Energy-Optimal Electrical-Stimulation Pulses Shaped by the Least-Action Principle
Pourquoi ce travail est dans la base
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Notice bibliographique
Résumé
Electrical stimulation (ES) devices interact with excitable neural tissue toward eliciting action potentials (AP's) by specific current patterns. Low-energy ES prevents tissue damage and loss of specificity. Hence to identify optimal stimulation-current waveforms is a relevant problem, whose solution may have significant impact on the related medical (e.g. minimized side-effects) and engineering (e.g. maximized battery-life) efficiency. This has typically been addressed by simulation (of a given excitable-tissue model) and iterative numerical optimization with hard discontinuous constraints--e.g. AP's are all-or-none phenomena. Such approach is computationally expensive, while the solution is uncertain--e.g. may converge to local-only energy-minima and be model-specific. We exploit the Least-Action Principle (LAP). First, we derive in closed form the general template of the membrane-potential's temporal trajectory, which minimizes the ES energy integral over time and over any space-clamp ionic current model. From the given model we then obtain the specific energy-efficient current waveform, which is demonstrated to be globally optimal. The solution is model-independent by construction. We illustrate the approach by a broad set of example situations with some of the most popular ionic current models from the literature. The proposed approach may result in the significant improvement of solution efficiency: cumbersome and uncertain iteration is replaced by a single quadrature of a system of ordinary differential equations. The approach is further validated by enabling a general comparison to the conventional simulation and optimization results from the literature, including one of our own, based on finite-horizon optimal control. Applying the LAP also resulted in a number of general ES optimality principles. One such succinct observation is that ES with long pulse durations is much more sensitive to the pulse's shape whereas a rectangular pulse is most frequently optimal for short pulse durations.
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Prédiction distillée sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.
Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle