不同频率的电脉冲刺激调控海马CA1区神经元活动的研究

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深部脑刺激(Deep brain stimulation,DBS)作为一种能够替代药物治疗和传统损毁手术治疗的新方法,在治疗癫痫等脑神经系统疾病上表现出了良好的应用前景。但是,不同刺激参数对DBS作用效果的影响及其机制还没有明确的定论。其中刺激频率是DBS的主要参数之一,不同频率的刺激对神经元活动的作用一直是DBS研究的重点之一。对于究竟什么频率的电刺激能够更好地抑制癫痫的发作,至今仍然不能够确定。因此,研究不同频率的脉冲刺激对神经元活动的影响,对于推进DBS在临床上治疗癫痫的应用具有重要的意义。本文以大鼠海马区为研究对象,在CA1区的Schaffer侧支上施加不同频率(10-400Hz)的电脉冲刺激,刺激的持续时间分为长时(1 min)和短促(0.5 s)两种,考察下游中间神经元和锥体神经元的发放情况,并分析其中的可能机制。主要的研究结果如下:(1)长时低频和较低频率的刺激可以抑制锥体神经元的活动当在Schaffer侧支上施加1 min的10和20 Hz的长时刺激时,海马CA1区的主神经元(锥体神经元)在刺激期间的动作电位(即锋电位)发放明显减少,并且神经元在刺激后时间直方图和锋电位时间间隔直方图中,均存在约15-30 ms的锋电位发放抑制期,同时其锋电位与刺激脉冲之间的时间相关性较弱,表明锥体神经元没有受到刺激的直接调控。此时中间神经元的发放率虽然没有明显变化,但其发放与刺激脉冲之间的时间相关性较强,且潜伏期及其变异都较小,表明中间神经元受到了较为直接的刺激调控作用。脉冲刺激可能通过激活阈值较低的中间神经元及其抑制性突触,从而抑制了锥体神经元的活动。(2)长时较较高频率和高频的刺激会增强锥体神经元的活动在高频(50、100 Hz)刺激期间,锥体神经元的发放率有所增加,同时在锋电位间隔图中集中发放的锋电位比例也增加,表明锥体神经元受到的净兴奋作用增加。而此时中间神经元的发放率反而有所减弱。表明低频和高频的电刺激对神经元产生的兴奋作用相近,但高频刺激可能通过轴突传导阻滞使得中间神经元在刺激期间非同步发放,进而导致其对锥体神经元的抑制作用有所减弱,使得锥体神经元的发放有所增加。(3)短促低频和较低频率的刺激可以抑制锥体神经元的活动,而短促高频刺激会兴奋中间神经元和锥体神经元的活动锥体神经元在短促较低频率(10、20 Hz)的刺激期间,发放会明显减少,可能的机制是刺激激活了与中间神经元相连的抑制性突触,进而抑制了锥体神经元活动;而当刺激频率高于100 Hz时,两种神经元在刺激期间的发放都会明显增加,可能是由于刺激对神经元的兴奋作用克服了中间神经元的抑制作用,净兴奋作用使得神经元发放增加。总之,本文通过考察不同频率、不同时长的脉冲刺激对下游中间神经元和锥体神经元的作用发现,长时和短促的低频刺激能够有效抑制主神经元的活动,而短促高频刺激由于未能像长时高频刺激一样诱导轴突产生传导阻滞,使得神经元的活动明显被兴奋。这些结果可以分别为DBS中长期治疗癫痫的开环刺激系统和可调节的闭环刺激系统提供刺激参数指导,对DBS在临床上的应用推广具有重要意义。
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