高频电刺激调控脑神经元轴突的仿真研究

发布时间：2021-04-16 10:11

　　深部脑刺激（deepbrainstimulation,DBS）已经在帕金森病、癫痫病等多种脑神经系统疾病的治疗中展现良好的应用前景。DBS通常使用高频电刺激（high frequencystimulation,HFS）,但其作用机制仍不明确。近些年的研究表明,HFS对轴突的调控作用可能是DBS发挥治疗效果的重要机制。由于脑神经元轴突较细,在体动物实验难以直接测量和研究单根神经元轴突的活动,目前关于HFS对轴突调控作用的认识大多从神经元胞体的活动推测得到。因此,本文通过建立脑神经元有髓鞘轴突模型,直接考察轴突对HFS的响应、HFS对轴突束活动的去同步作用、以及HFS对轴突上神经信息传导的影响。主要的仿真研究结果如下:（1）高频电刺激引起轴突间歇式阻滞HFS能够诱发轴突间歇式阻滞,导致轴突无法跟随每个电脉冲产生动作电位。这种间歇式阻滞产生的原因是:连续的动作电位发放导致轴周间隙内钾离子（K+）累积,而K+扩散以及钠-钾泵的清除机制的共同作用会造成K+浓度波动,从而引起膜电位和钠通道开放概率的波动。此外,轴突对HFS的响应（阻滞程度）还具有刺激强度和刺激频率依赖性。最后,轴突阻滞仅限于受刺激... 

【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：89 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图３－１轴突的被动电特性电路模型及其电紧张电位和空间常数??１４??

并且离子通道电流主要是钠电流／Ｎａ，钾电流／Ｋ以及漏电流几，其中漏电流通常??较小。钠、钾通道的电导是时间和膜电压的函数，而各离子平衡电位以及漏电导??变化不大，被看做常数。这样，就可以用数学公式描述膜的电活动过程。由图３－??２电路可知总的跨膜电流／ｍ：??Ａｎ?＝Ｃｍ＂＾?＋?’Ｎａ?＋’Ｋ?＋’Ｌ?（弘７）??其中：??＾Ｎａ?＝＾Ｎａ（＾￣＾Ｎａ）?（?３－８?）??ｉＫ＝ｇＡｙ－Ｋ）?（３－９）??（３－１０）??Ｃｍ是膜电容；Ｚ是膜电位与静息电位之差，Ｒａ、Ｋｋ：分别是钠、钟离子平衡??电位与静息电位之差，Ｋ是其他离子总的平衡电位与静息电位之差，７－＾。？实际??上表示的是膜电位与某离子平衡电位之差（ｉｏｎ为Ａ／ａ、尤或Ｌ），因此也可写作??Ｆｍ－五ｉ（３ｎ；?ｇｗａ、取、乳分别表示钠、钾通道电导和漏电流电导。其中ｇＮａ、脒会随??着时间和膜电压的变化而改变，Ｈｏｄｇｋｉｎ和Ｈｕｘｌｅｙ通过电压钳技术测得的数据??提出了以下Ｋ＋电导方程：??１７??

（Ａ）中枢神经系统神经元结构及其周围胶质细胞连接示意图；（Ｂ）有髓鞘轴突轴向??剖面图。（引自（Ｐｏｌｉａｋ＆Ｐｅｌｅｓ，?２００３），有改动）??被髓鞘包裹的部分根据其各自功能特点又分为以下几个区域（图４－１Ｂ）：髓??賴附着区（ｐａｒａｎｏｄａｌ?ｊｕｎｃｔｉｏｎ，?ＰＮＪ）、结旁区（ｊｕｘｔａｐａｒａｎｏｄｅ，?ＪＸＰ）和结间区??（ｉｎｔｅｒｎｏｄｅ，ＩＮＤ）?（Ｐｏｌｉａｋ?＆?Ｐｅｌｅｓ，２００３）。其中?ＰＮＪ?位于?Ｎｏｄｅ?两侧，是少突??肢质细胞与轴突连接处，ＰＮＪ的长度约为３?ｐｍ。ＰＮＪ的两侧则是长度为５？１５??ｐｍ的ＪＸＰ，分布有高密度的钾通道。??本文设计的轴突模型由２１个郎飞氏结（Ｎｏｄｅ）和２０个结间部分组成（图４－??２Ａ）。轴突外径（包含髓顆）设为１ｐｍ?（Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２００８），结间距设为１００｜ａｍ??２２??


本文编号：3141235