多功能神經(jīng)電刺激系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其在深部腦刺激實(shí)驗(yàn)研究中的應(yīng)用.pdf

1、深部腦刺激(Deep brain stimulation，DBS)被認(rèn)為是目前治療癲癇、帕金森等腦部疾病的有效手段，也是腦科學(xué)研究的熱點(diǎn)。為了進(jìn)一步探究DBS的作用機(jī)制，尋求更加有效的刺激參數(shù)，DBS對(duì)于電刺激器的要求越來(lái)越高。常規(guī)電刺激器可輸出的信號(hào)波形比較簡(jiǎn)單，參數(shù)的設(shè)置和改變不夠靈活，這些因素阻礙了DBS的深入研究。
　　為了解決此問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種多功能神經(jīng)電刺激系統(tǒng)。該系統(tǒng)以LabVIEW編寫(xiě)的控制軟件為核心，將軟件生

2、成的波形信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡輸出，控制通用型電刺激器產(chǎn)生復(fù)雜的刺激波形，實(shí)現(xiàn)了刺激波形的多樣化。本文還利用該系統(tǒng)生成了多種不同的刺激模式，用于考察它們對(duì)于大鼠海馬CA1區(qū)神經(jīng)元群體興奮性的作用。
　　本文的創(chuàng)新點(diǎn)和主要研究結(jié)果如下:
　　(1)利用LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)了多功能神經(jīng)電刺激系統(tǒng)的控制程序。測(cè)試結(jié)果表明，該程序的用戶界面簡(jiǎn)潔美觀，可擴(kuò)展性好，通用性強(qiáng)，能夠驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡精確地輸出所需的刺激波形。用戶可以方便地設(shè)計(jì)并

3、輸出多種刺激波形用于電刺激實(shí)驗(yàn)。
　　(2)利用本系統(tǒng)生成了相同極性的單相脈沖與雙相脈沖，考察大鼠海馬CA1區(qū)神經(jīng)元群體在刺激作用下的響應(yīng)，并定量分析了不同刺激波形的作用效果。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在CA1區(qū)輸出通道施加100 Hz持續(xù)高頻刺激期間，刺激起始0.5 s時(shí)間內(nèi)單相脈沖引起群峰電位的幅值下降率（54.2±21.3％，n=6）顯著高于同極性（前相與其一致）的雙相脈沖所引起的幅值下降率（39.0±10.2％，n=6），說(shuō)明高頻

4、刺激時(shí)單相脈沖序列的作用效果比雙相脈沖序列要強(qiáng)，但是單相脈沖可能會(huì)造成神經(jīng)組織的損傷。
　　(3)設(shè)計(jì)了3種新型的刺激波形并考察了它們對(duì)于軸突阻滯的作用效果。基于常規(guī)的強(qiáng)度、頻率都恒定的高頻刺激（High frequency stimulation，HFS），本文設(shè)計(jì)了3種特殊的高頻刺激，分別是強(qiáng)度線性遞增的高頻刺激、頻率漸變的高頻刺激以及間歇式的非連續(xù)高頻刺激。大鼠在體實(shí)驗(yàn)顯示，海馬CA1區(qū)上游神經(jīng)元群體對(duì)于軸突上的這3種HFS

5、的響應(yīng)與對(duì)常規(guī)HFS有所不同:強(qiáng)度線性遞增的逆向高頻刺激可以在實(shí)現(xiàn)軸突傳導(dǎo)阻滯的同時(shí)避免產(chǎn)生大幅值群峰電位;在頻率漸變的高頻刺激下，軸突傳導(dǎo)阻滯程度隨著頻率的升高而增大;在間歇式高頻刺激中，被阻滯的軸突狀態(tài)會(huì)在停頓的時(shí)間間隔內(nèi)有所恢復(fù)，但恢復(fù)程度可能與停頓時(shí)長(zhǎng)有關(guān)。
　　總之，本文所設(shè)計(jì)的多功能神經(jīng)電刺激系統(tǒng)，可以根據(jù)用戶需求設(shè)計(jì)并輸出多樣化的刺激波形，輸出精度高、通用性強(qiáng)，為電生理實(shí)驗(yàn)中刺激波形的獲取提供了便利。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，單