1、帕金森病(Parkinson’s disease，PD)是一種嚴(yán)重危害中老年人健康的神經(jīng)退行性疾病。帕金森病的病因及其治療機(jī)制至今尚未完全清楚，是神經(jīng)科學(xué)界的難題之一。本文將計(jì)算模型和控制理論相結(jié)合，提出基于深度腦刺激(Deep BrainStimulation，DBS)的波形優(yōu)化和閉環(huán)控制思想，從模型角度研究PD的機(jī)理及DBS治療PD的機(jī)制問(wèn)題。主要研究?jī)?nèi)容包括：
　　 ⑴在分析PD發(fā)病機(jī)制和DBS治療機(jī)制的國(guó)內(nèi)外研究趨勢(shì)基礎(chǔ)

2、上，建立了外電場(chǎng)作用下帕金森病腦網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元模型，模擬DBS刺激對(duì)帕金森病發(fā)病腦區(qū)的調(diào)控機(jī)制。根據(jù)此模型提出了丘腦中繼可靠性的概念，分別從單神經(jīng)元和多神經(jīng)元角度研究了不同形式電場(chǎng)作用下PD神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的放電模式，發(fā)現(xiàn)DBS刺激從總體上降低了蒼白球內(nèi)側(cè)神經(jīng)元對(duì)丘腦神經(jīng)元的抑制性輸入，從而使丘腦神經(jīng)元的中繼活動(dòng)得以順利進(jìn)行。在使用不同參數(shù)形成的DBS波形刺激丘腦底核(Subthalamic nucleus，STN)時(shí)，基底核內(nèi)不同的核團(tuán)會(huì)表現(xiàn)

3、出不同的節(jié)律。這個(gè)結(jié)論證明了外電場(chǎng)對(duì)帕金森病網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元模型調(diào)控機(jī)制的有效性。
　　 ⑵由于不同參數(shù)DBS刺激STN會(huì)對(duì)基底核神經(jīng)元的放電模式產(chǎn)生不同的作用，這種作用最終會(huì)通過(guò)GPi神經(jīng)元對(duì)丘腦中繼可靠性產(chǎn)生影響。本文提出了選擇性輸入的概念，通過(guò)利用各種不同的波形模擬蒼白球內(nèi)側(cè)(globus pallidusinterna，GPi)神經(jīng)元對(duì)丘腦神經(jīng)元的抑制性輸入，簡(jiǎn)化了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。研究了GPi神經(jīng)元的抑制性刺激和來(lái)自皮層

4、感覺(jué)運(yùn)動(dòng)區(qū)的興奮性刺激對(duì)丘腦中繼神經(jīng)元的影響。分析表明，丘腦中繼神經(jīng)元的放電狀態(tài)將取決于兩類(lèi)刺激的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，在一定的興奮性輸入下，丘腦對(duì)抑制性刺激的頻率和幅值等具有選擇性，高頻低幅值和部分高頻高幅值的抑制性輸入不會(huì)影響到丘腦的中繼能力。
　　 ⑶提出了DBS波形成形的優(yōu)化思想，解決DBS的參數(shù)選擇無(wú)法實(shí)現(xiàn)能量最優(yōu)的問(wèn)題。首先運(yùn)用粒子群算法對(duì)周期性DBS方波的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，減小了DBS的能量消耗以及參數(shù)選擇時(shí)間。首次利用波形脈寬

5、調(diào)制(Pulse WidthModulation，PWM)的面積等效原理的思想實(shí)現(xiàn)一種新的DBS波形成型規(guī)則。仿真結(jié)果表明，這種基于PWM的DBS波形成形規(guī)則具有和方波同樣的刺激效果，并且能夠減小能量消耗。在對(duì)PWM波進(jìn)行優(yōu)化分析的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)并證實(shí)了DBS刺激的最小能量效應(yīng)。
　　 ⑷由于對(duì)DBS機(jī)制認(rèn)識(shí)不足以及個(gè)體(模型)的差異，當(dāng)前DBS的參數(shù)無(wú)法自動(dòng)調(diào)節(jié)。本文基于辨識(shí)得到的模型，提出了PD模型的閉環(huán)控制方案。設(shè)計(jì)了丘腦中