不同频率的电脉冲刺激调控海马CA1区神经元活动的研究
发布时间：2020-04-22 01:30
【摘要】：深部脑刺激(Deep brain stimulation,DBS)作为一种能够替代药物治疗和传统损毁手术治疗的新方法,在治疗癫痫等脑神经系统疾病上表现出了良好的应用前景。但是,不同刺激参数对DBS作用效果的影响及其机制还没有明确的定论。其中刺激频率是DBS的主要参数之一,不同频率的刺激对神经元活动的作用一直是DBS研究的重点之一。对于究竟什么频率的电刺激能够更好地抑制癫痫的发作,至今仍然不能够确定。因此,研究不同频率的脉冲刺激对神经元活动的影响,对于推进DBS在临床上治疗癫痫的应用具有重要的意义。本文以大鼠海马区为研究对象,在CA1区的Schaffer侧支上施加不同频率(10-400Hz)的电脉冲刺激,刺激的持续时间分为长时(1 min)和短促(0.5 s)两种,考察下游中间神经元和锥体神经元的发放情况,并分析其中的可能机制。主要的研究结果如下:(1)长时低频和较低频率的刺激可以抑制锥体神经元的活动当在Schaffer侧支上施加1 min的10和20 Hz的长时刺激时,海马CA1区的主神经元(锥体神经元)在刺激期间的动作电位(即锋电位)发放明显减少,并且神经元在刺激后时间直方图和锋电位时间间隔直方图中,均存在约15-30 ms的锋电位发放抑制期,同时其锋电位与刺激脉冲之间的时间相关性较弱,表明锥体神经元没有受到刺激的直接调控。此时中间神经元的发放率虽然没有明显变化,但其发放与刺激脉冲之间的时间相关性较强,且潜伏期及其变异都较小,表明中间神经元受到了较为直接的刺激调控作用。脉冲刺激可能通过激活阈值较低的中间神经元及其抑制性突触,从而抑制了锥体神经元的活动。(2)长时较较高频率和高频的刺激会增强锥体神经元的活动在高频(50、100 Hz)刺激期间,锥体神经元的发放率有所增加,同时在锋电位间隔图中集中发放的锋电位比例也增加,表明锥体神经元受到的净兴奋作用增加。而此时中间神经元的发放率反而有所减弱。表明低频和高频的电刺激对神经元产生的兴奋作用相近,但高频刺激可能通过轴突传导阻滞使得中间神经元在刺激期间非同步发放,进而导致其对锥体神经元的抑制作用有所减弱,使得锥体神经元的发放有所增加。(3)短促低频和较低频率的刺激可以抑制锥体神经元的活动,而短促高频刺激会兴奋中间神经元和锥体神经元的活动锥体神经元在短促较低频率(10、20 Hz)的刺激期间,发放会明显减少,可能的机制是刺激激活了与中间神经元相连的抑制性突触,进而抑制了锥体神经元活动;而当刺激频率高于100 Hz时,两种神经元在刺激期间的发放都会明显增加,可能是由于刺激对神经元的兴奋作用克服了中间神经元的抑制作用,净兴奋作用使得神经元发放增加。总之,本文通过考察不同频率、不同时长的脉冲刺激对下游中间神经元和锥体神经元的作用发现,长时和短促的低频刺激能够有效抑制主神经元的活动,而短促高频刺激由于未能像长时高频刺激一样诱导轴突产生传导阻滞,使得神经元的活动明显被兴奋。这些结果可以分别为DBS中长期治疗癫痫的开环刺激系统和可调节的闭环刺激系统提供刺激参数指导,对DBS在临床上的应用推广具有重要意义。
【图文】：
去除左侧部分颅骨，植入记录电极和刺激电极。逡逑本研究中记录电极采用的是美国ＮｅｕｒｏＮｅｘｕｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ公司生产的１６通逡逑道（２＊８）微电极阵列。如图３．１ａ所示，记录电极下方的可植入部分总长５ｍｍ，逡逑尖端每个电极记录点的面积为１７７Ｍｍ２，纵向两个记录点之间的距离为５0ｎｍ，逡逑横向两个记录点之间的垂直距离也为５0ｎｘｎ。在电极植入时，先将其植入到海马逡逑ＣＡ１区的胞体层，定位在前卤后３．５ｍｍ，旁开２．７ｍｍ。之后用单轴电动显微操逡逑纵器将记录电极从大脑皮层表面逐渐向下推进约２．５邋ｍｍ，，直到在Ｌａｂｃｈａｒｔ上记逡逑录到稳定发放的ＣＡ１区神经元锋电位为止。逡逑本文的刺激电极采用美国ＦＨＣ公司的同芯双极不锈钢电极，刺激电极阳极逡逑和阴极的长度１００邋Ｍｍ，两者相距１０0ｎｍ邋（图３．１ｂ）。在实验中将其植入至ＣＡ１逡逑区的Ｓｃｈａｆｆｅｒ侧支，定位在前卤后２．２邋ｍｍ，旁开２．０邋ｍｍ，深度约２．８邋ｍｍ。刺激逡逑位于记录部位的上游
对于距离刺激电极较远的神经元，受到的都是低强度刺激的效果。刺激逡逑强度的设定方法如下：在海马ＣＡ１区的Ｓｃｈａｆｆｅｒ侧支上施加单脉冲刺激，根据逡逑沿轴突传播出去的刺激脉冲所诱发的下游神经元信号进行判断（图３．２ａ）。当刺逡逑激强度足够大时（如０．１邋ｍＡ），大量的下游神经元同步发放。由于海马区的神逡逑经元排列紧密（Ａｎｄｅｒｓｅｎ邋ｅｔ邋ａｌ．，２００７），诱发的动作电位会叠加形成群峰电位逡逑（Ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎｓｐｉｋｅ，邋ＰＳ），使得紧跟脉冲后的单细胞动作电位（即锋电位）信号逡逑无法辨别（图３．２ｂ）。因此，我们逐渐降低刺激强度，直到单脉冲不能诱发明显逡逑的ＰＳ，而在多单元放电活动（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ邋ｕｎｉｔ邋ａｃｔｉｖｉｔｙ，邋ＭＵＡ）信号中又能清晰地逡逑分辨紧随刺激之后的单元锋电位为止（图３．２ｃ），此时的刺激强度（如２０邋ｐＡ）逡逑就用于研究不同频率的脉冲刺激对于下游神经元活动的调节作用，本文最终采用逡逑的刺激强度范围为：２０－６０邋ｐＡ。逡逑（ａ）逦（ｂ）逦（ｃ）逡逑Ｓｉｎｇｌｅ邋ｐｕｌｓｅ邋（０．１邋ｍＡ）逦Ｓｉｎｇｌｅ邋ｐｕｌｓｅ邋（２０邋＾Ａ）逡逑ＲＨ逡逑ＯＳＥ逦%煎义希皱危桑睿翦危遥幔麇澹颍澹悖铮颍洌椋睿珏辶隋危义希椋茫颍蓿校幔螅箦危椋椋欤哄义希裕五澹停眨铃危慑危妫椋欤簦澹颍椋睿珏危慑危玻板澹恚箦义希澹ǎ担眩埃担撸龋╁危诲危慑义希簦簦祝危颍翦义希疲椋欤簦澹颍澹溴危危″澹慑义希危校渝危危垮澹桑睿翦
本文编号：2635973
【图文】：
去除左侧部分颅骨，植入记录电极和刺激电极。逡逑本研究中记录电极采用的是美国ＮｅｕｒｏＮｅｘｕｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ公司生产的１６通逡逑道（２＊８）微电极阵列。如图３．１ａ所示，记录电极下方的可植入部分总长５ｍｍ，逡逑尖端每个电极记录点的面积为１７７Ｍｍ２，纵向两个记录点之间的距离为５0ｎｍ，逡逑横向两个记录点之间的垂直距离也为５0ｎｘｎ。在电极植入时，先将其植入到海马逡逑ＣＡ１区的胞体层，定位在前卤后３．５ｍｍ，旁开２．７ｍｍ。之后用单轴电动显微操逡逑纵器将记录电极从大脑皮层表面逐渐向下推进约２．５邋ｍｍ，，直到在Ｌａｂｃｈａｒｔ上记逡逑录到稳定发放的ＣＡ１区神经元锋电位为止。逡逑本文的刺激电极采用美国ＦＨＣ公司的同芯双极不锈钢电极，刺激电极阳极逡逑和阴极的长度１００邋Ｍｍ，两者相距１０0ｎｍ邋（图３．１ｂ）。在实验中将其植入至ＣＡ１逡逑区的Ｓｃｈａｆｆｅｒ侧支，定位在前卤后２．２邋ｍｍ，旁开２．０邋ｍｍ，深度约２．８邋ｍｍ。刺激逡逑位于记录部位的上游
对于距离刺激电极较远的神经元，受到的都是低强度刺激的效果。刺激逡逑强度的设定方法如下：在海马ＣＡ１区的Ｓｃｈａｆｆｅｒ侧支上施加单脉冲刺激，根据逡逑沿轴突传播出去的刺激脉冲所诱发的下游神经元信号进行判断（图３．２ａ）。当刺逡逑激强度足够大时（如０．１邋ｍＡ），大量的下游神经元同步发放。由于海马区的神逡逑经元排列紧密（Ａｎｄｅｒｓｅｎ邋ｅｔ邋ａｌ．，２００７），诱发的动作电位会叠加形成群峰电位逡逑（Ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎｓｐｉｋｅ，邋ＰＳ），使得紧跟脉冲后的单细胞动作电位（即锋电位）信号逡逑无法辨别（图３．２ｂ）。因此，我们逐渐降低刺激强度，直到单脉冲不能诱发明显逡逑的ＰＳ，而在多单元放电活动（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ邋ｕｎｉｔ邋ａｃｔｉｖｉｔｙ，邋ＭＵＡ）信号中又能清晰地逡逑分辨紧随刺激之后的单元锋电位为止（图３．２ｃ），此时的刺激强度（如２０邋ｐＡ）逡逑就用于研究不同频率的脉冲刺激对于下游神经元活动的调节作用，本文最终采用逡逑的刺激强度范围为：２０－６０邋ｐＡ。逡逑（ａ）逦（ｂ）逦（ｃ）逡逑Ｓｉｎｇｌｅ邋ｐｕｌｓｅ邋（０．１邋ｍＡ）逦Ｓｉｎｇｌｅ邋ｐｕｌｓｅ邋（２０邋＾Ａ）逡逑ＲＨ逡逑ＯＳＥ逦%煎义希皱危桑睿翦危遥幔麇澹颍澹悖铮颍洌椋睿珏辶隋危义希椋茫颍蓿校幔螅箦危椋椋欤哄义希裕五澹停眨铃危慑危妫椋欤簦澹颍椋睿珏危慑危玻板澹恚箦义希澹ǎ担眩埃担撸龋╁危诲危慑义希簦簦祝危颍翦义希疲椋欤簦澹颍澹溴危危″澹慑义希危校渝危危垮澹桑睿翦
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