時(shí)變參數(shù)的電刺激模式設(shè)計(jì)及其在深部腦刺激中的應(yīng)用.pdf

1、深部腦刺激(deep brain stimulation，DBS)在治療臨床上各類神經(jīng)系統(tǒng)疾病上擁有著良好的發(fā)展?jié)摿?。常?guī)DBS一般采用的是固定刺激參數(shù)的雙相脈沖高頻刺激（high frequency stimulation，HFS）。然而，脈沖的頻率、強(qiáng)度等參數(shù)的變化對于HFS的作用效果有重要影響，開發(fā)具有時(shí)變參數(shù)的新型刺激模式有利于進(jìn)一步探究DBS的作用機(jī)制和優(yōu)化刺激效果。神經(jīng)元對于HFS的響應(yīng)存在動(dòng)態(tài)變化過程。例如，恒定刺激參數(shù)的

2、HFS在起始階段會(huì)誘發(fā)大量神經(jīng)元群體的異常同步動(dòng)作電位發(fā)放，存在誘發(fā)癇樣活動(dòng)以及損傷腦組織的風(fēng)險(xiǎn)。為了避免HFS初期的這種強(qiáng)烈作用（以下簡稱為“起始響應(yīng)”），本文基于前人在外周神經(jīng)電刺激上利用變強(qiáng)度變頻率刺激來避免起始響應(yīng)的研究經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于DBS的變強(qiáng)度變頻率電刺激模式。另一方面，為了進(jìn)一步探討時(shí)變參數(shù)DBS的作用機(jī)制，本文還設(shè)計(jì)了隨機(jī)脈沖間隔(inter-pulse-interval，IPI)的電刺激模式。用于探討刺激脈沖之間的

3、間隔長短變化對于DBS作用效果可能造成的影響。
　　本文的研究工作主要包括兩部分:(1)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)時(shí)變參數(shù)的電刺激器系統(tǒng)。利用LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了變強(qiáng)度變頻率和隨機(jī)IPI的兩種新型時(shí)變參數(shù)電刺激模式，再結(jié)合硬件NI數(shù)據(jù)采集卡和模擬刺激隔離器，開發(fā)出用于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究的時(shí)變參數(shù)神經(jīng)電刺激器系統(tǒng)。(2)實(shí)施動(dòng)物實(shí)驗(yàn)測試新型時(shí)變參數(shù)刺激模式的作用效果。將新開發(fā)的HFS刺激模式作用于大鼠海馬CA1區(qū)錐體神經(jīng)元的傳出軸突

4、纖維Alveus，逆向興奮錐體神經(jīng)元，用神經(jīng)元群體產(chǎn)生的逆向誘發(fā)的群峰電位(antidromically-evoked population spike，APS)幅值大小來評判刺激的作用和神經(jīng)元響應(yīng)情況。
　　變強(qiáng)度變頻率HFS的大鼠實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，HFS初期的刺激變強(qiáng)度過程可以避免起始響應(yīng)的產(chǎn)生，并且，減緩刺激變強(qiáng)度的過渡速率或者是提高變強(qiáng)度期間的刺激頻率都可以使得消除起始響應(yīng)的效果更好。為了更快達(dá)到軸突阻滯的同時(shí)能避免大APS的

5、出現(xiàn)，本文利用一種初始段是較高頻率線性變強(qiáng)度刺激、接著是從高頻緩慢平滑衰減到常規(guī)頻率的變頻率刺激過程、最后持續(xù)一段恒定參數(shù)的刺激過程的刺激模式，來得到整個(gè)HFS期間的平穩(wěn)刺激作用。該種變強(qiáng)度變頻率的HFS始終未誘發(fā)神經(jīng)元群體的異常同步動(dòng)作電位，避免了起始響應(yīng)，能在刺激持續(xù)期間維持軸突的部分阻滯以及神經(jīng)元群體的穩(wěn)定有規(guī)律發(fā)放。另外，隨機(jī)IPI脈沖實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，在隨機(jī)IPI刺激過程中，每個(gè)脈沖誘發(fā)的APS幅值與該脈沖前的IPI長短存在著較

6、強(qiáng)的正相關(guān)性?？梢?，神經(jīng)元發(fā)放強(qiáng)度可以跟隨刺激串IPI值的變化而實(shí)時(shí)調(diào)整，且該過程動(dòng)態(tài)可逆。
　　綜上所述，本文設(shè)計(jì)的這兩種時(shí)變參數(shù)的DBS刺激模式對于探究DBS的作用機(jī)制、減少腦組織接受高頻電刺激時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)、避免常規(guī)DBS帶來的副作用隱患、調(diào)控神經(jīng)元軸突的阻滯程度和開發(fā)更加安全可控的新型DBS刺激模式均有促進(jìn)作用和借鑒意義，并可以為未來的DBS研究提供一個(gè)可行的新方向。由于海馬腦區(qū)是治療癲癇、阿爾茨海默癥等疾病的DBS刺激靶區(qū)之一