VERTEX扩展工具：大规模神经网络电刺激与光遗传学刺激的灵活建模平台

为解决神经刺激技术多样性带来的建模挑战，研究人员对VERTEX工具进行扩展，新增多电极参数化设计、双相电刺激、光遗传学电流转换及复杂刺激协议功能。该研究在保持生物物理真实性的前提下，实现电刺激与光遗传刺激的集成建模，为神经疾病治疗提供高效预测平台。

　　

神经刺激技术在治疗癫痫、运动障碍等神经系统疾病中展现出巨大潜力，但临床实践中存在刺激参数个体化不足、技术方法分散等问题。传统动物实验成本高且周期长，而现有计算模型往往无法兼顾大规模神经元网络的仿真精度与生物物理真实性。The Virtual Electrode Recording Tool for EXtracellular Potentials (VERTEX)作为MATLAB平台下的皮层切片仿真工具，虽能模拟多层皮层中局部场电位(LFP)和 spikes，但其电极设计僵化、仅支持单相电刺激的局限阻碍了其对多样化刺激方案的预测能力。

为突破这些限制，由Larry Shupe、Julien Bloch等组成的研究团队对VERTEX进行三大核心扩展：首先开发了基于MATLAB原生函数的3D电极参数化设计系统，支持双相双极电刺激的可编程延迟交付；其次创新性地引入光遗传学刺激模块，通过建立光强-电流转换函数实现473 nm与594 nm光波的组织穿透模拟；最后整合了配对脉冲、时空模式化及闭环刺激等新型协议。这些改进首次在单一平台实现电刺激与光遗传刺激的协同建模，相关成果发表于《Journal of Neuroscience Methods》。

关键技术包括：1) 采用15神经元群体的多层皮层模型(1.5×1.5×2.6 mm³
)，结合自适应指数积分发放模型(AdEx)模拟神经元动态；2) 通过蒙特卡洛模拟验证光波在组织中的衰减特性；3) 设计3×3×6网格的虚拟电极阵列记录各皮层层LFP。

【Optogenetic stimulation】
通过建立光强分布模型发现，594 nm光波比473 nm具有更平缓的衰减梯度，在200 μm深度处光强保留率高出18%，这与体内实验结果相符。

【Novel extensions】
电极扩展模块支持表面贴片电极与深部探针的混合配置，刺激波形上升沿精度达10 μs。光遗传模块可模拟不同视蛋白(ChR2, ArchT)的激活阈值，实现单神经元精度的靶向刺激。

【Conclusions】
该研究构建了首个整合电-光双模态刺激的大规模神经网络仿真平台，其创新性体现在：1) 突破传统工具的单模态局限；2) 提供从毫秒级电刺激到闭环反馈的完整协议支持；3) 保持20000+神经元规模的生物物理真实性。这项工作为帕金森病深部脑刺激(DBS)参数优化、癫痫病灶定位等临床问题提供了高效预研工具，代码已开源于GitHub平台。