闭环式电刺激抑制痫样棘波发放的机制研究

曹嘉悦 封洲燕 郭哲杉 胡振华 胡 娜

(浙江大学 生物医学工程与仪器科学学院 生物医学工程教育部重点实验室，杭州 310027)

闭环式电刺激抑制痫样棘波发放的机制研究

曹嘉悦 封洲燕*郭哲杉 胡振华 胡 娜

(浙江大学 生物医学工程与仪器科学学院 生物医学工程教育部重点实验室，杭州 310027)

脑深部刺激(DBS)在临床癫痫病的治疗中备受关注，可能替代癫痫病灶的切除手术。但是，癫痫的发作机制多种多样，需要针对性地设计DBS的刺激模式和参数，才能获得较好的疗效。对于γ-氨基丁酸受体的拮抗剂印防己毒素在麻醉大鼠海马CA1区诱导的痫样发放，采用短促的高频刺激(HFS)脉冲串；并利用闭环式的刺激模式，在各个爆发式发放期间，将脉冲串施加于CA1区的传入轴突束Schaffer侧支。9只大鼠的实验结果表明，100 Hz以上的0.3 s时长HFS可以抑制Burst中60%～70%的棘波发放。而且，在HFS抑制棘波发放期间，CA1区神经元不能响应其传出轴突束上施加的逆向刺激脉冲的激励作用，表明在此期间神经元失去了产生动作电位的能力。由此可以推测，HFS抑制棘波发放的机制可能是神经元细胞膜发生了去极化阻滞。该研究的发现对于开发DBS治疗癫痫的闭环刺激新模式具有重要的指导意义。

脑深部刺激；闭环；癫痫；印防己毒素；去极化阻滞

引言

癫痫是一类常见的神经系统疾病，患病人数约占世界人口的1%；它会严重影响患者的日常生活，但在治疗上还存在许多困难[1]。目前癫痫的常用治疗手段包括药物控制和手术切除病灶；但是，患者中约有20%～30%属于难治性癫痫，药物治疗效果不理想。有些患者病灶在重要脑区，也不适合手术切除，否则可能会导致严重的后遗症[2]。因此，迫切地需要开发新型的有效的癫痫治疗手段。鉴于脑深部刺激(deep brain stimulation，DBS)在帕金森氏症等神经系统疾病中的成功应用，它在癫痫的控制和治疗中也展现出良好的应用前景[3-4]。

目前，关于DBS抑制癫痫的作用机制尚无定论，已有的假说主要认为电脉冲刺激可能对神经元产生抑制作用或者产生去极化阻滞作用[5-6]。其中，抑制作用的产生原因可能是神经元兴奋性突触后电位的减小或者抑制性突触后电位的增大。其诱因可能是刺激引起兴奋性突触传导阻滞[7]，或者是刺激增强了抑制回路的功能[8-9]。而去极化阻滞是指神经元过度兴奋导致细胞膜处于持续的去极化状态，使离子通道失活，无法产生动作电位。已有研究表明，DBS所采用的高频刺激可以引起轴突或者神经元胞体的去极化阻滞[6,10-12]。鉴于癫痫有多种不同的发生机理，可以推测，针对不同的痫样发放模式，可能利用DBS的不同机制来控制痫样活动。

临床上，根据脑电图的表现，痫样发放可以分为发作期(ictal)和发作间期(interictal)两大类。其中，发作期由连续的爆发式发放(burst)组成，而每个Burst又由棘波串组成。棘波是神经元群体同步发放动作电位的表现，是癫痫脑电的特征波，连续的棘波发放预示着严重的癫痫发作，会导致脑功能障碍或者肌阵挛等症状[13]。因此，抑制发作期的棘波发放是重要的癫痫病防治目标。为了考察高频脉冲电刺激是否能够抑制发作期的痫样发放，在麻醉大鼠海马阿蒙氏角(cornu ammonis，CA)的CA1区，使用抑制性神经递质γ-氨基丁酸的拮抗剂印防己毒素(picrotoxin，PTX)制作急性癫痫模型。另外，针对发作期的Burst发放设计了一种闭环式的高频脉冲串刺激，使用小于1 s的短促刺激来控制Burst的棘波发放，考察抑制效果，并研究其中的机制。

上述研究结果对于开发DBS治疗癫痫的新刺激模式、深入揭示DBS的作用机制以及促进其临床应用等，都具有重要的意义。

1 方法

1.1 动物手术、信号记录和电刺激的实施

成年雄性Sprague-Dawley大鼠9只(300～400 g，购于浙江省实验动物中心)，使用1.25 g/kg乌拉坦腹腔注射麻醉后，固定于大鼠脑立体定位仪上。切开鼻端皮肤，在鼻骨上钻两个小孔，将参考电极和接地电极通过两个不锈钢螺钉分别固定于鼻骨。切开头部皮肤，除去部分颅骨，将记录电极植入到海马CA1区，定位为前囟后3.5 mm，旁开2.6 mm，大脑皮层表面向下2.0～2.3 mm(如图 1所示)。所使用的记录电极为16通道的微电极阵列(NeuroNexus Technologies)。植入时，逐渐推进记录电极，直到记录到海马CA1区发放的神经元单元锋电位为止。然后，将2根刺激电极植入到同侧海马CA1区。其中一根植入到CA1区的Schaffer侧支(即锥体细胞的传入通路)，定位为前囟后2.8～3.0 mm，旁开2.0 mm，深度约2.8 mm，用于顺向(orthodromic，也称正向)兴奋CA1区锥体细胞。另一根则植入到海马白质(alveus，即锥体细胞的传出通路)，定位为前囟后4.8 mm，旁开2.7 mm，深度2.0～2.3 mm，用于逆向(antidromic，也称反向)兴奋CA1区锥体细胞。使用的刺激电极为美国FHC公司生产的双极同心电极(FHC Inc. USA)。根据两根刺激电极上施加的脉冲刺激在CA1区不同深度诱发的突触电位和群峰电位的波形，微调刺激电极和记录电极的植入深度，直到最终达到正确的位置[14]。

图1 记录电极和刺激电极在海马CA1区的植入位置Fig.1 Schematic diagram of the placements of the recording electrode and the stimulation electrodes

记录电极采集到的神经电信号首先通过3600型16通道放大器(A-M Systems Inc.)放大100倍(频率范围设为0.3～5 000 Hz)；再通过PowerLab采集系统(AD Instruments Inc.)以20 kHz的采样频率进行采样；之后将记录数据存入硬盘，用于离线分析。下面将此记录信号称为局部场电位(local field potential，LFP)。电刺激采用脉宽为0.1 ms的双相恒流脉冲，由2100型脉冲刺激器(A-M Systems Inc.)产生[15]。

如图2所示，施加足够强度的单个脉冲刺激时，可以诱发CA1区神经元群体产生群峰电位(population spike，PS)，是负相波。其中，顺向刺激施加于传入神经纤维，经过单突触的传导兴奋CA1区锥体细胞，诱发顺向群峰电位(orthodromically-evoked population spike，OPS)；而逆向刺激直接兴奋锥体细胞的轴突(即传出神经纤维)，沿轴突反向传导至胞体，诱发逆向群峰电位(antidromically-evoked population spike，APS)[16-17]。PS的大小用其下降相的幅值来表示，它反映被兴奋神经元的数量以及它们产生动作电位的同步性[18]。本研究采用的脉冲刺激强度设为能够诱发出最大PS幅值的75%的电流值，为0.3～0.5 mA。高频串刺激中脉冲的频率采用20、50、100、200、400 Hz，持续时间均为0.3 s。

图2 强度为0.3 mA的单个脉冲刺激在CA1区诱发的群峰电位波形(图中下方分别用向下和向上箭头表示顺向和逆向刺激伪迹)。(a)顺向刺激诱发的OPS；(b) 逆向刺激诱发的APS及其幅值测量方法Fig.2 The waveforms of population spikes evoked by single pulse stimuli with an intensity of 0.3 mA in the CA1 region (The up and down arrows below the waveforms denote the artifacts of orthodromic-stimulation and antidromic-stimulation, respectively). (a) OPS waveform evoked by orthodromic-stimulation；(b) APS waveform evoked by antidromic-stimulation and the measurement of APS amplitude

1.2 动物癫痫模型

在本研究中，使用抑制性神经递质γ-氨基丁酸的拮抗剂印防己毒素(Picrotoxin，PTX)，在大鼠海马CA1区制作急性癫痫模型，PTX的浓度为4 mM。使用50 μL的微量注射器(上海高鸽工贸有限公司)，通过植入海马CA1区(前囟后3.5 mm，旁开2.0 mm，深度约2.0 mm)的7号穿刺针管，将PTX溶液缓慢推入。大约每5 min注射0.5 μL，同时观察局部场电位(LFP)的变化，直到出现稳定的痫样棘波发放为止。每只大鼠PTX的注射总量为3～5 μL。

1.3 痫样棘波强度的评价指标

图3 Burst中棘波发放强度评价指标SSA的算法Fig.3 The definition of measurement (SSA) of spike intensity in a burst

海马CA1区呈现痫样发放时，胞体层的LFP中会出现许多大幅值的负相棘波[13]。棘波是神经元群体异常同步发放的动作电位的整合电位，其本质与图3所示的正常海马组织中脉冲刺激诱发的PS波类似(下文中PS与棘波作为同义词使用)。不过，痫样发放时，LFP中的棘波会呈现为爆发的簇状，被称为Burst。在一定的时间长度内Burst中包含的棘波个数越多、幅值越大，反映痫样发放越强烈[13]。因此，为了评价脑电中痫样发放的强度，使用棘波幅值之和(sum of spike amplitudes，SSA)作为衡量各个Burst发放强度的指标(参见图3，图中用PS表示棘波，棘波的幅值为波谷与其之前的波峰之间差值的绝对值)。SSA用MATLAB程序计算，算法参考文献[19]，步骤简述如下：求CA1区胞体层LFP的一阶差分信号，并利用阈值法来识别Burst中的棘波极值点的时间，阈值设定为LFP一阶差分信号的幅值平均值+标准差；在LFP原始信号中计算每个棘波的幅值(即棘波的波谷与波谷之前的波峰之间的电位差)，再求得Burst中所有棘波的幅值之和，即为SSA的数值。

为了评价电刺激对于Burst中棘波发放的作用效果，研究中进一步计算刺激作用下Burst的SSA值与无刺激的对照期Burst的SSA值之比(ratio of SSA，RSSA)。若RSSA>1，则刺激增强了棘波发放；若RSSA<1时，则刺激抑制了棘波发放。

1.4 闭环式电刺激系统

基于LabVIEW和美国NI公司生产的USB6251多功能信号采集卡来实现闭环式电刺激[20]。该系统程序可以自动检测痫样棘波，且检测功能可以随时开启和关闭。开启时，程序使用阈值法自动检测LFP中出现的Burst中的首个棘波。检测到棘波之后，程序随即输出控制信号，触发2100刺激器产生双相恒流脉冲组成的串刺激，从而实现闭环式刺激，作用于被检测到的Burst中的后续棘波发放。与此同时，棘波检测功能中断，直到脉冲串刺激结束为止，串刺激的频率和持续时间可以根据需要设置。

下文中用简称“闭环刺激”来表示该闭环系统的痫样棘波自动检测功能以及随即的刺激输出功能。

2 结果

2.1 海马CA1区痫样模型的建立

在大鼠海马CA1区局部注射PTX来建立急性癫痫模型，如图4所示为CA1区胞体层记录的LFP的变化过程。在施加PTX之前，LFP幅值很小，不包含任何痫样棘波；施加PTX之后约10 min时，LFP中出现发作间期痫样发放(即interictal痫样波)；施加PTX之后约20 min时，LFP中出现发作期痫样发放(即ictal痫样波)，它由许多Burst组成，而每个Burst则由大幅值的棘波发放簇组成；此后，LFP交替呈现发作间期和发作期，每个时期持续时间为10～60 s。利用发作期的Burst，考察高频脉冲刺激对于棘波的抑制作用。

图4 大鼠海马CA1区PTX癫痫模型的建立。(a)施加PTX之前的LFP无痫样波；(b)施加PTX后10 min时LFP中出现发作间期痫样波；(c)施加PTX后20 min时LFP中出现发作期痫样波，由一连串的Burst组成Fig.4 Epileptiform activity induced by PTX in the hippocampal CA1 region. (a) Control LFP before the application of PTX；(b) Interictal activity appeared in LFP after 10 min application of PTX; (c) Ictal activity, i.e., continuous bursts, appeared in LFP after 20 min application of PTX.

2.2 闭环电刺激抑制痫样棘波

利用闭环刺激，于Burst痫样发放期间，在CA1区传入神经通路的轴突纤维上施加顺向高频刺激(orthodromic high-frequency stimulation，OHFS)。为了定量评价刺激作用下的Burst与无刺激时的Burst之间的区别，间歇地开启闭环刺激功能，以便在刺激发生之前先记录一段Burst作为对照，然后再开启闭环刺激。如图5(a)所示，闭环刺激开启时，一旦系统检测到Burst的首个棘波，随即发出刺激频率为100 Hz，持续时间为0.3 s的OHFS。刺激发生时刻距离Burst起始点的延时为0.05～0.5 s。应用线性插值法去除刺激伪迹之后[21]，从图5(a)的LFP信号放大波形可见，OHFS明显抑制了Burst中的后续棘波发放。在图中去除伪迹的信号上，用灰色阴影表示OHFS刺激期。在9只大鼠实验中分别采集约10组受刺激Burst和其前面紧邻的对照Burst的配对LFP信号，计算它们的棘波幅值之和SSA(算法参见图3)，并求各次实验的SSA均值。如图5(b)所示，受刺激Burst的SSA均值为(9.4±6.7)mV，显著小于对照Burst的SSA均值(35.3±28.1)mV(Pairedt-test，P<0.01，n=9)。Burst中约70%的棘波被刺激抑制(没有被抑制的部分主要是Burst起始处尚未施加OHFS时的棘波)，这表明高频顺向刺激对于CA1区的痫样Burst发放具有较好的抑制效果。

图5 闭环刺激抑制Burst的痫样棘波。(a) 100 Hz的0.3 s时长高频OHFS刺激串抑制Burst中的棘波。从上至下的4行信号分别为：闭环刺激的开启时序，原始LFP信号，去刺激伪迹之后的LFP信号，对照Burst和受刺激Burst的放大图。(b)对照Burst和受刺激Burst的棘波幅值之和(SSA)均值的统计数据(**P<0.01， 配对t检验， n =9为实验大鼠个数)Fig.5 Suppression of epileptic spikes in bursts by closed-loop stimulation. (a) 100 Hz OHFS trains with a 0.3 s duration suppressing spikes in bursts. From top to bottom: timing of closed-loop stimulation, original LFP recording, LFP signal after stimulation artifact removal, expanded waveforms of a control burst and a stimulated burst; (b) Comparison of the average SSA between control bursts and stimulated bursts(**P < 0.01, paired t test, n=9)

为了进一步分析OHFS的刺激频率对于棘波发放的影响，实验中利用闭环刺激对于自动识别的Burst分别施加20、50、100、200、400 Hz的OHFS，持续时间均为0.3 s。如图6(a)所示，当刺激频率比较低时(20和50 Hz)，OHFS刺激不能抑制Burst中的棘波，反而会诱发更多的棘波。但是，当刺激频率增高至100 Hz以上时，刺激期间棘波的个数减少，且幅值明显减小。如图6(b)所示，受刺激Burst与其前面紧邻的对照Burst的SSA之比RSSA的统计数据显示：20和50 Hz的OHFS刺激时RSSA >1，分别为2.2±1.4(n=4)和1.6±0.4(n=5)，表明刺激使得Burst的棘波发放增强；而100、200、400 Hz刺激时RSSA <1，分别为0.29±0.12(n=9)、0.42±0.39(n=7)和0.38±0.39(n=8)，表明刺激抑制了Burst中的60%～70%棘波发放。

图6 不同脉冲刺激频率对于Burst棘波发放的影响。(a)脉冲频率为20、50、100、200、400 Hz的0.3 s时长OHFS闭环刺激的LFP信号示例，紧邻受刺激Burst前面的一个无刺激Burst作为对照。(b)不同脉冲频率下受刺激Burst与对照Burst的RSSA统计数据(One-way ANOVA，F =9，P<0.001；**P<0.01，Post hoc Bonferroni test；图中n为实验大鼠个数)Fig.6 Comparison of the effect of stimulation with different frequencies to the spike firing in bursts. (a) Examples of LFP signals with 0.3 s closed-loop stimulation of OHFS of different frequencies: 20, 50, 100, 200 and 400 Hz. The bursts immediately before stimulations were used as controls. (b) Comparison of RSSA among different stimulation frequencies (One-way ANOVA: F=9，P<0.001. **P<0.01, Bonferroni Post Hoc tests. n is the number of rats)

2.3 高频脉冲短刺激串抑制痫样发放的可能机制——去极化阻滞

笔者推测，去极化阻滞可能是高频脉冲刺激抑制Burst棘波的机制。前人的研究表明，HFS可以导致神经元的过度兴奋而使细胞膜上的离子通道失活，无法继续产生动作电位，也就是去极化阻滞[22]。利用逆向刺激可以测试神经元是否处于这种去极化阻滞状态。逆向刺激通过激活神经元的轴突纤维束，能够将兴奋反向传导至胞体，直接兴奋锥体神经元[7,23]。如果神经元处于去极化阻滞状态；那么，逆向刺激就不能诱发其产生动作电位，LFP信号中也就不出现群峰电位APS[11-12]。

如图7所示，PTX诱导的自发痫样Burst有如下特点：紧随起始的一串PS波发放之后，有一段100 ms左右的无PS时期，然后再出现大幅值PS波，直至Burst结束为止(见图7(a))。如果在Burst期间每隔0.1 s插入一个逆向刺激测试脉冲；那么，在距离Burst起始约15和115 ms时的逆向刺激不能诱发APS，而约215 ms之后的相同刺激就能够诱发APS多波，紧随其后会出现波峰向上的小尖波。(见图7(b))。这表明在Burst的起始棘波串之后，有一段时期神经元丧失了可兴奋能力，其原因可能是起始棘波的强烈发放导致了神经元的去极化阻滞。但是，这种去极化阻滞的持续时间很短(<200 ms)。之后神经元又恢复可兴奋能力。

图7 利用逆向刺激来测试Burst期间以及OHFS作用期间神经元可兴奋性的变化。(a) PTX诱发的痫样Burst；(b)在Burst期间插入逆向刺激测试脉冲；(c)在Burst期间施加100 Hz时长为0.3 s的OHFS，同时每0.1 s插入一个逆向刺激测试脉冲；(d)3个时期(无Burst时、Burst期施加OHFS时及其之后)逆向测试刺激诱发的APS幅值均值比较(One-way ANOVA，F =8.4，P<0.01；**P < 0.01，Post hoc Bonferroni test，n=4)Fig.7 Test the changes of neuronal excitability during bursts and OHFS trains by antidromic-stimulation. (a) The characteristics of PTX-induced bursts；(b) Antidromic test pulses are applied during a burst；(c) A 100 Hz OHFS train with 0.3 s duration is applied during a burst together with antidromic test pulses once per 0.1 s; (d) Comparison of APS amplitudes among three periods: normal LFP without epileptic bursts, during OHFS trains applied within bursts and after OHFS trains (One-way ANOVA: F=8.4，P<0.01；**P<0.01, Bonferroni Post Hoc tests, n=4)

在Burst期间施加OHFS时，Burst中的棘波被抑制，此时，插入逆向刺激测试脉冲，则不能诱发APS。直至OHFS结束之后，逆向刺激又可以诱发APS，且呈现为多波(见图7(c))。将无Burst时(对照)、Burst期施加OHFS时及其之后，这3个时期的逆向测试刺激诱发的APS幅值均值进行统计比较(见图7(d))。可见，OHFS抑制Burst的棘波时APS的幅值仅为(0.25±0.38)mV，显著小于对照的(6.16±2.36)mV和OHFS之后的(6.40±2.71)mV。这表明，OHFS可以促使神经元的细胞膜进入去极化阻滞状态。此外，Burst期间施加OHFS时，LFP中不再有棘波，但会出现向上的正相小尖波。这种小尖波在紧随Burst所包含的棘波发放之后也会出现(见图7中(a)和(b))，这可能是细胞膜处于去极化状态时的膜电位波动引起的。

3 讨论

本研究利用闭环刺激研究了大鼠癫痫模型中高频脉冲刺激抑制痫样棘波的效果和机制。结果表明，100 Hz以上的高频串脉冲刺激能够有效地抑制Burst中持续的棘波发放；而且，这种棘波发放的中止可能是由于神经元细胞膜发生去极化阻滞而导致的。

已有文献报道，DBS中的高频脉冲刺激串能够显著缩短脑电痫样发作的持续时间，降低发作强度；并且起效迅速，适合闭环的刺激模式[7,23]。但是，这种DBS抑制痫样发作的机制目前尚无定论。首先，常见的一种理论认为，DBS的高频刺激可以增加抑制性(特别是γ-氨基丁酸GABA能的)神经元的活动，从而增强主神经元所受到的抑制性突触的作用，由此抑制主神经元过度的动作电位发放[7-9]。其次，持续的高频脉冲刺激还可能导致突触神经递质的耗竭或者轴突的传导阻滞，从而阻止痫样棘波的传播和扩散[10-11]。最后，高频脉冲刺激还可能使神经元持续处于去极化状态，使细胞膜离子通道失活，发生去极化阻滞，从而丧失产生动作电位的能力[12]。

上述前2种机制不太可能是本研究中闭环刺激抑制痫样棘波的机制。首先，本研究采用抑制性神经递质γ-氨基丁酸(GABAA)的拮抗剂PTX在海马区建立的癫痫模型来研究刺激的作用，而且，刺激施加于所记录CA1区的传入神经纤维Schaffer侧支的轴突上。GABAA是海马区神经回路的抑制性突触的主要神经递质[17]。由于PTX已经阻止这类抑制性突触的作用，因此，此时施加的高频刺激不太可能再通过抑制性突触来发挥作用。其次，本研究使用持续时间仅为0.3 s的短促的串刺激，这么短的时间不足以导致被刺激轴突的传导阻滞。因为已有报道表明：高频刺激引起的轴突传导阻滞发生于刺激持续数秒之后；而且在高频刺激的起始1 s时间之内不仅无抑制作用，还具有明显的兴奋作用，可以诱发正常海马区产生痫样棘波[10-11,15]。实际上，我们在实验中测试过0.1 ～1 s不同时长的刺激。过于短的刺激由于作用时间太短，抑制的棘波较少；而过于长的刺激则在刺激的后期反而会诱发棘波。因此，0.3 s左右时长的短刺激效果比较好。根据这些分析，我们认为，短刺激抑制PTX诱导的棘波的机制可能是双重兴奋作用引起的去极化阻滞，具体分析如下所述。

首先，PTX的作用导致GABAA能抑制性突触功能的丧失，使得CA1区主神经元(即锥体神经元)的兴奋性增强；其次，传入通道Schaffer侧支上短促的高频刺激进一步增加CA1区锥体神经元的兴奋性。这样，过度的兴奋作用可以使神经元持续处于去极化状态，导致去极化阻滞。本研究利用逆向刺激证实了高频刺激抑制痫样棘波时，神经元已丧失产生动作电位的能力，这是去极化阻滞的证据之一；另一个证据是，当刺激频率为较低的20和50 Hz时，刺激反而增强了棘波的发放(见图6)。这可能是由于刺激脉冲之间的间歇期较长(50和20 ms)，神经元细胞膜获得了充足的复极化时间，及时摆脱了去极化状态，从而能够在后续刺激的激励下继续产生动作电位。当刺激频率高于100 Hz时，神经元可以持续保持去极化状态，从而抑制了后续动作电位的产生。

实际上，前人的实验研究和临床试验结果也表明，短刺激能够抑制癫痫活动[24-25]。但是，其中的机制尚不明了。本研究提供了一种可能的机制——去极化阻滞。事实上，针对不同的痫样发生机理，需要采用不同的DBS刺激方式和参数，才能够获得较好的作用效果。本研究的方法需要利用闭环刺激模式，在Burst的痫样发放期间施加短刺激，才能通过去极化阻滞这种机制来抑制痫样棘波的持续发展。但是，在其他非痫样发放时期，短刺激甚至可以诱发强烈的后放电(after-discharge)，反而是一种诱发癫痫的手段[24,26]。因此，了解不同DBS刺激模式的作用机制具有重要意义，可以指导临床应用。此外，本研究的短刺激模式虽然不能长时间抑制痫样的发生，但可以中止各个Burst中棘波的持续产生，可能将痫样发放的形式从发作期转变为发作间期，从而减轻癫痫的发作强度。

4 结论

本研究利用γ-氨基丁酸拮抗剂制作的大鼠癫痫模型，验证了闭环式的高频短脉冲刺激串可以抑制痫样棘波的发放，其机制可能是刺激的兴奋性激励导致神经元细胞膜发生去极化阻滞，该研究结果对于脑深部刺激在临床癫痫等疾病治疗中的应用具有重要的指导意义。

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Mechanism of Suppression of Epileptiform Burst by Closed-Loop Electrical Stimulation

Cao Jiayue Feng Zhouyan*Guo Zheshan Hu Zhenhua Hu Na

(CollegeofBiomedicalEngineeringandInstrumentationScience,KeyLabforBiomedicalEngineeringofEducationMinistry,ZhejiangUniversity,Hangzhou, 310027,China)

Deep brain stimulation (DBS) is an attractive alternative strategy to surgical excision of the seizure focuses for epilepsy treatments in clinic. However, epilepsy can be generated by various mechanisms, and this highlights a need in designing pertinent DBS patterns with customized parameters for the effective therapy. In the present study, high-frequency stimulation (HFS) pulse trains with short durations were used against the epileptic form activity induced by picrotoxin, an antagonist of GABAergic receptors, in the hippocampal CA1 region of anaesthetized rats. In a closed-loop manner, the HFS train was applied during each period of epileptic form bursts to the afferent axon tracts (i.e. the Schaffer collaterals) of CA1 region. The experiment results from 9 rats show that HFS trains with a frequency over 100 Hz and duration of 0.3 s during bursts suppressed 60-70% of the spikes in the bursts. Meanwhile, during the periods of HFS against bursts, the neurons of CA1 region failed to respond to the excitation of antidromic stimulation applied to the efferent axon tracts (i.e. the alveus), indicating that the neurons temporarily lost their ability to generate action potentials. Therefore, presumably, the mechanism of spike suppression by HFS might be a depolarization block generated within neuronal membranes. The finding of the study provides important insight into the development of novel closed-loop stimulation patterns of DBS in treating epilepsy.

deep brain stimulation; closed-loop; epilepsy; picrotoxin; depolarization block

10.3969/j.issn.0258-8021. 2016. 01.010

2015-08-21， 录用日期:2015-11-12

国家重点基础研究发展计划(973计划)(2011CB504400).

R338, R318

A

0258-8021(2016) 01-0079-09

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: fengzhouyan@139.com