深部脑刺激作用机制的研究进展

深部脑刺激(deep brain stimulation,DBS)已在临床上广泛用于治疗帕金森病等疾病引起的运动障碍,它在难治性癫痫、顽固性强迫症等其他脑中枢神经系统疾病的治疗上也展现出良好的应用前景.经过30多年的临床应用、动物实验和计算模型仿真等多方面的研究,DBS的机制也逐渐明朗.虽然尚无定论,但已取得许多重要进展.本文从电生理角度分析和总结了有关DBS机制的发展历程.从早期的抑制论和兴奋论到目前主导的调控论;从关注刺激位点的神经元活动,到发现神经元胞体与轴突活动的去耦合,再到高频刺激诱导的间歇性轴突阻滞,以及由此轴突活动可能导致的投射区神经元群体的去同步活动.这一系列研究进展表明DBS具有复杂的神经网络调控机制.了解DBS的作用机制对于提高其疗效、开发新刺激模式以及扩大临床应用的范围都具有重要意义.     

深部脑刺激作用机制的探讨

深部脑刺激器（deep brain stimulator）,也经常被称为脑起搏器,是可植入人体设备,并连续不断地传送刺激脉冲到深部脑组织的特定区域,即所谓的深部脑刺激（deep brain stimulation,DBS）.迄今为止,深部脑刺激是治疗严重顽固抗药性运动障碍疾病（如帕金森病,原发性震颤及肌张力异常等）的最有效的外科治疗手段之一.此外,广大的科研工作者也不断地探索应用DBS治疗其他神经及精神异常（如,癫痫和强迫症）的新的临床应用.尽管应用DBS治疗运动障碍非常有效,并也迅速被探索性地应用到其他神经障碍治疗中,但其作用机制仍然不是十分清楚,成为学者们争论的热点.DBS治疗效果的作用机制通常有两种基本的观点：高频刺激抑制学说及高频刺激兴奋学说.基于最近发表的关于中枢神经系统内的高频刺激效应的资料、数据及相关评论,两种机制共存并发挥作用的DBS作用假说被提出,认为DBS通过施加高频刺激干扰并控制了核团病理性紊乱随机活动,同时施加兴奋性刺激到其他基底节的网络,以实现对帕金森病的治疗.     

变间隔的脉冲改变高频刺激对于脑神经元的作用

通常采用恒定电脉冲间隔的高频刺激(high-frequency stimulation,HFS),进行深部脑刺激治疗帕金森氏症等运动障碍疾病.为了开发适用于不同脑疾病治疗的新刺激模式,近年来脉冲间隔(inter-pulse-interval,IPI)变化的变频刺激模式受到关注.已有研究表明,即使具有相同的平均电脉冲频率,变频刺激与恒频刺激的治疗效果也不同.我们推测,变频刺激的短小IPI变化就足以改变HFS对于神经元的作用.为了验证此推测,本文在大鼠海马CA1区锥体神经元的输入轴突纤维上交替施加恒频刺激(100或133 Hz,即IPI=10 ms或7.5 ms)和随机变频刺激(100～200 Hz,即IPI=5～10 ms,平均频率为133 Hz),记录并分析刺激下游神经元群体的诱发电位,用于定量评价神经元对于恒频和变频刺激的响应.实验结果表明,持续的恒频刺激使得神经元的响应从最初的同步发放形成的群峰电位(population spike,PS)转变为非同步的动作电位发放(即单元锋电位).但是,当刺激切换为变频模式时,却又可以诱发神经元群体同步产生动作电位,重新形成PS波.并且,变频刺激诱发的PS幅值和神经元发放的同步程度可达基线的单脉冲刺激诱发波的水平.但是,PS的发生率只有脉冲刺激频率的7%左右,表明在持续的变频刺激时,多个脉冲累积的作用才能诱发这种同步的神经元发放.而且PS的出现与前导IPI的长度之间存在一定关系.神经元的轴突和突触等结构对于高频刺激的非线性响应可能是变频刺激诱发同步活动的原因.这些结果表明,变频刺激序列中短小的间隔变化可以产生与恒定间隔不同的调控作用.本文的结果对于揭示脑刺激的作用机制,促进新型刺激模式的开发及其在不同类型脑疾病治疗中的应用具有重要意义.     

海马区锥体神经元轴突高频电刺激对胞体的影响

目的 深部脑刺激（deep brain stimulation,DBS）利用持续的电脉冲高频刺激（high-frequency stimulation,HFS）调控神经元的活动，可望用于治疗更多脑疾病。为了深入了解HFS的作用机制，促进DBS的发展，本文研究轴突HFS在引起轴突阻滞期间神经元胞体的改变。方法 在麻醉大鼠海马CA1区的锥体神经元轴突上施加脉冲频率为100 Hz的1 min逆向高频刺激（antidromic high-frequency stimulation,A-HFS）。为了研究胞体的响应，利用线性垂直排列的多通道微电极阵列，记录刺激位点上游CA1区锥体神经元胞体附近各结构分层上的诱发电位，包括A-HFS脉冲诱发的逆向群峰电位（antidromic population spike,APS）以及A-HFS期间施加的顺向测试脉冲诱发的顺向群峰电位（orthodromic population spike,OPS），并计算诱发电位的电流源密度（current-source density,CSD），用于分析A-HFS期间锥体神经元胞体附近动作电位的生成和传导。结果 锥体神经...     

神经元对于高频电刺激的动态响应

深部脑刺激(deep brain stimulation,DBS)在许多神经系统疾病的临床治疗上都展现出良好的应用前景,然而,其作用机制尚不明确.常规DBS采用高频刺激(high frequency stimulation,HFS)的脉冲序列,这种窄脉冲最容易激活神经元结构中的轴突部分,通过轴突的投射,将HFS的作用传播至下游神经元.因此,为了探讨DBS的作用机制,并鉴于海马脑区是治疗癫痫和痴呆症等疾病的重要靶点,我们研究了海马区轴突HFS对于下游神经元的作用.对麻醉大鼠的海马CA1区传入神经通路Schaffer侧支施加1 min的100 Hz高频刺激,记录并提取下游CA1区锥体神经元和中间神经元的单元锋电位.计算锋电位的发放率,以及它们与刺激脉冲之间的锁相值(phase-locking value,PLV)和潜伏期,以定量分析HFS期间神经元动作电位发放的变化趋势.结果显示,在传入轴突上施加HFS时,初期会诱发下游神经元群体同步产生动作电位(即群峰电位).在HFS后期(群峰电位消失之后),两类神经元的单元锋电位发放仍然持续,并且发放率较稳定.但是,锋电位与刺激脉冲之间的锁相性逐渐减弱、潜伏期逐渐延长.而且,与中间神经元相比较,锥体神经元锋电位的锁相性更弱、潜伏期更长.这些结果表明,持续的轴突HFS可以诱导下游神经元产生非同步的活动,高频脉冲刺激引起的不完全轴突传导阻滞可能是导致该现象产生的主要原因.本文的研究为揭示脑刺激的作用机制提供了重要信息.     

脑深部电刺激的临床应用

脑深部电刺激(deep brain stimulation,DBS)是近20年来神经外科领域发展最迅猛的技术。DBS是通过刺激发生器发出的高频电脉冲信号刺激脑神经核团或神经传导束来调节异常的神经环路。DBS已经成为治疗特发性震颤、帕金森病、肌张力障碍等运动障碍病的常规手术方法。自1997年深部脑刺激通过美国FDA认证用于治疗特发性震颤以来,已有超过数万名运动障碍患者接受该疗法,而国内脑深部电刺激最早在1999年应用于帕金森病临床治疗,迄今也有数千例患者接受了植入手术。近年,脑起搏器的临床适应症不断扩大,从最初的运动障碍病逐渐发展到治疗其他神经和精神疾病,如抽动秽语综合征、强迫症、抑郁症、神经性厌食症、难治性疼痛、癫痫、植物状态和阿尔茨海默病等,虽然DBS的治疗机理还不很清楚,但可以预见未来DBS将成为众多神经和精神疾病的重要治疗方法。     

大鼠海马神经元对于高频脉冲刺激的暂态响应

闭环刺激是深部脑刺激(deep brain stimulation,DBS)的重要发展方向之一,有望用于治疗多种脑神经系统疾病.与常规开环的长时间持续刺激不同,闭环刺激通常采用短促的高频脉冲序列.而神经元对于高频刺激的响应存在暂态过程,在初期的短时间内会发生很大变化,从而影响闭环刺激的作用.为了研究这种暂态过程,在大鼠海马CA1区传出轴突纤维(alveus)上施加不同频率的恒频以及随机变频的逆向高频刺激(antidromic high-frequency stimulation,A-HFS),并以逆向诱发的群峰电位(antidromically-evoked population spike,APS)的幅值作为指标来考察神经元群体的响应.研究结果表明,100、133和200 Hz的恒频A-HFS初期,APS迅速衰减,脉冲频率越高,APS衰减越快.平均不到1 s时间内APS的幅值就会下降一半以上,100 Hz时的平均半衰期为～0.96 s,频率增加1倍至200 Hz时,平均半衰期缩短至～0.21 s.使用100～200 Hz范围内实时微调脉冲间隔的随机变频刺激,则可以显著延缓神经元响应的衰减速度,延长刺激作用的维持时间.这些结果可以为短促闭环刺激等DBS新模式的开发提供依据.     

精准定位脑刺激对运动功能调控研究进展

脑刺激是神经科学研究的重要手段,传统的经颅磁刺激和经颅电刺激等脑刺激方法尽管能调控运动功能(包括减轻运动性障碍疾病的运动障碍、提高运动能力等),但存在空间分辨率低且无法刺激深部脑组织的局限性.近年来迅速发展的深部脑刺激(deep brain stimulation,DBS)、光遗传学、经颅超声刺激(transcranial ultrasound stimulation,TUS)、时间干涉(temporal interference,TI)等精准定位脑刺激方法,具有空间分辨率高、可聚焦深部脑组织等优点.本文综述了上述几种脑刺激方法的原理、特点,对运动功能调控的研究进展,以及面临的挑战和发展前景,从而为神经科学研究提供更好的研究工具,为临床实践提供更多的干预治疗手段.     

脑起搏器

脑起搏器在医学术语上称“脑深部刺激系统(DBS)”,其外形及工作原理与心脏起搏器类同。DBS由植入脑内的刺激电极、埋在胸部皮下的脉冲发生器和皮下导线组成。脑内电极质地柔软,直径1.2mm,电极头端有4个刺激触点,供刺激选用。脉冲发生器大小为6×6×0.5cm,为整个系统的核心部分,持续发出高频脉冲电刺激,通过皮下导线传递到脑内电极,抑制不正常的脑核团放电,消除帕金森病症状。整个刺激系统均埋在皮下,不影响日常工作和生活。可根据病情选择不同的刺激触点、频率、强度及脉宽等参数,通过体外电脑程控调节,以达到最佳刺激效果,调节时病人无…     

持续高频刺激改变短刺激产生的神经网络效应

不同时长的电脉冲高频刺激(high frequency stimulation,HFS)对于脑神经系统具有不同的作用.其中,数秒时长的短促HFS可通过"点燃"效应制作动物癫痫模型,也可以产生长时间保持的突触可塑性变化,而数分钟以上的长时HFS却可以安全地用于临床的深部脑刺激,治疗多种脑疾病.因此推测,持续的HFS可以改变短促刺激产生的效应.为了验证此推测,在大鼠海马CA1区的输入轴突纤维Schaffer侧支上,分别施加5 s和2 min两种时长的100 Hz HFS,并监测刺激结束后下游神经元群体对于单脉冲测试的响应电位,即群峰电位(population spike,PS).结果显示,5 s短HFS结束时会紧跟后放电痫样活动,并且,从测试脉冲诱发的PS幅值和潜伏期可见,短HFS诱导的兴奋性增强可以维持数十分钟.反之,2 min的长HFS结束时紧随之后的是数十秒无发放活动的静息期,而且,PS在数分钟内即恢复到HFS前的基线水平.这些结果表明,长时HFS的后期刺激可以改变前期短促刺激对于下游神经网络的作用,即消除短刺激可能产生的长时程兴奋效应.此发现对于深入了解高频刺激的作用机制、促进深部脑刺激的临床应用具有重要意义.     

Controlling Parkinson's Disease With Adaptive Deep Brain Stimulation

Adaptive deep brain stimulation (aDBS) has the potential to improve the treatment of Parkinson''s disease by optimizing stimulation in real time according to fluctuating disease and medication state. In the present realization of adaptive DBS we record and stimulate from the DBS electrodes implanted in the subthalamic nucleus of patients with Parkinson''s disease in the early post-operative period. Local field potentials are analogue filtered between 3 and 47 Hz before being passed to a data acquisition unit where they are digitally filtered again around the patient specific beta peak, rectified and smoothed to give an online reading of the beta amplitude. A threshold for beta amplitude is set heuristically, which, if crossed, passes a trigger signal to the stimulator. The stimulator then ramps up stimulation to a pre-determined clinically effective voltage over 250 msec and continues to stimulate until the beta amplitude again falls down below threshold. Stimulation continues in this manner with brief episodes of ramped DBS during periods of heightened beta power.Clinical efficacy is assessed after a minimum period of stabilization (5 min) through the unblinded and blinded video assessment of motor function using a selection of scores from the Unified Parkinson''s Rating Scale (UPDRS). Recent work has demonstrated a reduction in power consumption with aDBS as well as an improvement in clinical scores compared to conventional DBS. Chronic aDBS could now be trialed in Parkinsonism.     

The epigenetic component of the brain response to electromagnetic stimulation in Parkinson's Disease patients: A literature overview

Modulations of epigenetic machinery, namely DNA methylation pattern, histone modification, and non‐coding RNAs expression, have been recently included among the key determinants contributing to Parkinson's Disease (PD) aetiopathogenesis and response to therapy. Along this line of reasoning, a set of experimental findings are highlighting the epigenetic‐based response to electromagnetic (EM) therapies used to alleviate PD symptomatology, mainly Deep Brain Stimulation (DBS) and Transcranial Magnetic Stimulation (TMS). Notwithstanding the proven efficacy of EM therapies, the precise molecular mechanisms underlying the brain response to these types of stimulations are still far from being elucidated. In this review we provide an overview of the epigenetic changes triggered by DBS and TMS in both PD patients and neurons from different experimental animal models. Furthermore, we also propose a critical overview of the exposure modalities currently applied, in order to evaluate the technical robustness and dosimetric control of the stimulation, which are key issues to be carefully assessed when new molecular findings emerge from experimental studies. Bioelectromagnetics. 39:3–14, 2018. © 2017 Wiley Periodicals, Inc.     

帕金森病伴抑郁患者DBS 术后帕罗西汀治疗疗效观察

目的:研究丘脑底核(STN)脑深部电刺激(DBS)治疗帕金森病(PD)合并抑郁障碍术后服用帕罗西汀治疗的疗效。方法:将38例合并抑郁障碍的PD患者随机分为三组,行丘脑底核脑深部电极植入术,术后空白对照组不服用任何抗抑郁药物,药物治疗组服用帕罗西汀每日一次,每次20mg,安慰剂组服用安慰剂。术前一周,术后1个月、2个月和3个月进行随访和临床评价。结果:抑郁患者术后抑郁障碍症状如焦虑、绝望和激越症状也有不同程度好转,应用安慰剂后,患者术后抑郁障碍程度好转程度大于空白对照组(P<0.05),而应用帕罗西汀后术后3个月汉密尔顿抑郁量表评分(HAMD)下降程度显著低于空白对照组及安慰剂组(P<0.05)。结论:表明STN-DBS术后PD患者的抑郁症状有所改善,辅助抗抑郁药物治疗效果更佳。     

Stimulating personality: Ethical criteria for deep brain stimulation in psychiatric patients and for enhancement purposes

Within the recent development of brain-machine-interfaces deep brain stimulation (DBS) has become one of the most promising approaches for neuromodulation. After its introduction more than 20 years ago, it has in clinical routine become a successful tool for treating neurological disorders like Parkinson's disease, essential tremor and dystonia. Recent evidence also demonstrates efficacy in improving emotional and cognitive processing in obsessive-compulsive disorder and major depression, thus allowing new treatment options for treatment refractory psychiatric diseases, and even indicating future potential to enhance functioning in healthy subjects. We demonstrate here that DBS is neither intrinsically unethical for psychiatric indications nor for enhancement purposes. To gain normative orientation, the concept of “personality” is not useful – even if a naturalistic notion is employed. As an alternative, the common and widely accepted bioethical criteria of beneficence, non-maleficence, and autonomy allow a clinically applicable, highly differentiated context- and case-sensitive approach. Based on these criteria, an ethical analysis of empirical evidence from both DBS in movement disorders and DBS in psychiatric disease reveals that wide-spread use of DBS for psychiatric indications is currently not legitimated and that the basis for enhancement purposes is even more questionable. Nevertheless, both applications might serve as ethically legitimate, promising purposes in the future.