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基于LabVIEW的丘脑皮层中继神经元仿真及其深部脑刺激响应的分析

王镇  
【摘要】:研究目的: 对于帕金森病(Parkinson disease, PD)等医学上难治的运动障碍疾病,深部脑刺激(Deep brain stimulation, DBS)是一种有效的治疗方法,即通过外科手术在脑部特定区域植入微电极,通过脉冲发生器提供高频电刺激,改变相关核团兴奋性从而达到治疗目的。虽然DBS已经用于临床,但其作用机制仍不十分清楚。本文利用计算神经科学的方法,通过Lab VIEW进行神经元建模与仿真,研究DBS的作用机制,希望通过这一基础研究为DBS的临床应用、刺激器的优化设计和PD等运动障碍疾病的病理研究提供计算支持。 研究方法: 丘脑与PD等运动障碍疾病有广泛的联系,它中继感觉和运动信号至大脑皮层。本文构建DBS电极模型和丘脑皮层(Thalamocortical, TC)中继神经元多房室电缆模型,模拟脑内TC中继神经元对于DBS的响应,从而定量理解DBS对TC中继神经元的作用效果。根据DBS电极模型和TC中继神经元多房室电缆模型的仿真结果及目前关于DBS作用机制的四种假说,推测DBS可能的作用机制。本文TC中继神经元建模与仿真都是基于LabVIEW(美国国家仪器公司.图形化的系统设计平台和开发环境)完成的。 1. LabVIEW应用于神经生理学建模。LabVIEW在神经生理学中多用于信号采集和仪器控制,本文将LabVIEW用于神经生理学建模与仿真。分别利用数学和编程模块、MATLAB脚本节点和动态链接库(Dynamic link library, DLL)等方式完成H-H模型并进行动作电位仿真。 2. LabVIEW用于TC中继神经元仿真。TC中继神经元模型表达了神经元胞体和树突部分、轴突部分和突触部分各部分的电生理特性,每部分都有实际的几何参数和详细的离子通道描述。胞体和树突部分包括五种离子通道(INaf,IKdr,IKs,ICaT,Ih);轴突部分由起始段和有髓轴突部分组成,起始段有三种离子通道(INaf,IKdr,IKs),而有髓轴突部分亦有三种离子通道(INaf,INap,IKs)。突触模型用以模拟病理网络低频节律振荡引起的振荡输入。 3.DBS时TC中继神经元的细胞响应及DBS作用机制分析。(1)DBS电极模型。周围脑组织假设为各向同性均匀“容积导体”。利用容积导体中点电源产生的电场来模拟DBS时的电场分布。(2)本文构建了简化的TC中继神经元多房室电缆模型,将DBS电极模型产生的电场应用于TC中继神经元多房室电缆模型,分析房室单元几何和电生理特性、相对于电极的位置及DBS刺激参数等对神经元活动的影响。(3)根据仿真结果,对目前DBS作用机制假说进行分析及补充。 研究结果: 1.在LabVIEW平台下,通过数学和编程模块、MATLAB脚本节点和DLL等不同方式完成H-H模型并仿真了动作电位阈值、不应期和传导速度等生理特性。 2.TC中继神经元在去极化刺激时以电紧张模式放电,并且随着刺激强度的增加放电频率也增加;在超极化刺激时模型以爆发模式放电,并且随着刺激强度的增加内向整流程度也增加。在无突触输入和常量突触输入时,模型对10-40Hz范围内模拟躯体感觉信息都能很好的中继。 3.DBS电极模型和TC中继神经元多房室电缆模型联合仿真结果显示,TC中继神经元各房室单元对于DBS的响应主要依赖三个因素:房室单元的几何和生理特性,相对于电极的位置和刺激参数(脉冲幅度,宽度,频率)。动作电位起始于轴突,神经元可以同时显现胞体活动抑制和轴突兴奋。正常情况下TC中继神经元能够顺利完成中继功能,病理网络的突触输入干扰了TC中继神经元的中继功能。DBS期间若苍白球内侧核(Globus pallidus internus, GPi)神经元输出被锁定于刺激频率,则TC中继神经元的中继功能得到改善。 研究结论: 1. LabVIEW灵活的编程特点、强大的数值分析和计算能力以及突出的程序互连特性都为神经生理学建模和仿真工作带来了巨大便利。LabVIEW不仅可以用于神经生理信号的采集和仪器控制,而且可以完成神经生理学建模仿真工作。 2.TC中继神经元模型再现了实验中观察到的神经元放电特性,而且能较大范围的中继躯体感觉信息。 3.高频电刺激(HFS)期间神经元胞体和轴突的活动可能是去耦的,单个神经元可以同时显示胞体抑制和轴突兴奋。DBS期间胞体的响应并不一定忠实地反映轴突的输出。用于解释DBS治疗机制的去极化阻滞和突触抑制的两种假说,没有考虑轴突单独激活的可能性,尽管突触抑制或者去极化阻塞可能发生在胞体,然而胞体活动受抑对于那些轴突直接被DBS激活的神经元来说,影响有限。一些在体实验研究结果也与基于递质损耗的突触阻抑假说不相符。因此与DBS仿真结果相吻合的唯一假说即刺激诱导病理学网络活动调整。


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