深部脑刺激期间神经元锋电位波形变化及其机制研究

摘要

深部脑刺激(deep brain stimulation，DBS)是神经工程领域的研究热点之一。临床上，利用DBS中的高频电刺激(high frequency stimulation，HFS)治疗帕金森氏症、癫痫等脑神经系统疾病已经取得了令人瞩目的疗效，但其作用机制依然存在争议。研究电刺激期间神经元活动的变化是揭示DBS机制的重要方法，而利用微电极阵列技术可以在细胞外同时记录多个神经元的动作电位（即锋电位）信号，为DBS的深入研究提供重要信息。但是，HFS期间锋电位波形会产生变化，这一方面给锋电位的检测和跟踪造成了困难，另一方面也可能为研究DBS提供线索。因此，本文通过麻醉大鼠的在体实验，在海马CA1区输入及输出轴突上施加1～2 min时长的100 Hz或200 Hz顺向高频电刺激(orthodromic-HFS，O-HFS)和逆向高频电刺激(antidromic-HFS，A-HFS)，研究正确跟踪神经元单元锋电位的方法，分析锋电位波形特征参数的变化及其可能机制。此外，本文通过建立神经元模型，分析细胞膜去极化水平及细胞外钾离子浓度的变化对于锋电位波形特征参数的影响。
　　本文主要研究结果如下:
　　(1) HFS期间锋电位幅值显著变小而半高宽增大
　　本文采用降支幅值、升支幅值及半高宽作为表征锋电位波形的特征参数。结果表明，O-HFS期间锋电位发放率升高，并且中间神经元和锥体神经元锋电位幅值显著减小而半高宽显著增加。中间神经元和锥体神经元锋电位降支幅值相对于基线值分别减小20％和30％左右，升支幅值分别可减小40％和20％左右，而半高宽分别增大10％和5％以上。此外A-HFS期间中间神经元锋电位升支幅值减小12％左右，而降支幅值和半高宽的变化与刺激前无显著差异。
　　(2) HFS的兴奋作用是锋电位波形改变的可能机制
　　分析不同刺激频率、不同刺激强度时锋电位波形特征参数的变化，结果发现，具有较高兴奋作用的100 Hz刺激期间锋电位波形特征参数的变化量显著高于200 Hz刺激，而较低强度的HFS期间锋电位波形几乎无变化。此外，在100 Hz的HFS期间，有群峰电位(population spike，PS)时中间神经元锋电位波形的变化更多，降支幅值可减小40％，升支幅值减小55％，半高宽增大20％。可以推测，HFS对神经元的兴奋作用越大，锋电位波形的变化越多。
　　(3)细胞膜去极化水平的提高和细胞外钾离子浓度的升高影响锋电位波形
　　20 s时长的100 Hz的HFS的仿真结果表明，在HFS后期锋电位波形的降支幅值和升支幅值分别减小40％和50％以上，与在体动物实验结果一致。且随着细胞膜去极化水平的提高或细胞外钾离子浓度的升高，锋电位波形的幅值会逐渐减小，并且半高宽增大。可以推测，HFS的作用一方面抬高了神经元的去极化水平，增强了神经元的兴奋性，另一方面引起了钾离子在细胞膜外的积累，使得胞外钾离子浓度升高，进而导致锋电位（即动作电位）波形的改变。
　　总之，本文通过在体动物实验及数学仿真模型的研究发现HFS在增加神经元兴奋性的同时，会改变锋电位的波形，其机制可能是HFS对神经元的兴奋作用抬高了细胞膜的去极化水平，并升高了细胞外钾离子浓度。这些结果为正确跟踪和检测HFS期间神经元的锋电位信号提供了重要信息和依据;并且支持DBS具有兴奋性调制作用的假说，为深入揭示DBS的作用机制提供了重要的线索。

目录

声明

摘要

缩略词

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 研究内容

1．3 论文创新点

第2章 动物实验方法与材料

2．1 动物手术与电极植入

2．2 数据采集与电刺激

2．2．1 记录电极和刺激电极

2．2．2 电刺激参数设置

第3章 信号处理和分析方法

3．1 刺激伪迹的去除方法

3．2 锋电位的检测与分类

3．3 锋电位波形描述指标及其数据统计方法

3．3．1 锋电位波形描述指标

3．3．2 数据统计方法

第4章 高频电刺激期间锋电位波形的变化

4．1 高频刺激期间锋电位的正确跟踪

4．2 顺向高频电刺激改变锋电位波形

4．2．1 顺向高频电刺激改变中间神经元锋电位波形

4．2．2 顺向高频电刺激改变锥体神经元锋电位波形

4．3 逆向高频电刺激改变锋电位波形

4．4 讨论

第5章 高频电刺激期间锋电位波形变化的机制分析

5．1 不同频率高频刺激对锋电位波形的影响

5．2 不同强度高频刺激对锋电位波形的影响

5．3 群峰电位的发生对锋电位波形的影响

5．4 利用仿真模型研究锋电位波形变化的机制

5．4．1 神经细胞膜的电特性

5．4．2 神经元模型的建立

5．4．3 细胞膜去极化水平对锋电位波形的影响

5．4．4 细膜外钾离子浓度对锋电位波形的影响

5．5 讨论

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简历

攻读硕士学位期间发表的论文