应用小波熵分析大鼠脑电信号的动态变化特性

应用小波熵（一种新的信号复杂度测量方法）分析大鼠在不同生理状态下脑电复杂度的动态时变特性。采用慢性埋植电极记录自由活动大鼠的皮层EEG,使用多分辨率小波变换将EEG信号分解为δ、θ、α和β四个分量,求得随时间变化的小波熵。结果表明：在清醒、慢波睡眠和快动眼睡眠三种生理状态下,EEG的小波熵之间存在显著差别,并且在不同时期其值与各个分解分量之间具有不同的关系,其中,慢波睡眠期小波熵还具有较明显的变化节律,反映了EEG微状态中慢波和纺锤波的互补性。由此可见,小波熵既能区别长时间段EEG复杂度之间的差别,又能反映EEG微状态的快速变化特性。     

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.     

应用线性硅电极阵列检测海马场电位和单细胞动作电位

近年来,硅材料微电极阵列发展迅速,μ为研究大脑神经细胞活动的时空特性提供了理想的手段.考察了线性硅材料微电极阵列在神经细胞电位检测中的稳定性,以及对于单细胞动作电位检测的有效性.实验结果表明,在麻醉大鼠海马CA1区场电位记录中,上下移动记录微电极200μm,对于正向和反向诱发电位的记录几乎没有影响,说明,线性微电极阵列对于神经细胞的损伤很小,检测性能稳定.电极阵列上处于细胞胞体层的测量点可以有效地记录到CA1神经细胞的动作电位发放,同一记录点上可以清楚地分辨出数个不同神经细胞的发放电位.实验结果显示了硅电极阵列操作简便、检测信号稳定和获取信息多等特点,对于开展微电极阵列应用研究的工作人员具有借鉴作用.     

齿状回突触后电位和群峰电位的负相关现象

考察大鼠静卧状态下,相同强度刺激信号作用于前穿质通道时,海马齿状回颗粒细胞诱发电场电位的兴奋性突触后电位EPSP和群峰电位PS之间的一种负相关变化关系,即EPSP斜率减小时,PS幅值增加。采用同时记录齿状回诱发电位和大脑皮层ECoG电位的方法,分析诱发电位各成份和ECoG功率谱密度之间的关系,可见ECoG出现低频高幅慢波时,与ECoG出现高频低幅快波时比较,齿状回诱发响应的PS幅值较大,而EPSP斜率较小。这可能是因为：中脑网状结构上行激励系统通过丘脑－皮层回路使ECoG去同步化（出现低幅快波ECoG）时,同时也通过另一途径,即隔－海马连接,激活了作用于齿状回颗粒细胞胞体的抑制性神经通路,使得颗粒细胞兴奋性降低,从而使反应动作电位总和的PS幅值减小。在麻醉剂乌拉坦作用下,EPSP和PS的负相关变化减小或消失。这种负相关现象对于研究海马的生理功能具有重要的意义。     

深度麻醉至脑死亡期间大鼠海马神经元活动的突变

全身麻醉若操作不当可能造成致命的中枢神经系统损伤,因此其安全性受到广泛关注.为了揭示麻醉不断加深的过程中神经元活动的变化规律,本文研究了大鼠在乌拉坦(urethane)深度麻醉至脑死亡期间海马区神经元兴奋性和信号传导功能的变化.利用微电极阵列记录和电刺激技术,在海马CA1区胞体层分别记录Schaffer侧支上正向刺激和海马白质上反向刺激诱发的群峰电位(population spike,PS).以PS的幅值和潜伏期为指标,分析海马神经元活动的变化.结果表明,随着乌拉坦血药浓度的增加,PS幅值逐渐减小,潜伏期逐渐延长,意味着乌拉坦抑制了神经元的兴奋性以及轴突传导和突触传递.特别是这些变化存在明显的转折点(即突变),将整个衰减过程分成慢变和快变2个阶段.快变期的剧烈衰减迅速导致脑死亡.而且,引起突变的决定性因素可能是乌拉坦的血药浓度,而非麻醉时间的长短.但是,当乌拉坦注射速率较慢时,延长的慢变期仍然会使神经元功能的受损加重.这些研究结果为动物实验的麻醉操作和临床麻醉的安全应用提供了重要的信息.     

多通道神经元锋电位检测和分类的新方法

大脑神经元胞外单细胞动作电位(即锋电位)的检测和分类是提取神经元脉冲序列、研究神经系统信息处理机制的关键．为了提高锋电位的检出率和分类的正确性,设计了一种处理多通道锋电位记录信号的算法,用于分析微电极阵列记录的大鼠海马神经元锋电位信号,电极阵列上的测量点排列紧密,4个通道可以同时记录到来自相同神经元的信号．该算法首先利用一种多通道阈值检测法检出四通道记录信号中的锋电位,然后利用一种基于复合锋电位的主成分特征参数分类法将锋电位分类．仿真数据和实验记录信号的检验结果表明：与相应的单通道算法相比,该算法的锋电位检出率和分类的正确性显著提高,并且可以增加单次实验测得的神经元数目．因此,该算法为实现神经元锋电位的自动检测提供了一种简单有效的新 方法．     

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.     

高频电刺激改变神经元锋电位的波形

为了正确检测和研究高频电刺激(high frequencystimulation,HFS)期间神经元的动作电位发放活动,进而深入揭示深部脑刺激治疗神经系统疾病的机制,本课题研究HFS期间锋电位波形的变化.在麻醉大鼠海马CA1区的输入神经通路Schaffer侧支上,施加1~2 min时长的100或者200 Hz顺向高频刺激(orthodromic-HFS,O-HFS),利用微电极阵列采集刺激下游神经元的多通道锋电位信号,并获得由O-HFS经过单突触传导激活的中间神经元的单元锋电位波形及其特征参数.结果表明,O-HFS使得锋电位的幅值明显减小而半高宽明显增加,以基线记录为基准计算百分比值,O-HFS期间锋电位的降支幅值和升支幅值分别可减小20%和40%左右,半高宽则增加10%以上.并且,在大量神经元同时产生动作电位期间,或者在比200 Hz具有更大兴奋作用的100 Hz刺激期间,锋电位波形的改变更多,幅值的减小可达50%,宽度的增加可达20%.可以推测,高频电刺激对于神经元的兴奋作用可能升高细胞膜电位,从而改变细胞膜离子通道的活动特性,导致动作电位波形的改变.这些结果支持深部脑刺激具有兴奋性调节作用的假说,对于正确分析高频电刺激期间神经元锋电位活动具有指导意义,也为进一步研究深部脑刺激(DBS)治疗脑神经系统疾病的机制提供了重要线索.     

新型深部脑刺激模式的开发及研究进展

深部脑刺激(deep brain stimulation,DBS)已成为治疗帕金森病等运动障碍疾病的常规方法之一,并且在许多其他神经和精神疾病的治疗中也具有良好的应用前景.但是,目前常规DBS采用单通道恒定脉冲间隔的高频刺激(high frequency stimulation,HFS),刺激模式缺少多样化,限制了DBS在临床上的推广应用.为了开发更多DBS刺激模式,用于改善疗效、拓展应用范围、并节省刺激器的电能,近年来研究人员基于去同步调控机制,在脉冲序列的时间模式和空间排布两方面开发了DBS新模式.主要包括:变频序列(包括规则变频和随机变频)、不同空间位点上的多通道异步刺激以及变频和多通道两者的结合.这些新刺激模式能够提高DBS的临床疗效、降低刺激能耗,在帕金森病以及癫痫、强迫症和微意识障碍等其他脑疾病的治疗中都展现了良好的应用前景.更值得关注的是,多通道异步刺激不仅在刺激期间具有更好的即时疗效,而且刺激结束后还能长时间保持疗效,具有刺激后效应.这个特性突破了常规DBS主要为即时效应的局限性,展现了DBS新前景.本文在概述常规DBS模式及其去同步调控机制的基础上,综述变频脉冲刺激和多通道刺激等新型DBS模式,可以为促进DBS的发展提供有价值的信息.     

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.