皮秒脉冲电场调控神经元发放的仿真与实验研究

发布时间：2020-07-26 16:45

【摘要】：快节奏、高压式的现代生活,人口老龄化、环境恶化等社会问题,导致癫痫患者数量急剧增加,给个人、家庭及社会造成极大负担。与此同时,癫痫的传统治疗法与神经调控法均无法解决毒副作用、风险性以及治疗昂贵性等问题,致使癫痫安全、有效治疗陷入瓶颈。基于此,本课题组首次提出将皮秒脉冲电场(picosecond pulsed electric field,psPEF)和超宽带天线相结合的治疗方法。该方法可规避现有治疗技术的局限性,实现无创、靶向、精准聚焦治疗的目的。然而,psPEF对细胞生物效应的机理研究仍处于初步探索阶段,且皮秒脉冲调控脑深部神经元发放的研究更尚属空白。为给新治疗方法提供更多的理论基础支撑和参数选取依据,本文开展了psPEF调控神经元发放的仿真与实验研究。首先,基于PSpice、MATLAB软件平台,结合笛卡尔传输网格模型和HH模型,建立HH模型的3D电路模型,仿真分析脉冲电流/电场刺激对神经元发放的调控机制。结果表明脉冲电场刺激具有脉冲电流刺激的所有调控效应,且与之相比具有超极化抑制作用,抑制机制主要与去极化阻滞或阈电位水平提高有关。进而,考虑抑制病灶区神经元过度兴奋可治疗癫痫,对3D HH神经元电路模型进行优化,建立海马CA1区(癫痫病灶区)神经元3D电路模型,仿真分析psPEF刺激强度、刺激脉宽、刺激频率、刺激时长分别对海马CA1区神经元簇(burst)发放的调控机制。结果表明psPEF可抑制海马CA1区神经元burst发放,抑制效果对刺激频率依赖性较强,增加刺激时长可显著提高抑制效果。同时,研究表明psPEF抑制海马CA1区神经元burst发放的主要作用机制在于阻断I_(NaP)。最后,本文开展了psPEF调控SD大鼠海马CA1区神经元spike发放的在体动物实验。结果表明psPEF可有效抑制在体海马CA1区神经元spike发放,抑制效果与psPEF刺激频率和刺激持续时长均有关。综上可知,psPEF可有效抑制神经元兴奋,表明psPEF有望应用于治疗癫痫等神经元异常兴奋所致的疾病。研究结果可为后续psPEF匹配超宽带天线实现无创、靶向、精准聚焦治疗癫痫奠定一定的理论与实验基础。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM15;R742.1

【参考文献】