arXiv (Neural Computing)AI
パーキンソン病の適応的脳深部刺激制御を実現するニューロモルフィック・シリコン・ニューロン・コントローラ
Neuromorphic Silicon Neuron Controller for Adaptive Deep Brain Stimulation in Parkinson's Disease
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パーキンソン病は世界中で数百万人に影響を与える神経疾患であり、重篤な運動症状を引き起こします。従来の脳深部刺激(DBS)療法は固定的な刺激パターンを使用していますが、近年注目されている適応的脳深部刺激(aDBS)は患者の生理的状態に応じて刺激を動的に調整し、より効果的な症状管理を実現します。しかし既存のaDBS研究の大多数はアルゴリズムとソフトウェアに依存しており、実際に体内に埋め込める低消費電力の集積回路としての実装には限定的な進展しかありませんでした。
本研究は、シリコン・リーキー・インテグレート・アンド・ファイア脳深部刺激(SiLIF-DBS)コントローラを提案しています。このコントローラはCMOS技術を用いたニューロモルフィック・シリコン・ニューロン・シミュレータで実装されており、実際の埋め込み型デバイスとしての実現可能性を示すものです。システム評価では、SiLIF-DBS コントローラの簡略化された計算モデルがパーキンソン病の大脳皮質-基底核ネットワークモデルに組み込まれ、閉ループ検証が行われました。
制御システムは視床下核局所場電位(STN-LFPs)のベータ帯域信号によって駆動され、その平均整流値(Beta ARV)が制御バイオマーカーとして機能します。開発されたSiLIF-DBS コントローラは病的なベータ活動を抑制しながら、開ループ刺激に比べて消費電力を75%削減し、抑制効率5.85%/μWを達成しました。この成果は低消費電力の埋め込み型aDBSシステムの基盤として実用的価値が高く、パーキンソン病患者の生活の質向上に貢献する可能性を示しています。