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

1、研究目的：
　　對(duì)于帕金森病(Parkinson disease，PD)等醫(yī)學(xué)上難治的運(yùn)動(dòng)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(guò)外科手術(shù)在腦部特定區(qū)域植入微電極，通過(guò)脈沖發(fā)生器提供高頻電刺激，改變相關(guān)核團(tuán)興奮性從而達(dá)到治療目的。雖然DBS已經(jīng)用于臨床，但其作用機(jī)制仍不十分清楚。本文利用計(jì)算神經(jīng)科學(xué)的方法，通過(guò)LabVIEW進(jìn)行神經(jīng)元建模與仿真，研究DBS的作用機(jī)制，

2、希望通過(guò)這一基礎(chǔ)研究為DBS的臨床應(yīng)用、刺激器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和PD等運(yùn)動(dòng)障礙疾病的病理研究提供計(jì)算支持。
　　研究方法：
　　丘腦與PD等運(yùn)動(dòng)障礙疾病有廣泛的聯(lián)系，它中繼感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)信號(hào)至大腦皮層。本文構(gòu)建DBS電極模型和丘腦皮層(Thalamocortical，TC)中繼神經(jīng)元多房室電纜模型，模擬腦內(nèi)TC中繼神經(jīng)元對(duì)于DBS的響應(yīng)，從而定量理解DBS對(duì)TC中繼神經(jīng)元的作用效果。根據(jù)DBS電極模型和TC中繼神經(jīng)元多房室電纜模型的仿

3、真結(jié)果及目前關(guān)于DBS作用機(jī)制的四種假說(shuō)，推測(cè)DBS可能的作用機(jī)制。本文TC中繼神經(jīng)元建模與仿真都是基于LabVIEW(美國(guó)國(guó)家儀器公司圖形化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境)完成的。
　　1.LabVIEW應(yīng)用于神經(jīng)生理學(xué)建模。LabVIEW在神經(jīng)生理學(xué)中多用于信號(hào)采集和儀器控制，本文將LabVIEW用于神經(jīng)生理學(xué)建模與仿真。分別利用數(shù)學(xué)和編程模塊、MATLAB腳本節(jié)點(diǎn)和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(Dynamic link library，DLL)等方

4、式完成H-H模型并進(jìn)行動(dòng)作電位仿真。
　　2.LabVIEW用于TC中繼神經(jīng)元仿真。TC中繼神經(jīng)元模型表達(dá)了神經(jīng)元胞體和樹(shù)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(shí)際的幾何參數(shù)和詳細(xì)的離子通道描述。胞體和樹(shù)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(wǎng)絡(luò)低頻節(jié)律振蕩引起的振蕩輸入。
　　3.DBS時(shí)TC中繼神經(jīng)元的細(xì)胞響應(yīng)及DBS作用機(jī)制分析。(1)DBS電極模型。周?chē)X組織假設(shè)為各向同性均勻“容積導(dǎo)體”。利用容積導(dǎo)體中點(diǎn)電源產(chǎn)生的電場(chǎng)來(lái)模擬DBS時(shí)的電場(chǎng)分布。(2)本文構(gòu)建了簡(jiǎn)化的TC中繼神經(jīng)元多房室電纜模型，將DBS電極模型產(chǎn)生的電場(chǎng)應(yīng)用于TC中繼神經(jīng)元多房室電纜模型，分析房室單元幾何和電生理特性、相對(duì)于電極的位置及DBS刺激參數(shù)等對(duì)神經(jīng)元活動(dòng)

6、的影響。(3)根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)目前DBS作用機(jī)制假說(shuō)進(jìn)行分析及補(bǔ)充。
　　研究結(jié)果：
　　1.在LabVIEW平臺(tái)下，通過(guò)數(shù)學(xué)和編程模塊、MATLAB腳本節(jié)點(diǎn)和DLL等不同方式完成H-H模型并仿真了動(dòng)作電位閾值、不應(yīng)期和傳導(dǎo)速度等生理特性。
　　2.TC中繼神經(jīng)元在去極化刺激時(shí)以電緊張模式放電，并且隨著刺激強(qiáng)度的增加放電頻率也增加；在超極化刺激時(shí)模型以爆發(fā)模式放電，并且隨著刺激強(qiáng)度的增加內(nèi)向整流程度也增加。在無(wú)突觸輸入

7、和常量突觸輸入時(shí)，模型對(duì)10-40Hz范圍內(nèi)模擬軀體感覺(jué)信息都能很好的中繼。
　　3.DBS電極模型和TC中繼神經(jīng)元多房室電纜模型聯(lián)合仿真結(jié)果顯示，TC中繼神經(jīng)元各房室單元對(duì)于DBS的響應(yīng)主要依賴(lài)三個(gè)因素：房室單元的幾何和生理特性，相對(duì)于電極的位置和刺激參數(shù)(脈沖幅度，寬度，頻率)。動(dòng)作電位起始于軸突，神經(jīng)元可以同時(shí)顯現(xiàn)胞體活動(dòng)抑制和軸突興奮。正常情況下TC中繼神經(jīng)元能夠順利完成中繼功能，病理網(wǎng)絡(luò)的突觸輸入干擾了TC中繼神經(jīng)元的中

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

9、現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中觀(guān)察到的神經(jīng)元放電特性，而且能較大范圍的中繼軀體感覺(jué)信息。
　　3.高頻電刺激(HFS)期間神經(jīng)元胞體和軸突的活動(dòng)可能是去耦的，單個(gè)神經(jīng)元可以同時(shí)顯示胞體抑制和軸突興奮。DBS期間胞體的響應(yīng)并不一定忠實(shí)地反映軸突的輸出。用于解釋DBS治療機(jī)制的去極化阻滯和突觸抑制的兩種假說(shuō)，沒(méi)有考慮軸突單獨(dú)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(dòng)受抑對(duì)于那些軸突直接被DBS激活的神經(jīng)元來(lái)說(shuō)，影響有限。一些在體