基于閉環(huán)控制的神經(jīng)元及集群癲癇狀態(tài)的研究.pdf

1、癲癇是大腦神經(jīng)元突發(fā)性異常放電導(dǎo)致短暫的大腦功能障礙的一種慢性神經(jīng)系統(tǒng)疾病，針對(duì)藥物無(wú)法控制的難治性癲癇，電刺激正逐漸成為其有效的治療手段之一，如深度腦刺激(DBS)、經(jīng)顱直流電刺激(tDCS)等。目前臨床使用的開(kāi)環(huán)電刺激方法并不具有普遍適用性，為解決這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)閉環(huán)電刺激來(lái)治療癲癇等精神疾病已成為目前研究的熱點(diǎn)。由于癲癇疾病的致病機(jī)理尚不清楚加之電生理實(shí)驗(yàn)方面的各種限制，神經(jīng)計(jì)算模型分析已成為研究神經(jīng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性和生理現(xiàn)象的有效方

2、法之一。因此，基于單神經(jīng)元和神經(jīng)元集群模型，本文提出了閉環(huán)迭代學(xué)習(xí)控制(ILC)策略與閉環(huán)混合控制策略，以實(shí)現(xiàn)癲癇態(tài)放電的閉環(huán)控制。本論文的研究?jī)?nèi)容主要包括以下三個(gè)方面：
　　首先，本文基于海馬CA3區(qū)Pinsky-Rinzel(PR)模型和大腦皮層神經(jīng)元集群模型(NMM)，分析其動(dòng)力學(xué)特性，考慮單神經(jīng)元關(guān)鍵參數(shù)—鉀離子通道反電勢(shì)KV、胞體與樹(shù)突之間的耦合電導(dǎo)g c、化學(xué)耦合強(qiáng)度g NMDA、g AMPA對(duì)神經(jīng)元放電模式的影響；神

3、經(jīng)元集群參數(shù)—興奮性平均突觸增益A、耦合強(qiáng)度Kij對(duì)神經(jīng)元集群放電的影響，探索癲癇發(fā)病機(jī)制。
　　其次，基于關(guān)鍵參數(shù)對(duì)單神經(jīng)元放電模式的影響，利用迭代學(xué)習(xí)控制、延時(shí)反饋與 PI控制相結(jié)合的混合控制分別實(shí)現(xiàn)了單神經(jīng)元癲癇樣放電的閉環(huán)控制；采用無(wú)跡卡爾曼濾波器(UKF)對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，進(jìn)而形成反饋信號(hào)。通過(guò)對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的跟蹤反饋調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)PR神經(jīng)元放電模式的轉(zhuǎn)換；基于化學(xué)耦合強(qiáng)度的影響，利用迭代學(xué)習(xí)控制實(shí)現(xiàn)不同耦合強(qiáng)度的神經(jīng)元間放電去

4、同步控制。
　　最后，基于多耦合神經(jīng)元集總參數(shù)模型提出多模式閉環(huán)深度腦刺激系統(tǒng)。依據(jù)興奮性平均突觸增益與耦合強(qiáng)度的影響，產(chǎn)生癲癇態(tài)與正常態(tài)下的局部場(chǎng)電位(LFP)波形；根據(jù)對(duì)C0復(fù)雜度、信號(hào)頻帶能量比的分析，提取局部場(chǎng)電位的特征；采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)局部場(chǎng)電位信號(hào)進(jìn)行分類并實(shí)現(xiàn)刺激強(qiáng)度的選擇；針對(duì)不同的放電模式利用迭代學(xué)習(xí)控制器輸出控制信號(hào)；通過(guò)對(duì)刺激電流幅值和周期的調(diào)制輸出精準(zhǔn)的深度腦刺激電流，實(shí)現(xiàn)癲癇狀態(tài)的閉環(huán)控制，阻止癲癇樣放