大鼠海马区神经元对于轴突高频电刺激的响应及作用机制研究

发布时间：2018-04-22 06:39

本文选题：高频电刺激(HFS) + 海马CA1区　；参考：《浙江大学》2016年博士论文

【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,在临床上利用DBS的高频电刺激(high frequency stimulation, HFS)技术治疗帕金森(Parkinson's disease, PD)和癫痫等脑神经系统疾病已经取得了令人瞩目的成效,但其作用机制还存在争议。由于神经元轴突比神经元的其他结构更容易被电刺激激活,而且轴突是神经系统中负责信息传导的重要结构,DBS的作用可能起始于轴突,并通过轴突传递至刺激位点附近的神经元群体,从而影响这些神经元群体的活动。因此,轴突对DBS的响应可能是DBS发挥作用的重要机制。本文将利用在体动物实验和数学仿真模型,研究DBS常用的HFS作用于轴突时,神经元轴突及其所投射区域的神经元群体的响应及机制,这对于揭示DBS的作用及机制具有重要的意义。主要研究结果如下：(1)HFS可以诱发海马CA1区神经元轴突传导阻滞在海马CA1区输入和输出轴突束施加HFS,考察HFS期间神经元的响应。结果发现,HFS诱发的顺向和逆向群峰电位均迅速减小,而刺激位点下游的多单元放电活动增加。进一步的实验结果表明,群峰电位的减小是由于HFS诱发了轴突传导的阻滞作用,不过这种阻滞作用并不彻底,被削弱了的刺激脉冲的兴奋作用仍然可以传递至下游神经元群体,使得下游神经元的发放增加。(2)HFS诱发的神经元响应不应期延长可能是轴突传导阻滞的机制考察海马CA1区逆向HFS期间和HFS结束后的神经元响应,结果发现,HFS结束后,CA1区神经元群峰电位能快速(～20 ms)恢复,表明轴突传导存在快速恢复期。进一步利用插入间隔的HFS表明,轴突传导快速恢复期的形成与不应期的延长有关。HFS期间,CA1区神经元响应不应期由原本的1 ms左右增大至超过10 ms,这是HFS诱发轴突传导阻滞的重要机制之一。(3)HFS期间轴突膜外钾离子的累积可能造成不应期延长利用包含钾离子累积机制的海马CA1区有髓轴突仿真模型,考察HFS期间的轴突传导阻滞与轴突膜内外离子浓度之间的关系。结果表明,HFS期间钾离子在髓鞘包裹的轴突膜外大量累积,导致轴突对刺激脉冲响应的不应期增长至15～20 ms,并最终诱发轴突传导的去极化阻滞。(4)轴突HFS对下游神经元群体活动具有调制作用在海马CA1区的输入轴突束施加HFS,并考察刺激之前、刺激期间和刺激之后三个阶段内CA1区胞体层和顶树突层场电位的节律活动变化。结果表明,轴突HFS可以调制下游神经元群体的活动,使下游神经元群体顶树突层场电位的低频节律能量和同步性减弱,胞体层高频节律成分的能量增强。总之,本文为HFS诱发轴突传导的阻滞作用及其对于神经元群体活动的调制作用提供了新的在体动物实验证据,并利用仿真模型表明其中的重要机制可能是：轴突膜外钾离子的累积引起轴突响应不应期的增大。同时,轴突传导的部分性阻滞作用及刺激脉冲对神经元的残余兴奋性作用可能是HFS调制神经元群体活动的重要机制。这些结果为DBS机制的研究提供了新的思路,同时也为DBS在临床上的新应用提供参考。
[Abstract]:Brain stimulation ( DBS ) is one of the hot topics in the field of neural engineering . It is very important to study the role and mechanism of DBS . ( 3 ) The accumulation of extracellular potassium ions during HFS may lead to an extension of the hippocampal CA1 region including the potassium ion accumulation mechanism . The results show that the effect of axonal conduction block and stimulation pulse on neuronal population activity is the important mechanism of HFS . In conclusion , the results provide a new idea for the research of the DBS mechanism and provide a reference for the new application of DBS in clinic .

【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R338

【参考文献】