Energy-efficient waveform for electrical stimulation of the cochlear nerve

The cochlear implant (CI) is the most successful neural prosthesis, restoring the sensation of sound in people with severe-to-profound hearing loss by electrically stimulating the cochlear nerve. Existing CIs have an external, visible unit, and an internal, surgically-placed unit. There are significant challenges associated with the external unit, as it has limited utility and CI users often report a social stigma associated with prosthesis visibility. A fully-implantable CI (FICI) would address these issues. However, the volume constraint imposed on the FICI requires less power consumption compared to today’s CI. Because neural stimulation by CI electrodes accounts for up to 90% of power consumption, reduction in stimulation power will result directly in CI power savings. To determine an energy-efficient waveform for cochlear nerve stimulation, we used a genetic algorithm approach, incorporating a computational model of a single mammalian myelinated cochlear nerve fiber coupled to a stimulator-electrode-tissue interface. The algorithm’s prediction was tested in vivo in human CI subjects. We find that implementation of a non-rectangular biphasic neural stimulation waveform may result in up to 25% charge savings and energy savings within the comfortable range of hearing for CI users. The alternative waveform may enable future development of a FICI

Die Wirksamkeit einer biphasischen ansteigenden Defibrillationsimpulsform zur Terminierung von Kammerflimmern - Eine Vergleichsstudie im porcinen Modell der kardiopulmonalen Reanimation

Zusammenfassung Ziel der Studie: Im Rahmen der kardiopulmonalen Reanimation (CPR) gilt die transthorakale Defibrillation als anerkannte und zugleich lebensrettende Therapie des Kammerflimmerns. Marktübliche Defibrillatoren gewährleisten eine biphasische Schockabgabe zumeist als rechteckige oder exponentiell gekürzte Impulsform. Trotz moderner Defibrillationsverfahren besteht in Anbetracht der ernüchternden Überlebensraten nach Herzkreislaufstillstand weiterhin hoher Forschungsbedarf. Unter den Bedingungen eines außerklinischen Reanimationssettings untersuchten wir erstmalig die Wirksamkeit einer neuartigen, ansteigenden Impulsform, für die uns Hinweise auf höhere Konversionsraten vorliegen und verglichen diese mit einer konventionellen rechteckigen Impulsform. Unser Hauptaugenmerk lag auf der ersten Defibrillation; insbesondere sie zählt zu den entscheidenden prognostischen Determinanten eines Wiederbelebungserfolgs. Methodik: Für die vorliegende Studie wurden insgesamt 57 Schweine in zwei Versuchsgruppen ASCDefib (n=26) und CONVDefib (n=26) randomisiert. Zur Kontrolle von Störeinflüssen wurde eine dritte Gruppe SHAM (n=5) gebildet. In beiden Versuchsgruppen wurde Kammerflimmern (VF) zur Herbeiführung eines Herzkreislaufstillstands (CA) induziert. Nach 5 Minuten unbehandeltem CA starteten wir eine CPR mit transthorakalen Defibrillationen nach 2, 4, 6 und 8 Minuten entsprechend der gültigen ERC-Leitlinien. Gemäß dem gruppenspezifischen Versuchsprotokoll erfolgten durch den Studiendefibrillator entweder drei Schockabgaben mit einer ansteigenden Impulsform, gefolgt von einer vierten mit einer konventionellen Impulsform (ASCDefib) oder drei Schockabgaben mit einer konventionellen Impulsform, gefolgt von einer vierten mit einer ansteigenden Impulsform (CONVDefib). Ergebnisse: Im Hinblick auf die Hauptzielgröße erreichten 5 von 26 Tieren (ASCDefib) und 7 von 26 Tieren (CONVDefib) einen first-shock success, d.h. ROSC nach der ersten Defibrillation. Bezogen auf die Gesamtzahl aller Defibrillationen erreichten 8 von 26 Tieren (ASCDefib) und 10 von 26 Tieren (CONVDefib) anhaltendes ROSC. Kein Tier beider Gruppen erreichte ROSC beim Wechsel der Impulsform nach der vierten Defibrillation. In der Nachbeobachtungsphase zeigte sich eine Tendenz zu häufigeren Refibrillationsereignissen wie auch interventionsbedürftigen Arrhythmien nach Verwendung der ansteigenden Impulsform. Schlussfolgerung: Erstmalig konnten wir unter den Umständen eines außerklinischen Reanimationssettings zeigen, dass Defibrillationen mit ansteigenden Impulsformen denen mit rechteckförmigen Impulsformen hinsichtlich ihrer Wirksamkeit zur Herbeiführung eines perfundierenden Spontankreislaufs nicht überlegen sind. Dieses Ergebnis widerspricht früheren Studien, in denen der Einfluss von Ischämie und Thoraxkompressionen wie in unserem Modell keine Berücksichtigung fand. Patientenindividuelle Ansätze zur Verbesserung der Defibrillations- Erfolgschancen scheinen medizinisch und ökonomisch sinnvoller und könnten vielversprechende Erkenntnisse liefern

Flipping Biological Switches: Solving for Optimal Control: A Dissertation

Switches play an important regulatory role at all levels of biology, from molecular switches triggering signaling cascades to cellular switches regulating cell maturation and apoptosis. Medical therapies are often designed to toggle a system from one state to another, achieving a specified health outcome. For instance, small doses of subpathologic viruses activate the immune system’s production of antibodies. Electrical stimulation revert cardiac arrhythmias back to normal sinus rhythm. In all of these examples, a major challenge is finding the optimal stimulus waveform necessary to cause the switch to flip. This thesis develops, validates, and applies a novel model-independent stochastic algorithm, the Extrema Distortion Algorithm (EDA), towards finding the optimal stimulus. We validate the EDA’s performance for the Hodgkin-Huxley model (an empirically validated ionic model of neuronal excitability), the FitzHugh-Nagumo model (an abstract model applied to a wide range of biological systems that that exhibit an oscillatory state and a quiescent state), and the genetic toggle switch (a model of bistable gene expression). We show that the EDA is able to not only find the optimal solution, but also in some cases excel beyond the traditional analytic approaches. Finally, we have computed novel optimal stimulus waveforms for aborting epileptic seizures using the EDA in cellular and network models of epilepsy. This work represents a first step in developing a new class of adaptive algorithms and devices that flip biological switches, revealing basic mechanistic insights and therapeutic applications for a broad range of disorders