A theoretical framework for the site-specific and frequency-dependent neuronal effects of deep brain stimulation
Notice bibliographique
Résumé
BACKGROUND: Deep brain stimulation is an established therapy for several neurological disorders; however, its effects on neuronal activity vary across brain regions and depend on stimulation settings. Understanding these variable responses can aid in the development of physiologically-informed stimulation paradigms in existing or prospective indications. OBJECTIVE: Provide experimental and computational insights into the brain-region-specific and frequency-dependent effects of extracellular stimulation on neuronal activity. METHODS: In patients with movement disorders, single-neuron recordings were acquired from the subthalamic nucleus, substantia nigra pars reticulata, ventral intermediate nucleus, or reticular thalamus during microstimulation across various frequencies (1-100 Hz) to assess single-pulse and frequency-response functions. Moreover, a biophysically-realistic computational framework was developed which generated postsynaptic responses under the assumption that electrical stimuli simultaneously activated all convergent presynaptic inputs to stimulation target neurons. The framework took into consideration the relative distributions of excitatory/inhibitory afferent inputs to model site-specific responses, which were in turn embedded within a model of short-term synaptic plasticity to account for stimulation frequency-dependence. RESULTS: We demonstrated microstimulation-evoked excitatory neuronal responses in thalamic structures (which have predominantly excitatory inputs) and inhibitory responses in basal ganglia structures (predominantly inhibitory inputs); however, higher stimulation frequencies led to a loss of site-specificity and convergence towards neuronal suppression. The model confirmed that site-specific responses could be simulated by accounting for local neuroanatomical/microcircuit properties, while suppression of neuronal activity during high-frequency stimulation was mediated by short-term synaptic depression. CONCLUSIONS: Brain-region-specific and frequency-dependant neuronal responses could be simulated by considering neuroanatomical (local microcircuitry) and neurophysiological (short-term plasticity) properties.
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Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,002 |
| 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)
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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 découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule tête enseignante, pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».