本研究由Hope College（霍普学院）的Jessica L. Gaines、Kathleen E. Finn、Lane A. Heyboer、Katharine H. Polasek以及University of Minnesota（明尼苏达大学）的Julia P. Slopsema共同完成。该研究成果于2018年发表在期刊《Journal of Computational Neuroscience》上。

该研究属于计算神经科学和神经工程学领域。表面电刺激作为一种无创治疗多种疾病的方法具有巨大潜力，但其临床应用面临一个核心挑战：由于电极放置位置、皮肤移动及个体生理差异，很难获得一致且可重复的诱发反应。因此，一个可行的临床系统必须能够适应这些个体差异。为了在不进行大量人体试验的情况下深入研究这些差异的影响，本研究旨在建立一套计算机模型系统，用于预测肘部正中神经（median nerve）在表面电刺激下的运动和感觉轴突（motor and sensory axon）激活情况。研究的主要目标是整合并改进现有模型，创建能够精确区分并预测运动与感觉轴突激活差异的仿真工具，为开发针对特定神经功能的表面电刺激疗法奠定基础。

为了实现上述目标，研究团队设计了一套系统性的方法流程，主要包含三个紧密关联的部分：构建三维手臂有限元模型（finite element model, FEM）、开发双模式的轴突模型以及进行全神经激活模拟。首先，研究的第一步是建立一个解剖学上更为精确的手臂有限元模型。与以往将手臂简化为同心圆柱体组织层的研究不同，本研究使用了肘部及其近端20毫米处的两个真实人体手臂横截面图像。研究人员使用Creo Parametric软件追踪了包括肱骨、桡骨、尺骨、肌肉、血管和神经在内的多种组织结构，并将其扫掠成三维立体模型。模型两端各延伸300毫米以模拟完整手臂长度并减少边缘效应。随后，该模型被导入Ansys Maxwell软件，并为每种组织（如皮肤、脂肪、肌肉、骨骼、血液、神经外膜、神经束膜等）分配了不同的电导率（conductivity）。两个电极（17毫米×45毫米，分别作为阴极和阳极）被放置在手臂模型表面，以匹配实验条件。该模型重点对正中神经进行了精细构建，创建了包含单个束（fascicle）用于初始测试的简化版，以及三个包含10个随机排列束的版本，后者用于模拟真实解剖变异，束的直径范围及神经束膜（perineurium）厚度均基于人体组织学数据设定。通过有限元分析，研究团队计算出了刺激时正中神经内束的电压分布，精度达到0.05毫米。

研究的第二步是至关重要的新型运动与感觉轴突模型的开发。这是本研究的核心技术创新。以往虽有各自的运动或感觉轴突模型，但为进行直接比较，本研究将两种模型融合开发。新模型以McIntyre, Richardson和Grill的双电缆（double-cable）哺乳动物运动轴突模型（MRG模型）为基础，在NEURON编程环境中创建，并创造性地整合了Howells等人模型中详细的离子通道（ion channel）特性。关键改进在于：首先，在郎飞结（node of Ranvier）处增加了快速钾离子通道（fast K+ channel）；其次，更重要的是，在结间段（internode）的髓鞘下加入了多种离子通道，包括快速钾离子通道、慢速钾离子通道（slow K+ channel）、漏通道（leak channel）以及超极化激活的环核苷酸门控（hyperpolarization-activated cyclic-nucleotide gated, HCN）通道，这比MRG模型将其归为单一电导更为精细。运动轴突模型的参数尽可能保留了MRG模型的数据，并通过Howells模型和Röper与Schwarz的实验数据比率推导结间段电导值。感觉轴突模型则以运动模型为蓝本，利用Howells模型中运动到感觉参数的比率进行系统性转换。整个开发过程通过模拟传导速度、动作电位形状和强度-持续时间曲线，与已发表的实验数据进行了严格验证，确保模型能够复现生理学差异，例如感觉轴突阈值更低、传导速度略高等特性。此外，研究还对11个关键电导参数进行了敏感性分析（sensitivity analysis），采用部分因子设计，发现对激活阈值影响最大的五个参数依次是快速钠通道电导、HCN通道电导以及漏电导。

研究的第三步是将上述两个模型整合起来进行全神经激活预测。研究人员使用三个包含10个束的正中神经模型，在每个束内随机放置250根轴突，其直径遵循人体正中神经的真实分布（6-16微米），其中15%被随机指定为运动轴突。随后，将从手臂有限元模型中提取的电压施加到这些轴突模型上，以100微秒的脉冲宽度，在1至50伏特的电压范围内进行激活模拟。通过按束面积加权平均并汇总三个模型的结果，计算整个神经中运动和感觉轴突的激活百分比，并使用线性回归模型分析电压、轴突直径、轴突类型、束直径及其与电极距离对激活百分比的影响。

研究结果清晰地展示了模型的有效性和若干重要发现。单轴突模型验证结果显示，新感觉轴突模型的激活阈值显著低于相同直径的运动轴突模型，这与实验观察到的“产生感觉但未见肌肉收缩”的现象相符。例如，直径12微米的感觉轴突可以在低于16微米运动轴突的电压下被激活。传导速度与纤维直径呈线性关系，且运动轴突的传导速度略高于感觉轴突，与人类实验数据一致。从归一化强度-持续时间曲线计算出的时值（chronaxie）在感觉轴突模型（0.23毫秒）中高于运动轴突模型（0.15毫秒），这同样与实验报道相符，虽然感觉时值略低于实验范围。动作电位形状也复现了关键差异：感觉模型表现出一个更大的早期超极化后电位，然后逐渐回到静息电位，而运动模型则在动作电位后立即保持在静息电位以上，随后才转入超极化状态。

全神经激活模拟的结果进一步支持了上述发现。在不同电压下，感觉轴突的激活比例始终远高于运动轴突。例如，在25伏特时，平均37%的感觉轴突被激活，而仅有3%的运动轴突被激活。大直径轴突整体上比小直径轴突更容易被激活，但由于轴突在神经内的空间位置不同，靠近电极的小直径轴突可能先于远离电极的大直径轴突被激活。空间分析表明，靠近电极的束中轴突激活率显著更高，并且束可以分成具有相似激活模式的三个离散群组，这表明使用表面电刺激实现对特定小群组束的选择性激活是可能的，从而支持了临床上在不引起肌肉收缩的情况下，手部小范围产生感觉的报道。通过线性回归模型，研究发现仅依靠束与电极的距离和刺激电压的立方根这两个因子，就可以解释束激活百分比93%的变异性，这为未来快速预测不同神经解剖结构下的激活情况提供了高效的工具。

本研究的结论是，这套由解剖学手臂有限元模型与新型运动和感觉轴突模型相结合的计算系统，能够成功预测正中神经内轴突的差异性激活。模型准确复现了传导速度、强度-持续时间曲线和激活阈值等关键实验结果，并反映了动作电位形状的生理差异。其最重要的预测是，在相同直径下，感觉轴突的激活阈值始终低于运动轴突，这为优先激活感觉通路提供了理论依据。该研究的科学价值在于，它首次将基于人体数据的详细手臂解剖模型与精确区分感觉和运动纤维生理特性的轴突模型整合在一起，为研究表面电刺激的生物物理机制提供了前所未有的精细工具。在应用价值上，这套模型将直接用于开发一种治疗幻肢痛（phantom limb pain）的疗法，即通过刺激肘部正中神经来诱发感觉。此外，它还能用于优化电极阵列的设计和控制算法，使其能根据用户反馈实时调整刺激参数以改变诱发感觉的位置，从而为截肢者开发感觉反馈系统。这项工作的亮点在于其模型的整合性与新颖性，它不是简单地复用现有模型，而是有机融合了MRG模型的结构优势和Howells模型的离子通道细节，在运动与感觉轴突模型的并行开发与比较上取得了突破，为解决无创神经调控中的选择性和一致性难题提供了强大的预测平台。研究也坦诚地指出其静电仿真忽略了组织电容效应这一局限性，但认为这不会影响对不同类型和位置轴突相对激活规律的分析结论。