基于Lab VIEW的丘腦皮層中繼神經元仿真及其深部腦刺激響應的分析.pdf

1、研究目的：
　　對于帕金森病(Parkinson disease，PD)等醫(yī)學上難治的運動障礙疾病，深部腦刺激(Deep brain stimulation，DBS)是一種有效的治療方法，即通過外科手術在腦部特定區(qū)域植入微電極，通過脈沖發(fā)生器提供高頻電刺激，改變相關核團興奮性從而達到治療目的。雖然DBS已經用于臨床，但其作用機制仍不十分清楚。本文利用計算神經科學的方法，通過LabVIEW進行神經元建模與仿真，研究DBS的作用機制，

2、希望通過這一基礎研究為DBS的臨床應用、刺激器的優(yōu)化設計和PD等運動障礙疾病的病理研究提供計算支持。
　　研究方法：
　　丘腦與PD等運動障礙疾病有廣泛的聯系，它中繼感覺和運動信號至大腦皮層。本文構建DBS電極模型和丘腦皮層(Thalamocortical，TC)中繼神經元多房室電纜模型，模擬腦內TC中繼神經元對于DBS的響應，從而定量理解DBS對TC中繼神經元的作用效果。根據DBS電極模型和TC中繼神經元多房室電纜模型的仿

3、真結果及目前關于DBS作用機制的四種假說，推測DBS可能的作用機制。本文TC中繼神經元建模與仿真都是基于LabVIEW(美國國家儀器公司圖形化的系統(tǒng)設計平臺和開發(fā)環(huán)境)完成的。
　　1.LabVIEW應用于神經生理學建模。LabVIEW在神經生理學中多用于信號采集和儀器控制，本文將LabVIEW用于神經生理學建模與仿真。分別利用數學和編程模塊、MATLAB腳本節(jié)點和動態(tài)鏈接庫(Dynamic link library，DLL)等方

4、式完成H-H模型并進行動作電位仿真。
　　2.LabVIEW用于TC中繼神經元仿真。TC中繼神經元模型表達了神經元胞體和樹突部分、軸突部分和突觸部分各部分的電生理特性，每部分都有實際的幾何參數和詳細的離子通道描述。胞體和樹突部分包括五種離子通道(INaf，IKdr，IKs，ICaT，Ih)；軸突部分由起始段和有髓軸突部分組成，起始段有三種離子通道(INaf，IKdr，IKs)，而有髓軸突部分亦有三種離子通道(INaf，INap，I

5、Ks)。突觸模型用以模擬病理網絡低頻節(jié)律振蕩引起的振蕩輸入。
　　3.DBS時TC中繼神經元的細胞響應及DBS作用機制分析。(1)DBS電極模型。周圍腦組織假設為各向同性均勻“容積導體”。利用容積導體中點電源產生的電場來模擬DBS時的電場分布。(2)本文構建了簡化的TC中繼神經元多房室電纜模型，將DBS電極模型產生的電場應用于TC中繼神經元多房室電纜模型，分析房室單元幾何和電生理特性、相對于電極的位置及DBS刺激參數等對神經元活動

6、的影響。(3)根據仿真結果，對目前DBS作用機制假說進行分析及補充。
　　研究結果：
　　1.在LabVIEW平臺下，通過數學和編程模塊、MATLAB腳本節(jié)點和DLL等不同方式完成H-H模型并仿真了動作電位閾值、不應期和傳導速度等生理特性。
　　2.TC中繼神經元在去極化刺激時以電緊張模式放電，并且隨著刺激強度的增加放電頻率也增加；在超極化刺激時模型以爆發(fā)模式放電，并且隨著刺激強度的增加內向整流程度也增加。在無突觸輸入

7、和常量突觸輸入時，模型對10-40Hz范圍內模擬軀體感覺信息都能很好的中繼。
　　3.DBS電極模型和TC中繼神經元多房室電纜模型聯合仿真結果顯示，TC中繼神經元各房室單元對于DBS的響應主要依賴三個因素：房室單元的幾何和生理特性，相對于電極的位置和刺激參數(脈沖幅度，寬度，頻率)。動作電位起始于軸突，神經元可以同時顯現胞體活動抑制和軸突興奮。正常情況下TC中繼神經元能夠順利完成中繼功能，病理網絡的突觸輸入干擾了TC中繼神經元的中

8、繼功能。DBS期間若蒼白球內側核(Globus pallidus imernus，GPi)神經元輸出被鎖定于刺激頻率，則TC中繼神經元的中繼功能得到改善。
　　研究結論：
　　1.LabVIEW靈活的編程特點、強大的數值分析和計算能力以及突出的程序互連特性都為神經生理學建模和仿真工作帶來了巨大便利。LabVIEW不僅可以用于神經生理信號的采集和儀器控制，而且可以完成神經生理學建模仿真工作。
　　2.TC中繼神經元模型再

9、現了實驗中觀察到的神經元放電特性，而且能較大范圍的中繼軀體感覺信息。
　　3.高頻電刺激(HFS)期間神經元胞體和軸突的活動可能是去耦的，單個神經元可以同時顯示胞體抑制和軸突興奮。DBS期間胞體的響應并不一定忠實地反映軸突的輸出。用于解釋DBS治療機制的去極化阻滯和突觸抑制的兩種假說，沒有考慮軸突單獨激活的可能性，盡管突觸抑制或者去極化阻塞可能發(fā)生在胞體，然而胞體活動受抑對于那些軸突直接被DBS激活的神經元來說，影響有限。一些在體