我们发现，细胞的适应起着至关重要的作用，在短暂的减少试验的皮层尖峰的变化，提供了一个广泛的，迄今无法解释的现象，通过一个简单的机制的解释。在昆虫嗅觉中，细胞适应足以解释蘑菇体中时间稀疏和可靠的刺激表示的出现，独立于抑制机制。我们的研究结果揭示了一个计算原理，涉及神经元放电率适应时间稀疏编码和变异抑制神经系统与顺序处理架构。
2012-10-26 physics.bio-ph q-bio.NC
Deep Learning Classification of EEG Responses to Multi-Dimensional Transcranial Electrical Stimulation
Imperial College London（伦敦帝国学院）；King's College London（伦敦国王学院）；UK Dementia Research Institute（英国痴呆症研究所）
本研究利用深度学习对EEG信号进行分类，通过多维经颅电刺激评估意识状态，实现了92%的分类准确率，超越人类水平。
2025-12-23 cs.AI q-bio.NC
Theory of cyborg: a new approach to fish locomotion control
近年来，脑机接口领域的Cyborg引起了越来越多的关注。通过机器控制一个生物被称为半机械人的方法，三个阶段是相当可观的：刺激神经元，神经反应，和主体的行为反应。我们主要关心的是了解电刺激如何诱导神经活动并导致行为反应。此外，我们有兴趣从不同方面探索哪种类型的电刺激是最佳的，例如以最小的感应刺激场获得最大的响应，对组织和电极的损伤最小，减少刺激的毒性或生物的疼痛。在这篇文章中，我们提出了一个新的模型，诱导神经活动导致运动反应，通过电刺激。在此基础上，我们提出了一种新的神经电刺激方法，以更好地控制生物的运动。这一方法得到了验证，通过鱼cyborg的经验数据。我们用一个随机低频振荡的超高频信号刺激鱼脑。根据我们的模型，我们可以控制鱼类的运动在一个新的和创新的方式。在本研究中，我们根据神经系统区域和刺激信号特性对不同的电子人方法进行分类，以达到更好和最佳的生物行为控制。据此，我们从理论上提出了一种新的刺激方法，并进行了实验验证。
2019-04-30 physics.bio-ph q-bio.NC q-bio.QM
State-dependent complexity of the local field potential in the primary visual cortex
本研究针对皮层长时程状态下LFP特性认知不足的问题，采用基于Jensen不平衡测度和Shannon熵的符号信息方法，发现V1区LFP统计复杂度与皮层状态、分层及行为状态存在关联。
2023-12-13 physics.bio-ph q-bio.NC
Computational paradigm for dynamic logic-gates in neuronal activity
1943年，McCulloch和Pitts提出，大脑是由可靠的逻辑门组成的，类似于今天计算机的核心逻辑。这个框架对神经科学的影响有限，因为神经元表现出更丰富的动力学。在这里，我们提出了一个新的实验证实的范式，其中大脑的逻辑门的真值表是时间依赖的，即动态逻辑门（DLG）。DLG的真值表取决于它们的活动历史和它们的输入神经元的刺激频率。我们的实验结果是基于一个程序，其中条件刺激被强制嵌入在一个大规模的网络皮层细胞在体外的神经元电路。我们证明，潜在的生物学机制是不可避免的增加神经元响应延迟到正在进行的刺激，这对网络延迟施加了不均匀的逐步拉伸。有限的实验结果证实和扩展的模拟和理论论据的基础上相同的神经元与固定增加的神经元响应潜伏期每诱发尖峰。我们预计我们的研究结果将导致更好地理解这种计算范式的适用性，以考虑大脑的功能，并将需要开发新的系统的数学方法，超越传统的布尔代数开发的方法。
2014-04-15 q-bio.NC q-bio.QM
Early Assessment of Artificial Lower Extremity Sensory Response Times and Proprioceptive Acuity via Sensory Cortex Electrical Stimulation
本研究利用初级感觉皮层直接电刺激（DCES）向脊髓损伤受试者传递人工腿部本体感觉，发现受试者能区分不同摆动速度但感知响应时间显著慢于视听觉，提示需优化敏锐度与响应速度。
2025-05-28 q-bio.NC q-bio.OT
One nose but two nostrils: Learn to align with sparse connections between two olfactory cortices
本研究通过局部赫布规则建模嗅觉皮层双侧对齐，发现稀疏连接可实现对齐，且皮层神经元数量与投射密度呈反比缩放，为稀疏局部学习算法提供启示。
2024-05-06 physics.bio-ph q-bio.NC
Three mechanistically different variability and noise sources in the trial-to-trial fluctuations of responses to brain stimulation
针对脑刺激响应中生理变异性与背景噪声难以分离的问题，提出一种无下侧平台期的三变异性源对数逻辑斯谛模型，通过独立提取隐藏变异性信息并隔离背景噪声，实现了对输入-输出曲线参数的准确估计，为临床和实验神经科学提供了更稳健的分析工具。
2024-12-22 eess.SP q-bio.NC q-bio.QM
Role of Data-driven Regional Growth Model in Shaping Brain Folding Patterns
本研究首次利用机器学习辅助符号回归构建区域皮层生长模型并模拟大脑折叠，证明区域异质性生长比均匀生长更真实地再现折叠模式，为脑发育障碍早期诊断提供新工具。
2024-09-04 cs.CE cs.SC q-bio.NC
