大脑深部电刺激的神经网络作用机制研究

大脑深部电刺激（DBS）在神经系统疾病的控制和治疗中的应用正在不断发展，已成为神经工程和生物医学工程领域倍受关注的研究热点。但是，对于DBS的作用机理仍然不太清楚，存在着亟待解决的几大问题：DBS对于神经细胞和组织究竟是抑制还是兴奋？其在大脑中的传播和作用范围如何？不同刺激参数和模式会产生怎样的非线性动态效应？由于大脑神经细胞之间通过突触连接构成复杂的神经网络，必须从神经网络的角度研究上述问题，才能深入揭示DBS的机制。本项目将应用先进的微电极阵列检测技术，建立在体大脑局部神经网络和较大范围的长距离传导的神经网络，研究正常和异常脑组织神经元在不同参数电刺激作用下的动态响应过程，以及电刺激效应的扩散和传播，并且，建立数学仿真模型，综合分析DBS的作用机制。本项目的研究结果将对于开发新的临床DBS治疗方案，促进其推广应用，具有重要的意义。

大脑深部电刺激（Deep brain stimulations，DBS）已经成为治疗各种大脑疾病的研究热点，包括帕金森氏症、癫痫、头痛、上瘾、脑卒中和抑郁症等。但是，DBS的作用机制仍然不清楚。本项目利用先进的微电极阵列检测技术，研究了大鼠海马区神经元及其网络对于各种电刺激作用的不同反应，揭示了其中的重要机制。主要研究结果有：（1）海马区高频电刺激对于神经轴突具有阻断作用。当海马CA1区神经元不响应正向或者反向高频电刺激的兴奋性输入时，它们的胞体其实仍然保持兴奋性。因此，轴突上的高频刺激可以引起轴突传导功能的暂时性断开，这种在治疗靶点之间形成的暂时且可逆的神经阻滞对于开发高频电刺激在治疗大脑疾病上的临床新应用将具有重要的意义。（2）神经元对于单相和双相高频电刺激具有不同的响应，100 Hz以上长时间高频电刺激会诱发扩散性抑制活动，对大脑组织有较大损害。（3）电刺激对于海马区锥体神经元和中间神经元具有不同的抑制作用。正向刺激对于锥体神经元和中间神经元的抑制时间都远大于反向刺激。在两种神经元之间比较，正向刺激对于中间神经元的抑制时间较长，而反向刺激对于锥体神经元的抑制时间较长。（4）痫样活动期间海马CA1区主神经元不响应兴奋性突触的刺激输入。这表明在癫痫发作的不同阶段电刺激可能会产生不同的抗癫痫效果，从而为大脑深部电刺激控制癫痫发作的临床应用提供依据。（5）设计了一种闭环式神经电刺激系统用于研究场电位不同相位上实施电刺激的作用效果。这些研究成果对于电刺激在临床上的安全应用具有重要的指导意义，也为开发DBS治疗大脑疾病的新方法提供了重要的理论依据。