深部腦刺激的逆向激活效應(yīng)及其研究進(jìn)展

伊國勝 焦立峰 王 江 魏熙樂

(天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，天津 300072)

引言

深部腦刺激(deep brain stimulation，DBS)是一種可逆和可控的有創(chuàng)式神經(jīng)電刺激療法。DBS系統(tǒng)通常由電極、延伸導(dǎo)線和神經(jīng)刺激器組成，這三個(gè)部件均需要通過手術(shù)植入到患者體內(nèi)。電極通常被植入到丘腦或基底核內(nèi)的特定核團(tuán)，它通過延伸導(dǎo)線與植入在皮膚下面的神經(jīng)刺激器連接。神經(jīng)刺激器是一種脈沖發(fā)生器，所產(chǎn)生的電脈沖信號(hào)可以沿著延伸導(dǎo)線和電極被傳送至腦內(nèi)，進(jìn)而電刺激目標(biāo)核團(tuán)。DBS已成為治療帕金森、特發(fā)性震顫和肌張力障礙等運(yùn)動(dòng)障礙疾病的一種有效手段[1-3]。特別是在手術(shù)和藥物都失敗的情況下，DBS提供了一種可供選擇的有效治療方案。相關(guān)研究顯示，除了運(yùn)動(dòng)障礙性疾病，DBS對(duì)其他神經(jīng)精神疾病也具有抑制和改善作用，比如阿爾茲海默癥[4]、難治性抑郁癥[5]、耐藥性癲癇[6]、難治性強(qiáng)迫癥[7]、最小意識(shí)狀態(tài)[8]等。與手術(shù)和藥物療法相比，DBS具有諸多優(yōu)勢(shì)，包括對(duì)腦組織造成的損傷具有可逆性、刺激參數(shù)和模式靈活可調(diào)、刺激裝置可隨時(shí)移出人體以及能夠更加安全有效地改善震顫癥狀等[1]。此外，作為一種神經(jīng)調(diào)制技術(shù)，DBS還是目前探索神經(jīng)回路生理、結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的一個(gè)常用工具[1-2]。雖然DBS的安全性和有效性已經(jīng)得到了充分驗(yàn)證，但是它對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的精確作用機(jī)制尚不完全清楚。這一方面限制了DBS的進(jìn)一步研發(fā)、優(yōu)化及應(yīng)用，也可能導(dǎo)致刺激資源的浪費(fèi)以及電池的頻繁更換，甚至?xí)a(chǎn)生一些不合理的推論。對(duì)于作用機(jī)制認(rèn)識(shí)的不足是目前DBS科學(xué)化和規(guī)范化所面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)。

神經(jīng)精神疾病的病理差異導(dǎo)致DBS的臨床療效依賴于刺激靶點(diǎn)的選擇[1-3]。對(duì)于特定的疾病，只有正確選擇刺激靶點(diǎn)，才可能有效緩解疾病癥狀以及減少刺激誘發(fā)的不良反應(yīng)。否則，不僅不能改善癥狀，甚至可能加重病情或誘發(fā)一系列不良反應(yīng)。目前，已經(jīng)獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局(Food and Drug Administration，F(xiàn)DA)批準(zhǔn)的DBS靶點(diǎn)包括丘腦腹側(cè)中間核、底丘腦核(subthalamic nucleus，STN)和內(nèi)側(cè)蒼白球(globus pallidus internus，GPi)[1,9]。丘腦腹側(cè)中間核是緩解特發(fā)性震顫、震顫為主型帕金森和其他運(yùn)動(dòng)障礙疾病中震顫癥狀的常用靶點(diǎn)，STN是治療強(qiáng)直少動(dòng)型帕金森的常用靶點(diǎn)，而GPi是治療強(qiáng)直少動(dòng)型帕金森和肌張力障礙的常用靶點(diǎn)。此外，還有一些研究中發(fā)現(xiàn)有效但未被FDA批準(zhǔn)的DBS靶點(diǎn)，包括外側(cè)蒼白球(globus pallidus externus，GPe)、海馬、伏隔核、丘腦內(nèi)側(cè)核和丘腦前核等[1,3,9]。此外，DBS采用高頻電壓或電流脈沖刺激靶向核團(tuán)，這導(dǎo)致它的臨床療效還依賴于刺激參數(shù)的設(shè)定，包括頻率、強(qiáng)度、脈寬和波形等[1,2,10]。特別地，臨床研究發(fā)現(xiàn)大于或等于90 Hz的DBS可以有效改善運(yùn)動(dòng)障礙疾病中的震顫癥狀[11-12]，而低于60 Hz的DBS不僅不能改善癥狀，還會(huì)加重震顫[13]和運(yùn)動(dòng)遲緩[14]，甚至還可能在正常人中誘發(fā)震顫癥狀[15]。

基于DBS療效的靶點(diǎn)依賴性和頻率依賴性，一些學(xué)者采用電生理實(shí)驗(yàn)、功能影像技術(shù)和建模仿真等方法，研究上述靶向核團(tuán)在不同頻率DBS作用下的神經(jīng)電活動(dòng)。盡管相應(yīng)結(jié)果顯示DBS的有效參數(shù)和誘發(fā)響應(yīng)呈現(xiàn)強(qiáng)烈的個(gè)體依賴性，但是前期研究還是得到了一些關(guān)于DBS作用規(guī)律的認(rèn)識(shí)，具體表現(xiàn)為[16-19]：1)DBS是一種胞外電刺激，它通過在電極附近產(chǎn)生空間分布的胞外電場(chǎng)進(jìn)而刺激周圍的神經(jīng)細(xì)胞；2)DBS產(chǎn)生的胞外電場(chǎng)優(yōu)先激活電極附近的神經(jīng)纖維，包括靶細(xì)胞軸突、上游神經(jīng)元的軸突末梢和其他細(xì)胞的“路過”纖維；3)DBS產(chǎn)生的軸突放電可以進(jìn)一步引起順向激活、逆向激活和神經(jīng)遞質(zhì)釋放，進(jìn)而影響靶細(xì)胞胞體和樹突的電活動(dòng)以及上游和下游核團(tuán)的電活動(dòng)；4)DBS可以促進(jìn)或抑制靶細(xì)胞胞體放電，但通常激活軸突放電；5)DBS可以刺激電極附近的靶向核團(tuán)，也可以影響離電極較遠(yuǎn)的遠(yuǎn)端核團(tuán)，進(jìn)而在多個(gè)解剖結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生大范圍的激活或抑制；6)DBS在目標(biāo)核團(tuán)內(nèi)可能產(chǎn)生急性和慢性兩種效應(yīng)，前者通常在刺激施加后的幾秒至幾小時(shí)內(nèi)觀察到，而后者則需要幾天甚至幾個(gè)月才能觀察到；7)DBS在靶向核團(tuán)和遠(yuǎn)端核團(tuán)內(nèi)產(chǎn)生的神經(jīng)響應(yīng)呈現(xiàn)強(qiáng)烈的頻率依賴性。此外，DBS還會(huì)對(duì)微觀環(huán)境中的膠質(zhì)活動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，主要包括星形膠質(zhì)細(xì)胞和小神經(jīng)膠質(zhì)兩種[17]。

DBS對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的上述作用規(guī)律分布在多個(gè)時(shí)間和空間尺度，而規(guī)律之間又具有不一致性甚至是相互矛盾的。于是，如何理解這些規(guī)律的產(chǎn)生過程以及識(shí)別這些規(guī)律之間的內(nèi)在聯(lián)系便成了進(jìn)一步揭開DBS作用機(jī)理的一個(gè)關(guān)鍵。研究發(fā)現(xiàn)，DBS誘發(fā)的逆向激活與其產(chǎn)生的多種微觀、介觀和宏觀效應(yīng)有著密切的關(guān)系，是銜接這些效應(yīng)的一個(gè)神經(jīng)基礎(chǔ)[19-20]。特別地，逆向激活可以用來解釋DBS對(duì)靶向核團(tuán)胞體和軸突放電的促進(jìn)/抑制效應(yīng)、對(duì)腦內(nèi)多個(gè)解剖結(jié)構(gòu)的刺激效應(yīng)、對(duì)功能影像數(shù)據(jù)的調(diào)節(jié)效應(yīng)以及上述效應(yīng)對(duì)刺激頻率的依賴特性。文中首先介紹了DBS在細(xì)胞層次的基本作用規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上指出DBS對(duì)神經(jīng)元的逆向激活機(jī)制，然后詳細(xì)綜述了近年來關(guān)于逆向激活模式的研究進(jìn)展，同時(shí)討論了逆向激活對(duì)理解DBS效應(yīng)的重要意義。

1 刺激在細(xì)胞層次的基本作用規(guī)律

1.1 刺激產(chǎn)生的直接和間接效應(yīng)

DBS是一種典型的胞外刺激技術(shù)，它通過在電極附近產(chǎn)生空間分布的胞外電場(chǎng)，進(jìn)而刺激靶向核團(tuán)[21]。特別地，DBS產(chǎn)生的胞外電場(chǎng)足以激活靶向核團(tuán)進(jìn)而產(chǎn)生動(dòng)作電位[19-20,22-25]。DBS電極比神經(jīng)元本身大很多，刺激過程中電極附近會(huì)分布著來自靶細(xì)胞或其他細(xì)胞的軸突、胞體、樹突和軸突末梢等。由于引起軸突或軸突末梢產(chǎn)生動(dòng)作電位的DBS閾值低于神經(jīng)元的其他部位[26-28]，電生理實(shí)驗(yàn)[29-30]和計(jì)算模型[20,27,31-32]研究一致顯示DBS產(chǎn)生的胞外電場(chǎng)優(yōu)先激活電極附近的軸突和突觸前末梢。相應(yīng)軸突放電通過順向和逆向傳輸進(jìn)而在神經(jīng)系統(tǒng)中產(chǎn)生大范圍的激活/抑制效應(yīng)[16-19]。按照作用方式不同，可將DBS在細(xì)胞層次誘發(fā)的效應(yīng)分為直接和間接兩種。

DBS的直接效應(yīng)是指刺激產(chǎn)生的胞外電場(chǎng)通過去極化電極附近的軸突進(jìn)而產(chǎn)生動(dòng)作電位，從而誘發(fā)的一系列響應(yīng)。圖1(a)闡釋了DBS直接效應(yīng)，電極優(yōu)先激活靶細(xì)胞I的軸突，產(chǎn)生的軸突放電可以沿著兩個(gè)方向傳導(dǎo)。一個(gè)方向是從動(dòng)作電位起始位置開始沿著軸突傳導(dǎo)至軸突末梢。此為神經(jīng)細(xì)胞中電信號(hào)傳導(dǎo)的常規(guī)方向，將其稱為“順向”，而刺激在這個(gè)過程中產(chǎn)生的軸突放電被稱為“順向激活”。這些順向放電經(jīng)過突觸傳遞至下一級(jí)神經(jīng)細(xì)胞II，而細(xì)胞II可能將接收的信息繼續(xù)前向傳遞至它的下游細(xì)胞IV。另一個(gè)方向是從動(dòng)作電位起始位置開始沿著軸突朝著細(xì)胞I的胞體進(jìn)行傳導(dǎo)。由于這個(gè)傳輸方向與上述順向傳導(dǎo)的方向相反，故將其稱為“逆向”，而刺激在這個(gè)過程中產(chǎn)生的動(dòng)作電位被稱為“逆向激活”。相應(yīng)逆向放電可能與細(xì)胞固有的順向放電碰撞并阻斷其順向傳導(dǎo)，同時(shí)也可能逆向激活靶細(xì)胞的軸突起始端甚至胞體和樹突。這個(gè)過程中，逆向放電還可能遇到軸突分叉，于是相應(yīng)的逆向放電會(huì)沿著軸索側(cè)枝重新變?yōu)轫樝騻鲗?dǎo)，然后經(jīng)由突觸傳遞至軸索側(cè)枝的靶向細(xì)胞III。當(dāng)細(xì)胞III收到細(xì)胞I傳來的軸突放電時(shí)，也可能產(chǎn)生動(dòng)作電位并將其傳導(dǎo)至它的下游核團(tuán)或者重新傳導(dǎo)至細(xì)胞I。此外，電極附近還可能存在來自其它細(xì)胞的“路過”纖維，DBS在這些纖維上產(chǎn)生的軸突放電也會(huì)通過順向和逆向傳輸進(jìn)而影響相關(guān)聯(lián)的遠(yuǎn)端核團(tuán)。

圖1 DBS在細(xì)胞層次的基本作用規(guī)律。(a) 直接效應(yīng)；(b) 間接效應(yīng)Fig.1 General principles of action of DBS at cellular levels. (a) Schematic of direct effect; (b) Schematic of indirect effect

DBS的間接效應(yīng)是指刺激產(chǎn)生的胞外電場(chǎng)在激活電極附近的軸突同時(shí)還激活了靶細(xì)胞的突觸前末梢。軸突末梢的激活能夠進(jìn)一步觸發(fā)神經(jīng)遞質(zhì)釋放和產(chǎn)生突觸輸入，進(jìn)而在靶細(xì)胞上誘發(fā)經(jīng)突觸(trans-synaptic)效應(yīng)[20,31]。需要指出的是，這種經(jīng)突觸輸入的產(chǎn)生是沿著神經(jīng)細(xì)胞中信號(hào)傳導(dǎo)的常規(guī)方向進(jìn)行，所以它屬于順向。圖1(b)闡釋了DBS的間接效應(yīng)。一方面，刺激脈沖激活靶細(xì)胞I的軸突，進(jìn)而產(chǎn)生順向和逆向放電。另一方面，每個(gè)刺激脈沖施加瞬間還激活了投射到細(xì)胞I的軸突末梢，進(jìn)而觸發(fā)相應(yīng)的突觸輸入。這些同時(shí)激活的興奮性和抑制性突觸輸入通過調(diào)節(jié)細(xì)胞I的興奮性進(jìn)而影響DBS誘發(fā)的放電響應(yīng)。此外，突觸前末梢的軸突放電也可以逆向激活上游神經(jīng)元的軸突、軸突起始端甚至胞體，還可能遇到軸突分叉點(diǎn)后沿著軸索側(cè)枝重新順向傳導(dǎo)至相應(yīng)的靶向核團(tuán)。

基于上述直接和間接效應(yīng)，可以把DBS在細(xì)胞層次的作用規(guī)律總結(jié)為：1)直接激活靶細(xì)胞的軸突和突觸前神經(jīng)末梢；2)直接激活電極附近來自非靶細(xì)胞的神經(jīng)纖維；3)維持軸突的順向動(dòng)作電位；4)刺激產(chǎn)生的逆向放電可能與細(xì)胞固有順向放電碰撞，并阻斷其順向傳導(dǎo)；5)軸突放電可能逆向激活靶細(xì)胞的胞體和樹突；6)激活靶細(xì)胞的興奮性和抑制性突觸末梢，導(dǎo)致神經(jīng)遞質(zhì)釋放，以此間接調(diào)節(jié)DBS作用下靶細(xì)胞的放電響應(yīng)?？偠灾珼BS通過優(yōu)先激活電極附近的軸突或軸突末梢，進(jìn)而在靶細(xì)胞上產(chǎn)生順向激活、逆向激活和經(jīng)突觸輸入。通過順向激活，DBS可以刺激靶細(xì)胞的下游核團(tuán)；通過逆向激活，DBS可以刺激靶細(xì)胞的胞體和樹突、靶細(xì)胞的上游核團(tuán)以及軸索側(cè)枝的下游核團(tuán)；通過經(jīng)突觸輸入，DBS可以間接調(diào)控刺激在靶細(xì)胞上產(chǎn)生的放電響應(yīng)。

1.2 刺激作用的逆向激活機(jī)制

DBS在細(xì)胞層次的直接和間接效應(yīng)表明，逆向激活是其激活/抑制腦內(nèi)大范圍解剖結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要方式，其關(guān)鍵作用主要產(chǎn)生于兩個(gè)生理事實(shí)。一是激活軸突和軸突末梢的刺激閾值低于靶細(xì)胞的其他部位[26-28]，導(dǎo)致DBS優(yōu)先激活電極附近的軸突纖維和突觸前末梢進(jìn)而產(chǎn)生軸突放電，這一點(diǎn)已經(jīng)在前面作過介紹；二是投射到DBS靶向核團(tuán)的軸突結(jié)構(gòu)具有大量分枝，導(dǎo)致其側(cè)枝可以延伸至大腦的多個(gè)區(qū)域。例如，黑質(zhì)致密部到紋狀體的軸突側(cè)枝可以投射到蒼白球、STN和腳內(nèi)核[33]；由GPi傳出纖維發(fā)出的分枝可以投射到丘腦腹側(cè)核、STN以及腳橋核[34]；紋狀體到黑質(zhì)的軸突側(cè)枝可以投射到GPi和GPe核團(tuán)[35]；皮層神經(jīng)元到腦干的軸突側(cè)枝可以投射到紋狀體和STN[36]；由GPe傳出纖維發(fā)出的側(cè)枝可以投射到GPi、STN和黑質(zhì)網(wǎng)狀核(substantia nigra pars reticulata，SNr)[37]；STN到GPe的軸突側(cè)枝可以投射到GPi和SNr[38]。這些復(fù)雜的軸突分枝使得DBS可以通過逆向激活影響靶向核團(tuán)和遠(yuǎn)離電極的遠(yuǎn)端核團(tuán)，進(jìn)而刺激腦內(nèi)多個(gè)解剖結(jié)構(gòu)。為此，一些研究提出逆向激活是DBS作用的一個(gè)神經(jīng)機(jī)制[19-20,26]。

2 刺激誘發(fā)的逆向激活模式的研究進(jìn)展

為了深刻理解DBS在細(xì)胞層次的作用機(jī)制，一些研究采用電生理實(shí)驗(yàn)和神經(jīng)計(jì)算模型通過分析刺激脈沖施加后逆向放電的產(chǎn)生情況，研究了DBS在靶向核團(tuán)和遠(yuǎn)端核團(tuán)產(chǎn)生的逆向激活模式。結(jié)果顯示，DBS誘發(fā)的逆向激活與多種因素有關(guān)，包括刺激頻率、突觸輸入、刺激誘發(fā)的細(xì)胞極化、神經(jīng)元形態(tài)以及刺激產(chǎn)生的胞外鉀離子累計(jì)等。下面將分別就每個(gè)因素對(duì)逆向激活模式的影響進(jìn)行梳理和介紹。

2.1 刺激頻率對(duì)逆向激活模式的影響

一些電生理實(shí)驗(yàn)研究顯示，DBS在遠(yuǎn)端核團(tuán)產(chǎn)生的逆向激活呈現(xiàn)頻率依賴性。Iremonger等[39]發(fā)現(xiàn)皮質(zhì)下DBS在初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層產(chǎn)生的逆向放電頻率隨著刺激頻率增加而降低。類似地，Li等[40]發(fā)現(xiàn)STN DBS在運(yùn)動(dòng)皮層產(chǎn)生的逆向激活依賴于刺激頻率，低頻情況下每個(gè)DBS脈沖可以可靠地在皮層誘發(fā)一個(gè)逆向放電，而逆向激活的可靠性隨著DBS頻率增加而減小。文獻(xiàn)[20]采用基于真實(shí)形態(tài)的丘腦皮層神經(jīng)元模型系統(tǒng)地研究了DBS在靶細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的逆向激活模式，也發(fā)現(xiàn)其呈現(xiàn)頻率依賴特性。具體來說，低頻情況下每個(gè)軸突放電均可以可靠地逆向激活胞體，但是胞體逆向激活的保真度卻隨著刺激頻率增加而下降。特別地，在高頻情況下可能出現(xiàn)逆向激活阻斷的現(xiàn)象。研究還發(fā)現(xiàn)，胞體的恢復(fù)周期(recovery cycle)是導(dǎo)致逆向激活呈現(xiàn)頻率依賴性的一個(gè)生物物理機(jī)制[20]。恢復(fù)周期與動(dòng)作電位產(chǎn)生之后的后電勢(shì)(afterpotential)有關(guān)，因?yàn)楹箅妱?shì)的去極化或超級(jí)化程度可以決定細(xì)胞間室產(chǎn)生下一個(gè)動(dòng)作電位的DBS閾值[41-42]。相關(guān)研究顯示，神經(jīng)元軸突和胞體的后電勢(shì)時(shí)序特性具有明顯差異[27,43]。在所建立的丘腦皮層神經(jīng)元模型中，胞體只能產(chǎn)生超極化后電勢(shì)，通過降低胞體興奮性進(jìn)而導(dǎo)致高頻情況下逆向激活失敗[20]。

2.2 突觸輸入對(duì)逆向激活模式的影響

電生理實(shí)驗(yàn)顯示，由DBS激活的順向突觸輸入可以進(jìn)一步調(diào)節(jié)靶細(xì)胞的放電響應(yīng)。Chiken等[44]發(fā)現(xiàn)，GPe DBS激活的興奮性突觸輸入可以促進(jìn)GPe神經(jīng)元放電，而GPi DBS激活的抑制性突觸輸入可以阻礙GPi神經(jīng)元放電。Lee等[45]發(fā)現(xiàn)STN DBS激活的興奮性突觸輸入可以促進(jìn)STN神經(jīng)元放電。Xiao等[46]發(fā)現(xiàn)，丘腦DBS在靶向核團(tuán)中產(chǎn)生的放電響應(yīng)與丘腦核團(tuán)的興奮性突觸與抑制性突觸之間的相對(duì)比例有關(guān)。類似地，一些模型仿真也發(fā)現(xiàn)了順向的經(jīng)突觸輸入對(duì)靶細(xì)胞放電的影響。McIntyre等[27]發(fā)現(xiàn)，DBS產(chǎn)生的興奮性和抑制性突觸輸入能夠以頻率依賴方式改變運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的放電輸出。Johnson等[47]發(fā)現(xiàn)，刺激誘發(fā)的經(jīng)突觸輸入可以明顯抑制GPi神經(jīng)元放電。由于DBS作用下動(dòng)作電位的起始位置是軸突或軸突末梢，而在靶細(xì)胞胞體記錄的放電響應(yīng)是由逆向激活導(dǎo)致，因此上述結(jié)果提示了經(jīng)突觸輸入可能對(duì)DBS產(chǎn)生的逆向激活產(chǎn)生影響。為了進(jìn)一步明確二者之間的關(guān)系，筆者近期采用計(jì)算模型量化了丘腦皮層神經(jīng)元在DBS和突觸輸入作用下的逆向激活模式，結(jié)果顯示胞體的逆向激活依賴于細(xì)胞興奮性[20]。興奮性突觸輸入通過增加細(xì)胞興奮性進(jìn)而提高胞體逆向激活的保真度，而抑制性突觸輸入通過降低細(xì)胞興奮性進(jìn)而減小胞體逆向激活的保真度。由刺激誘發(fā)的經(jīng)突觸輸入對(duì)逆向激活的影響呈現(xiàn)頻率依賴性，低頻時(shí)影響較小，而高頻時(shí)影響明顯。近期，Anderson等[48]發(fā)現(xiàn)固有的抑制性突觸輸入可以降低五層錐體神經(jīng)元在高頻STN DBS作用下的逆向激活保真度，這個(gè)發(fā)現(xiàn)與前述筆者的研究結(jié)果一致。

2.3 細(xì)胞極化對(duì)逆向激活模式的影響

DBS是一種典型的胞外電刺激技術(shù)，在刺激電極附近產(chǎn)生空間分布的電場(chǎng)。刺激誘發(fā)的胞外電場(chǎng)通過在靶細(xì)胞產(chǎn)生空間極化效應(yīng)，進(jìn)而觸發(fā)突觸輸入和放電活動(dòng)。仿真研究發(fā)現(xiàn)，DBS在靶細(xì)胞樹突、胞體和軸突產(chǎn)生具有復(fù)雜模式的去極化和超極化響應(yīng)[20,31,32]。細(xì)胞膜的極化方向和強(qiáng)度依賴于電極位置、脈沖極性、細(xì)胞形態(tài)、分子間室的生物物理特性以及分子間室與電場(chǎng)的相對(duì)方向。筆者前期的計(jì)算模型研究顯示，DBS產(chǎn)生的空間極化也是調(diào)節(jié)胞體逆向激活的一個(gè)重要因素[20]。胞體去極化通過增加細(xì)胞興奮性進(jìn)而提高逆向激活的保真度，而胞體超極化通過降低細(xì)胞興奮性進(jìn)而減小逆向激活的保真度。這些結(jié)果提示了DBS電極位置、脈沖極性、細(xì)胞形態(tài)、細(xì)胞生物物理特性以及細(xì)胞與電極的相對(duì)方向都是影響逆向激活模式的潛在因素，在理解DBS的局部和遠(yuǎn)端效應(yīng)時(shí)需要加以考慮。

2.4 細(xì)胞形態(tài)對(duì)逆向激活模式的影響

DBS的靶細(xì)胞具有復(fù)雜的幾何形態(tài)，細(xì)胞形態(tài)不僅影響電場(chǎng)誘發(fā)的空間極化響應(yīng)和動(dòng)作電位的激活閾值，還是調(diào)節(jié)逆向激活的一個(gè)重要因素。由于神經(jīng)計(jì)算模型是刻畫細(xì)胞形態(tài)和空間極化的一種有效工具，所以目前關(guān)于形態(tài)特性對(duì)逆向激活影響的研究以模型仿真為主。Balbi等發(fā)現(xiàn)減小脊髓α運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的胞體直徑有利于胞體逆向激活[49]，而減小軸突起始端直徑可以促進(jìn)軸突起始端的逆向激活[50]。Grill等[26]發(fā)現(xiàn)DBS對(duì)軸突的逆向激活強(qiáng)烈依賴于軸突分叉點(diǎn)處郎飛氏結(jié)的幾何形態(tài)，增加軸突分叉點(diǎn)處郎飛氏結(jié)的長度或者縮短軸突分叉點(diǎn)附近的結(jié)間距離均可以促進(jìn)動(dòng)作電位的逆向激活。這些結(jié)果表明，郎飛氏結(jié)、軸突分枝、軸突起始端和胞體的幾何特性均是影響逆向激活的潛在因素，在理解DBS對(duì)靶細(xì)胞的激活/抑制效應(yīng)以及這些效應(yīng)在細(xì)胞間的差異性時(shí)需要加以考慮。

2.5 胞外鉀離子累積對(duì)逆向激活模式的影響

持續(xù)的DBS會(huì)導(dǎo)致胞外鉀離子累積[51]。相關(guān)研究顯示，鉀離子在胞外的累積會(huì)降低軸突興奮性，進(jìn)而導(dǎo)致動(dòng)作電位傳輸減慢，甚至產(chǎn)生傳輸失敗[52]。Zhou等[53]發(fā)現(xiàn)鉀離子的胞外累積極大地降低了軸突對(duì)高頻放電的順向傳導(dǎo)能力。類似地，Goldfinger等[54]發(fā)現(xiàn)鉀離子在軸突附近的累積延長了軸突分叉處的恢復(fù)周期，導(dǎo)致其不能可靠地傳導(dǎo)具有較短時(shí)間間隔的動(dòng)作電位。上述計(jì)算模型研究關(guān)注的是動(dòng)作電位的順向傳導(dǎo)。隨后，Grill等[26]采用計(jì)算模型發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鉀離子的胞外濃度與胞內(nèi)濃度比低于0.076時(shí)，支持軸突分枝進(jìn)行逆向傳輸?shù)膸缀涡螒B(tài)范圍隨著胞外鉀離子濃度增加而增大；但是，當(dāng)鉀離子的胞外濃度與胞內(nèi)濃度比高于0.077時(shí)，軸突開始出現(xiàn)逆向激活阻斷現(xiàn)象，此時(shí)的放電脈沖不能沿著軸突分枝進(jìn)行可靠的逆向傳輸。上述結(jié)果表明，刺激誘發(fā)的胞外鉀離子累積是影響逆向激活的一個(gè)潛在因素，在理解持續(xù)DBS產(chǎn)生的激活/抑制效應(yīng)時(shí)需要加以考慮。

3 逆向激活對(duì)理解刺激效應(yīng)的意義

作為DBS作用的一個(gè)重要細(xì)胞機(jī)制，逆向激活可以用來理解刺激產(chǎn)生的多種效應(yīng)，包括對(duì)靶向核團(tuán)和遠(yuǎn)端核團(tuán)的激活/抑制效應(yīng)，刺激效應(yīng)的頻率依賴性，對(duì)病理信息傳導(dǎo)的“虛擬損傷(virtual lesion)”以及相應(yīng)的功能成像數(shù)據(jù)。下面將分別介紹逆向激活與這些效應(yīng)之間的聯(lián)系。

3.1 刺激對(duì)靶向核團(tuán)的激活/抑制效應(yīng)

逆向激活可以用來理解DBS對(duì)靶向核團(tuán)的激活/抑制效應(yīng)。電生理實(shí)驗(yàn)顯示，高頻DBS可以降低被刺激核團(tuán)的放電速率[28,55-56]，提示刺激抑制了靶向核團(tuán)活動(dòng)。但是，還有一些實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)刺激靶點(diǎn)的下游核團(tuán)在DBS作用時(shí)出現(xiàn)放電頻率增加的現(xiàn)象[57-58]，提示刺激激活了目標(biāo)核團(tuán)。這些看似矛盾的結(jié)果可以通過DBS誘發(fā)的逆向激活和經(jīng)突觸輸入進(jìn)行解釋。DBS對(duì)突觸前末梢的激活可以順向觸發(fā)NMDA和AMPA等興奮性突觸輸入以及GABA能抑制性突觸輸入。大量的興奮性和抑制性輸入同時(shí)作用在靶細(xì)胞上可以提高或降低細(xì)胞興奮性，進(jìn)而對(duì)靶向核團(tuán)放電產(chǎn)生促進(jìn)或抑制效應(yīng)。相關(guān)生理實(shí)驗(yàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對(duì)突觸前末梢的激活可以解釋GPe DBS[44]、STN DBS[45]和丘腦DBS[46]在靶向細(xì)胞中誘發(fā)的興奮性響應(yīng)以及GPi DBS[44]在GPi神經(jīng)元中誘發(fā)的抑制性響應(yīng)。此外，McIntyre等[31]指出，DBS產(chǎn)生的上述矛盾結(jié)果與刺激作用下胞體放電和軸突放電之間的解耦有關(guān)。研究顯示，胞體的超極化后電勢(shì)導(dǎo)致它在高頻刺激下頻繁出現(xiàn)逆向激活失敗[20]，而這是致使胞體放電與軸突放電解耦的一個(gè)關(guān)鍵因素。

3.2 刺激對(duì)遠(yuǎn)端核團(tuán)的激活/抑制效應(yīng)

逆向激活也可以用來理解DBS對(duì)距離電極較遠(yuǎn)的神經(jīng)核團(tuán)的激活/抑制效應(yīng)。Benazzouz等[59]發(fā)現(xiàn)，STN DBS通過逆向激活GPe神經(jīng)元進(jìn)而增加GPe到GPi的傳入纖維活動(dòng)，隨后Starr等[60]發(fā)現(xiàn)STN DBS對(duì)GPe的逆向激活可以進(jìn)一步調(diào)節(jié)下游GPi神經(jīng)元的放電特性。Deniau等[61]發(fā)現(xiàn)，丘腦或上丘電刺激通過逆向激活SNr神經(jīng)元進(jìn)而在臨近的下游細(xì)胞上產(chǎn)生短暫的抑制性突觸后電勢(shì)。Maurice等[62]發(fā)現(xiàn)，STN DBS通過逆向激活SNr神經(jīng)元進(jìn)而在這些細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生刺激強(qiáng)度依賴的放電響應(yīng)。Montgomery等[63]發(fā)現(xiàn)，GPi DBS通過逆向激活丘腦核團(tuán)進(jìn)而在其腹側(cè)后核中產(chǎn)生興奮性響應(yīng)。Walker等[64]發(fā)現(xiàn)，STN DBS通過激活皮層到STN的傳入纖維進(jìn)而產(chǎn)生逆向傳導(dǎo)的軸突放電，以此在對(duì)側(cè)STN核團(tuán)中產(chǎn)生激活響應(yīng)。Degos等[65]和Li等[40]發(fā)現(xiàn)，STN DBS通過激活運(yùn)動(dòng)皮層到STN的傳入纖維，進(jìn)而以逆向激活的方式在遠(yuǎn)端運(yùn)動(dòng)皮層中產(chǎn)生放電響應(yīng)。一些電生理實(shí)驗(yàn)研究顯示，STN DBS對(duì)皮層的逆向激活可以進(jìn)一步抑制皮層β節(jié)律活動(dòng)[66]、降低皮層β頻段超同步[67]、恢復(fù)感覺運(yùn)動(dòng)皮層節(jié)律的同步特性[68]以及破壞運(yùn)動(dòng)皮層β節(jié)律相位與γ節(jié)律幅值之間的耦合特性[69]。特別地，Gradinaru等[70]發(fā)現(xiàn)，刺激對(duì)運(yùn)動(dòng)皮層的逆向激活可以有效減輕帕金森病模型鼠的癥狀。此外，STN DBS對(duì)皮層的逆向激活還可以解釋刺激在皮層產(chǎn)生的短延遲誘發(fā)電位[71]以及刺激對(duì)皮層興奮性的調(diào)節(jié)效應(yīng)[72]。

3.3 刺激效應(yīng)的頻率依賴性

逆向激活對(duì)刺激頻率的依賴性可以用來理解DBS在靶向核團(tuán)和遠(yuǎn)端核團(tuán)產(chǎn)生各種效應(yīng)的頻率依賴性。Li 等[40]采用電生理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，STN DBS可以以刺激頻率依賴的方式抑制運(yùn)動(dòng)皮層的β振蕩，進(jìn)而恢復(fù)帕金森病模型鼠的運(yùn)動(dòng)控制功能，而這種抑制能力的頻率依賴性與刺激在五層錐體神經(jīng)元中產(chǎn)生逆向放電的頻率依賴性有關(guān)。筆者采用神經(jīng)計(jì)算模型發(fā)現(xiàn)，DBS作用下丘腦神經(jīng)元樹突響應(yīng)的代謝消耗呈現(xiàn)頻率依賴性[73]。這是由于刺激產(chǎn)生的軸突放電以頻率依賴的方式逆向激活神經(jīng)元的胞體，而胞體產(chǎn)生的每個(gè)逆向放電卻可以可靠地在樹突中激活一個(gè)鈉離子放電。由于放電頻率決定了神經(jīng)電活動(dòng)消耗的三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)數(shù)目，所以DBS作用下樹突的代謝消耗呈現(xiàn)頻率依賴特性。除了上述研究，封洲燕等[74]發(fā)現(xiàn)，大鼠海馬神經(jīng)元群體對(duì)DBS的響應(yīng)呈現(xiàn)頻率依賴性；Grill教授和他的合作團(tuán)隊(duì)采用神經(jīng)計(jì)算模型發(fā)現(xiàn)，DBS誘發(fā)的細(xì)胞和核團(tuán)響應(yīng)也呈現(xiàn)強(qiáng)烈的頻率依賴性，包括調(diào)節(jié)靶細(xì)胞的放電規(guī)則性[75-76]、解耦軸突放電和胞體放電[31]以及抑制“皮層-基底核-下丘腦”回路的低頻振蕩活動(dòng)[77]等。這些結(jié)果的產(chǎn)生都與逆向激活的頻率依賴性密切相關(guān)[19-20,22]。

3.4 刺激對(duì)病理信息傳導(dǎo)的“虛擬損傷”

2004年Grill等[76]發(fā)現(xiàn)，DBS通過規(guī)則化神經(jīng)元放電輸出進(jìn)而遮蔽細(xì)胞固有的異常簇放電模式，他們將DBS產(chǎn)生的這種信息內(nèi)容缺失稱為“信息損傷(informational lesion)”。Grill等[26,76]指出，DBS遮蔽固有放電活動(dòng)的一個(gè)可能方式是刺激產(chǎn)生的軸突放電在逆向傳導(dǎo)過程中通過與胞體或軸突起始端傳來的順向放電碰撞進(jìn)而阻斷其傳播。筆者在文獻(xiàn)[20]中也驗(yàn)證了這個(gè)假設(shè)，結(jié)果顯示高頻DBS在小腦到丘腦的傳入纖維上產(chǎn)生相同頻率的軸突放電，這些高頻放電在逆向傳導(dǎo)過程中與小腦的固有簇放電產(chǎn)生碰撞阻斷，進(jìn)而有效遮蔽相應(yīng)的簇模式信息。此外，電生理記錄表明小腦到丘腦皮層通路上的簇放電活動(dòng)是特發(fā)性震顫的產(chǎn)生根源[78]，而丘腦DBS是治療特發(fā)性震顫的一種有效方法。特別地，只有將電極放置在小腦投射到下丘腦的傳出纖維附近，DBS對(duì)震顫的抑制效果才最好[79-80]。這也與DBS誘發(fā)的逆向激活密切相關(guān)，是因?yàn)槟嫦蚣せ町a(chǎn)生的信息損傷有效地阻斷了病理活動(dòng)在“基底核-下丘腦-皮層”回路中的傳播，進(jìn)而改善疾病癥狀[20,26]。

3.5 相關(guān)功能影像研究

功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)可記錄DBS作用下的大腦活動(dòng)?；趂MRI技術(shù)，Jech等[81]發(fā)現(xiàn)STN DBS可以激活同側(cè)蒼白球、同側(cè)和對(duì)側(cè)下丘腦、黑質(zhì)、上丘、前額葉皮層、運(yùn)動(dòng)前區(qū)皮層和對(duì)側(cè)尾狀核等多個(gè)腦區(qū)；Kahan等[82]發(fā)現(xiàn)，STN DBS通過改變皮層和下丘腦對(duì)外部傳入的敏感性，進(jìn)而調(diào)節(jié)兩個(gè)腦區(qū)之間的有效連接；Zhao等[83]發(fā)現(xiàn)，STN DBS能夠可靠地在“基底核—丘腦皮層”網(wǎng)絡(luò)中引起B(yǎng)OLD響應(yīng)，他們指出，DBS對(duì)相關(guān)運(yùn)動(dòng)通路和非運(yùn)動(dòng)通路的調(diào)節(jié)可能與逆向傳輸和順向傳輸有關(guān)。

正電子發(fā)射斷層成像(positron emission tomography，PET)也可記錄DBS作用下的大腦活動(dòng)?；赑ET成像方法，Grafton等[84]發(fā)現(xiàn)，STN DBS抑制了運(yùn)動(dòng)輔助區(qū)、初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層和基底神經(jīng)節(jié)等核團(tuán)的異?；顒?dòng)；Trost等[85]發(fā)現(xiàn)，STN DBS減少了小腦、中腦、腦橋、中央前回和運(yùn)動(dòng)輔助區(qū)的代謝消耗，但是卻增加了額內(nèi)側(cè)回和釋義頂葉聯(lián)合皮層的代謝消耗；Asanuma等[86]發(fā)現(xiàn)，STN DBS降低了蒼白球、感覺運(yùn)動(dòng)皮層和小腦蚯部的代謝活動(dòng)，卻增加了楔前葉的代謝活動(dòng)。

上述這些功能影像分析表明，DBS在刺激靶向核團(tuán)的同時(shí)又對(duì)遠(yuǎn)端核團(tuán)的代謝和血流活動(dòng)進(jìn)行了調(diào)節(jié)。由于逆向激活是DBS激活/抑制腦內(nèi)大范圍核團(tuán)活動(dòng)的一個(gè)重要神經(jīng)機(jī)制，所以可用以理解上述的fMRI和PET數(shù)據(jù)。特別地，fMRI研究表明丘腦DBS誘發(fā)的BOLD響應(yīng)依賴于刺激頻率[87-88]，而PET研究也顯示STN DBS對(duì)帕金森患者運(yùn)動(dòng)皮層局部腦血流的抑制效應(yīng)呈現(xiàn)頻率依賴性[89]。由于fMRI和PET是兩種基于細(xì)胞新陳代謝機(jī)制的功能影像技術(shù)，而神經(jīng)電活動(dòng)的能量消耗又與局部腦區(qū)血液動(dòng)力變化密切相關(guān)[90-91]，所以逆向激活的頻率依賴性可以用來進(jìn)一步理解這些功能成像數(shù)據(jù)對(duì)刺激頻率的依賴性。

4 結(jié)語與展望

雖然DBS的有效性已經(jīng)在臨床研究、電生理實(shí)驗(yàn)和計(jì)算模型中得到證實(shí)，但是相關(guān)疾病發(fā)病根源的不確定性和DBS作用機(jī)理的不明晰性使得這項(xiàng)神經(jīng)調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用與推廣仍然面臨很多挑戰(zhàn)。例如，如何選擇有效的刺激靶點(diǎn)，如何設(shè)定最優(yōu)的刺激參數(shù)，如何解決疾病發(fā)病病理的特異性與DBS效果的個(gè)體差異性等。大腦的復(fù)雜結(jié)構(gòu)連接、神經(jīng)核團(tuán)獨(dú)特的生物物理特性以及DBS的胞外刺激方式使得逆向激活成為DBS作用的一個(gè)重要細(xì)胞機(jī)制。前期研究主要采用電生理實(shí)驗(yàn)和模型仿真相結(jié)合方法確定DBS在靶向核團(tuán)和遠(yuǎn)端核團(tuán)產(chǎn)生的逆向激活模式。相應(yīng)結(jié)果顯示，逆向激活在細(xì)胞間呈現(xiàn)個(gè)體差異性而在靶細(xì)胞內(nèi)部呈現(xiàn)位置依賴性，具體受刺激參數(shù)、突觸輸入、神經(jīng)生理、神經(jīng)結(jié)構(gòu)等多方面因素影響。逆向激活的上述特異性與DBS在靶向核團(tuán)和遠(yuǎn)端核團(tuán)產(chǎn)生的多種效應(yīng)有關(guān)。這些細(xì)胞層次的機(jī)理性解釋有助于打開DBS作用過程的這個(gè)“黑箱”，使其逐漸變?yōu)橐粋€(gè)具有“可解釋性”的刺激技術(shù)，進(jìn)而有利于DBS的科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化。

目前關(guān)于DBS誘發(fā)的逆向激活研究已經(jīng)取得了重要進(jìn)展，為從細(xì)胞層次深刻理解DBS的作用過程提供了重要見解，但是仍然存在一些問題有待于進(jìn)一步研究。

1)目前關(guān)于逆向激活模式的研究大都采用一個(gè)固定的神經(jīng)元模型展開，并且主要集中在丘腦皮層細(xì)胞、脊髓α運(yùn)動(dòng)細(xì)胞和錐體細(xì)胞。但是，逆向激活可以發(fā)生在運(yùn)動(dòng)皮層[39,40,92]、GPe[59]、GPi[93]、STN[94]等多個(gè)核團(tuán)。這些核團(tuán)之間，神經(jīng)元的形態(tài)、離子通道和突觸分布具有極大差異。即使在特定核團(tuán)內(nèi)，神經(jīng)細(xì)胞的生理和結(jié)構(gòu)也不是完全相同的。未來需要結(jié)合生理數(shù)據(jù)和神經(jīng)計(jì)算模型進(jìn)一步明確DBS在各類靶細(xì)胞中誘發(fā)的逆向激活模式。

2)前期研究發(fā)現(xiàn)動(dòng)作電位的逆向傳輸與快速鈉離子電導(dǎo)有關(guān)[50]，但是去極化和超極化電流如何相互作用進(jìn)而塑造靶細(xì)胞的逆向激活模式目前尚不完全清楚。所以，未來需要識(shí)別調(diào)控逆向激活模式的離子電流機(jī)制。此外，進(jìn)一步明確各類靶細(xì)胞中胞外鉀離子濃度與逆向激活模式之間的關(guān)系對(duì)于理解DBS作用機(jī)制也是十分必要的。

3)前期研究采用了簡(jiǎn)化的神經(jīng)元模型分析了逆向激活模式與軸突形態(tài)的關(guān)系[26]。但是，目標(biāo)核團(tuán)中軸突的真實(shí)形態(tài)與分枝十分復(fù)雜，同時(shí)在細(xì)胞間和細(xì)胞內(nèi)呈現(xiàn)極大差異性。所以，明確放電在真實(shí)軸突分枝中的逆向傳導(dǎo)模式對(duì)于理解DBS對(duì)靶細(xì)胞的逆向激活效應(yīng)十分重要。

4)前期關(guān)于DBS的建模思路大都是將一個(gè)點(diǎn)源電極放置在各向同性的均勻介質(zhì)中[20]。但是，靶細(xì)胞的周圍介質(zhì)實(shí)際卻是高度各向異性的，導(dǎo)致刺激產(chǎn)生的真實(shí)極化模式與仿真研究有很大差別。所以，對(duì)于DBS作用下空間極化、離子動(dòng)態(tài)與逆向激活之間關(guān)系的認(rèn)識(shí)還亟待深入。

5)目前尚缺乏關(guān)于靶細(xì)胞突觸輸入的詳細(xì)電生理數(shù)據(jù)，包括突觸數(shù)目和位置以及突觸電導(dǎo)的強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)等，導(dǎo)致前期的研究中突觸輸入不能完全復(fù)現(xiàn)真實(shí)情況。未來需要基于突觸輸入的實(shí)際電生理數(shù)據(jù)更加深入地刻畫它們對(duì)逆向激活模式的影響規(guī)律，同時(shí)還需要識(shí)別上述規(guī)律在靶向核團(tuán)和遠(yuǎn)端核團(tuán)內(nèi)的特異性。此外，持續(xù)DBS會(huì)影響突觸可塑性甚至導(dǎo)致突觸損耗或疲勞[17-19,95]，識(shí)別這些效應(yīng)與逆向激活之間的關(guān)系對(duì)于理解DBS的作用機(jī)制十分關(guān)鍵，關(guān)于這方面的研究值得期待。