【ETHZ博士论文】计算大脑建模用于非侵入性传感与刺激

中央神经系统无疑是人类生物体中最复杂的部分，其功能仍有许多未知之处。同时，这种复杂性和敏感性给任何功能障碍的治疗带来了巨大挑战。电磁（EM）场在其中扮演了独特的角色，因为神经活动会产生可测量的电磁信号，反过来，电磁暴露又会影响电生理活动。电磁场能够穿透组织的特性，为非侵入性治疗和诊断提供了可能，而其他交互方式通常是无目标的或具有侵入性的。然而，头部异质性介电环境的复杂性和大脑活动的多尺度特性使得以有针对性、安全、有效的方式调节功能或监测活动变得非常具有挑战性。计算建模在捕捉这些复杂性方面取得了重要进展，使得计算机模拟方法在阐明机制、开发新型诊断和治疗方法，以及个性化应用方面发挥了重要作用。在本论文中，建立了广泛适用的计算方法和计算建模基础设施，并将其应用于一系列相关的临床挑战。这些挑战包括：（i）建立用于监测颅内压（ICP）和颅脊顺应性（CC）的非侵入性替代方法；（ii）使非侵入性大脑刺激（NIBS）能够以可控方式驱动网络活动；（iii）评估在导电植入物存在下经颅电大脑刺激（tES）的安全性。研究工作可以分为以下三个主要领域：• 新型计算方法：我们将强大的互易定理进行推广，使其能够（i）研究来自复杂解剖环境中分布式异质电源活动所产生的可测信号，以及（ii）计算由微小的介电性质和几何形状变化引起的动态信号。此外，还开发了一种用于重建和处理不完整结构化数据（例如，掩盖的医学影像数据）的算法。• 计算评估基础设施：建立了一个全面的管道，用于个性化评估和优化NIBS及其对全脑活动的影响。该管道包括个性化的解剖模型生成、基于影像的异质和各向异性组织特性赋值、电磁暴露仿真和源到传感器的映射、基于受试者特定结构连接（SC）数据耦合建模的全脑网络动力学，以及通过可测信号和高级网络动态特征来量化响应。• 应用：（i）研究表明，颅脊腔隙间液体交换引起的可测头部阻抗变化携带着关于大脑脉动详细性质的受试者特异信息。这可能取代传统的侵入性CC/ICP测量，提供一个适用于连续监测的非侵入性替代方法；（ii）通过量化受试者间刺激暴露和SC变异性，研究了大脑网络的流动性和低维子流形动力学，模拟了tES对脑电图信号的影响，展示了个性化NIBS建模管道；（iii）全面研究了在具有主动和被动植入物的受试者中应用NIBS的安全性问题，提出了具体的定量指导，以供临床医生参考并标准化治疗。本论文展示了计算机模拟方法作为体内和体外工作的重要补充或替代品的价值，提供了一个高度控制、可访问并富含信息的数据来源。ICP/CC替代方法研究展示了如何利用这一方法最大化并提取复杂信号中的信息内容。NIBS管道研究展示了受试者间变异性的重要性，以及根据精准医疗理念个性化治疗的重要性。这也为优化相关功能影响（在这种情况下是状态敏感的高级脑网络动态）提供了重要的一步，而不仅仅是针对物理暴露（NIBS的电磁场）的精准定位——毕竟，电磁场仅仅是实现这一目标的一种手段。丰富的传感信息与响应动态的计算模型相结合，为模型预测的闭环控制开辟了道路。除了利用计算机模拟方法最大化效果外，NIBS植入安全性评估研究还展示了其在建立安全相关交互机制方面的强大作用，并利用这些机制制定安全指导方针。作为本论文的一部分，研究者还进行了大量关于安全评估的额外工作，建立了方法论并设计了一个复制人类皮肤的假体，用于第五代移动通信设备吸收功率密度的暴露安全标准化和合规性测试。然而，这部分研究与本论文的总体主题不同，故未在此报告。