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神经细胞群峰电位的自动定量分析

浙江大学学报（工学版） 2008年第9期42卷 1641-1647页

作者：光磊封洲燕浙江大学生命科学学院浙江杭州310029 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浙江杭州310027

为了实现具有多个波峰的群峰电位(population spike,PS)幅值的自动分析,设计了一种新的差分算法和海岸线算法,应用于高钾低钙环境下海马神经细胞的诱发群峰电位的计算,并与常规极值搜索法进行比较.结果显示,差分算法的结果与标准值拟合... 详细信息

为了实现具有多个波峰的群峰电位(population spike,PS)幅值的自动分析,设计了一种新的差分算法和海岸线算法,应用于高钾低钙环境下海马神经细胞的诱发群峰电位的计算,并与常规极值搜索法进行比较.结果显示,差分算法的结果与标准值拟合最好,检出的波峰个数也接近人工测量值.海岸线算法的结果与标准值也有良好的相关性.总之,新的差分算法具有精度高、特征点定位准确的优点,可以克服常规极值搜索法的一些不足之处.海岸线算法具有良好的精度,运算速度快,尤其适用于实时检测.

关键词：群峰电位自动分析差分算法海岸线算法

癫痫模型中痫样棘波自动检测的新算法及其应用

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生物医学工程学杂志 2017年第4期34卷 485-492页

作者：陈小千封洲燕郭哲杉周文杰王兆祥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

癫痫的典型特征是神经元群体产生异常同步发放,在记录的神经电信号中呈现为痫样棘波。为了定量分析癫痫发生时的痫样棘波,本文设计了一种基于窗口的检测法用于自动检测大鼠海马CA1区急性癫痫模型的棘波信号,即群峰电位(PS),并计算其特... 详细信息

癫痫的典型特征是神经元群体产生异常同步发放,在记录的神经电信号中呈现为痫样棘波。为了定量分析癫痫发生时的痫样棘波,本文设计了一种基于窗口的检测法用于自动检测大鼠海马CA1区急性癫痫模型的棘波信号,即群峰电位(PS),并计算其特征参数。实验结果表明,在钾离子通道拮抗剂4-氨基吡啶(4-AP)和γ-氨基丁酸A型受体拮抗剂印防己毒素(PTX)诱导的癫痫模型中,该算法可直接从原始宽频带记录信号中正确识别PS波。两种模型中的PS检出率分别为94.2%±1.6%(n=11)和95.9%±1.9%(n=12),且误检率分别为3.5%±2.3%(n=11)和4.8%±2.3%(n=12),远小于普通阈值法的误检率。比较4-AP和PTX模型的PS波特征,结果显示:4-AP诱导的PS波具有较宽的波形,发放较分散,发放间隔主要分布于100~700 ms范围内。而PTX诱导的PS则呈现爆发式发放,发放率较高,发放间隔主要分布于2~20 ms范围内,使得每秒PS幅值之和显著大于4-AP模型。因此,PTX模型的神经元群体同步发放活动比4-AP模型要强烈。总之,该棘波检测新算法可以正确识别和分析痫样棘波,为癫痫发生机制的研究和癫痫治疗新方法的评估提供了一种有用的数据分析工具。

关键词：癫痫模型群峰电位自动检测 4-氨基吡啶印防己毒素

电脉冲串刺激作用下神经回路兴奋性变化的研究

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电脉冲串刺激作用下神经回路兴奋性变化的研究

作者：路楚楚浙江大学

学位级别：硕士

深部脑刺激(deep brain stimulation,DBS)通常采用电脉冲的高频刺激(high-frequency stimulation,HFS)来治疗脑神经系统相关的疾病,但其作用机制尚未完全明了。正常生理状态下,脑内γ-氨基丁酸-A型(A type receptor ofγ-aminobutyric acid,GABA-A)受体介导的突触是抑制性的,对于维持脑神经系统的抑制性及正常功能是必不可少的。但是,已有研究表明,在重复的刺激激励下,GABA-A突触的抑制性可能会减弱,甚至转变为兴奋性。在DBS所采用的HFS期间,是否会产生此类抑制性突触的变化,及其对于突触后神经元兴奋性的影响还缺乏研究,尚无明确的定论。因此,本文将利用大鼠在体动物实验和数学模型的建模仿真,研究HFS初期海马CA1区神经回路中抑制性突触作用的变化。为了研究短串脉冲刺激的作用,在大鼠实验中,在海马CA1区的输入轴突Schaffer侧支上施加300 ms时长的HFS,并在刺激下游记录诱发的锥体神经元(pyramidal cell,PC)的顺向群峰电位(orthodromic population spike,OPS)和中间神经元(interneuron,IN)的单元动作电位发放。在数学模型仿真中,构建100个PC和4种IN组成的海马CA1区的神经回路模型,研究同样时长HFS期间,PC的树突、胞体和轴突始段等部位GABA-A突触的转变及其对PC活动的影响,并研究兴奋性突触在其中的作用。主要研究结果如下:(1)大鼠在体实验表明,300 ms的100 Hz HFS期间,PC群体呈现复杂的发放过程:首个刺激脉冲可以诱发大量PC同步发放动作电位,形成一个大幅值的OPS(记为OPS1);紧接的数个刺激脉冲却不能诱发OPS;直到大约第7个之后的数个脉冲又可以连续诱发OPS(记为OPS2);而后OPS又消失。在11次大鼠实验中,首个脉冲诱发的OPS1的平均幅值为9.4±2.1 m V,第7-14个脉冲诱发的OPS2所包含的OPS的平均幅值为4.5±1.2m V。刺激期间,IN高频发放,平均动作电位发放率为100±36个/秒(n=11)。(2)数学模型仿真结果与大鼠在体实验结果一致。海马CA1区的神经元对于HFS的响应如下:首个刺激脉冲可以诱发PC的群体同步发放,在胞外场电位中形成OPS(即OPS1),幅值为9.6 m V;紧接的数个脉冲没有诱发OPS;随后的第9-17个脉冲又可以重新诱发OPS(即OPS2),OPS2中的PS平均幅值为4.9 m V,之后OPS再次消失。模型中几种IN的平均动作电位发放率为139±24个/秒。(3)数学模型的仿真研究揭示了短促HFS期间神经回路和神经元变化的可能机制。1)HFS引起GABA-A突触的转变。PC顶树突处的GABA-A突触电流在首个刺激后呈现为抑制性,致使OPS1之后的OPS被抑制而消失。而后,随着HFS刺激的持续,诱发IN产生的高频发放使得PC顶树突处的GABA-A突触被频繁激活,突触后PC细胞膜外的氯离子内流并累积于突触后膜内,导致顶树突处的GABA-A突触的抑制性减弱甚至转变为兴奋性。这种转变使得PC胞体细胞膜的膜电位被抬高,兴奋性提高,此时,刺激脉冲又可以重新诱发OPS(即产生OPS2)。随后,随着PC胞体的膜电位持续去极化,钠离子(Na)通道逐渐失活,丧失产生动作电位的能力,OPS再次消失。2)PC胞体细胞膜上Na通道开放和失活的时程与PC接收的兴奋性输入的强度相关。兴奋性输入较强时,Na通道开放和失活的时间较早。这种时间上的差异可以导致各个PC兴奋性变化的差异,从而形成群峰电位幅值大小的变化,及其出现和消失时程的差异。3)兴奋性突触也同时调控PC动作电位的发放。α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸(α-amino-3-hydroxyl-5-methyl-4-isoxazole proprionat,AMPA)受体介导的突触(AMPA突触)决定HFS期间首个脉冲诱发的PC动作电位的产生,并影响后续PC动作电位产生的时间;N-甲基-D-门冬氨酸(N-methyl-D-aspartate,NMDA)受体介导的突触(NMDA突触)也影响PC后期动作电位的产生时间。本文的创新点主要有以下几点:1)在体动物实验发现PC的动作电位呈现复杂发放:动作电位产生-消失-再产生-再消失的过程。2)构建了CA1区的神经回路模型,并在该神经回路模型中添加了与GABA-A突触相关的Cl累积机制。3)发现PC胞体细胞膜上电压门控Na通道的活性随刺激脉冲而发生转变,导致PC胞体处动作电位的复杂发放。总之,本文的研究发现:短促HFS期间,PC顶树突处的GABA-A突触抑制性减弱,从而改变PC胞体的膜电位,并影响PC胞体细胞膜上Na通道的状态,进而使得PC群体呈现复杂的发放过程,OPS经历产生(OPS1)-消失-再出现(OPS2)

关键词：高频刺激锥体神经元中间神经元 γ-氨基丁酸抑制性突触氯离子累积钠离子通道失活群峰电位动作电位

随机时变高频电刺激的设计及其对大鼠海马区神经元作用的研究

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随机时变高频电刺激的设计及其对大鼠海马区神经元作用的研究

作者：杨刚生浙江大学

学位级别：硕士

深部脑刺激（deep brain stimulation,DBS）已成为治疗帕金森氏症、特发性震颤和肌张力障碍等运动障碍脑疾病的常规方法之一,并且在许多其他神经和精神疾病的治疗中也具有良好的应用前景。但是,目前常规DBS采用恒定脉冲间隔的高频刺激（... 详细信息

深部脑刺激（deep brain stimulation,DBS）已成为治疗帕金森氏症、特发性震颤和肌张力障碍等运动障碍脑疾病的常规方法之一,并且在许多其他神经和精神疾病的治疗中也具有良好的应用前景。但是,目前常规DBS采用恒定脉冲间隔的高频刺激（high-frequency stimulation,HFS）,刺激模式缺少多样化,限制了DBS的发展。刺激的时间模式,即刺激脉冲之间的时间间隔（inter-pulse-interval,IPI）,是调控刺激作用的一个重要参数。为了研究时变IPI的电脉冲刺激对于神经元及其网络的作用,本文设计了能够产生各种随机时变IPI的脉冲序列的电刺激系统,并将其应用于在体大鼠动物实验,利用海马CA1区的输入轴突Schaffer侧支上施加电脉冲所诱发的顺向群峰电位（orthodromically-evoked population spike,OPS）,研究了神经元对于不同时长的恒定频率和随机变频的HFS的响应。主要的研究内容和结果如下。（1）设计了可输出任意时变IPI脉冲序列刺激的电刺激系统利用数据采集卡和通用电刺激器构成的硬件,自行设计Lab VIEW控制软件,搭建电刺激系统。控制软件包括刺激波形生成、时变IPI脉冲序列生成、系统输出和图形用户界面（graphical user interface,GUI）等模块。该系统可以实时产生具有均匀、正态、伽马和泊松等分布的时变IPI的脉冲序列,也可以输出其他任意时变IPI的脉冲序列。而且,脉冲幅值、脉宽、双相脉冲相间延时和序列时长等参数也可实时变化。性能测试结果显示,该刺激系统的输出脉冲序列的各种参数的误差均小于1%。（2）不同刺激模式的短促HFS均可提高神经元的兴奋性分别在大鼠海马CA1区的输入轴突Schaffer侧支上施加短促5 s的恒频与随机变频的HFS,平均频率同为133 Hz。这两种刺激结束后均诱发后放电（afterdischarge,AD）现象。尽管刺激模式不同,但是诱发的AD时长、AD期间OPS的幅值和半高宽均无显著差异。且两种短促HFS结束后的短时间内,海马CA1区的局部抑制性回路均受到了影响。成对脉冲刺激的测试结果表明,相较于刺激之前基线的神经元状态,短促5 s刺激结束后,中间神经元的抑制作用下降,CA1区的主神经元——锥体神经元的兴奋性提高。（3）刺激时长对不同随机变频刺激作用效果具有不同的影响与短促的5 s刺激不同,刺激延长至3 min后,恒频HFS可以降低神经元群体发放的同步性,而随机变频HFS却可以持续产生神经元群体的同步发放。而且,对于IPI分别服从均匀、正态、伽马和泊松分布的四种随机变频刺激,在平均频率同为133 Hz的情况下,也就是输送的刺激脉冲数量相同的情况下,IPI为伽马分布的刺激诱发同步发放的作用比其他分布更强,而IPI为均匀分布的作用较弱,这表明IPI的分布对神经元的响应有着重要影响。总之,本文设计了能够实时输出各种随机变频脉冲序列的电刺激系统,在数组储存刺激波形的设计和用户界面的交互设计方面具有一定的创新性。并且,应用此刺激系统进行了大鼠在体实验,发现5 s短刺激中使用恒频或变频无显著差别,但是,3 min持续刺激期间变频与恒频对于神经元的作用却存在很大差别,这些新发现尚未见报道。本文的研究结果对开发新型DBS模式以及研究其作用机制具有重要的参考价值。

关键词：深部脑刺激电刺激系统脉冲间隔刺激模式变频刺激海马CA1区群峰电位

海马区锥体神经元轴突高频电刺激对胞体的影响

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生物化学与生物物理进展 2023年第3期50卷 561-572页

作者：徐义鹏封洲燕袁月胡一凡叶翔宇王兆祥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 之江实验室杭州311100

目的深部脑刺激(deep brain stimulation,DBS)利用持续的电脉冲高频刺激(high-frequency stimulation,HFS)调控神经元的活动,可望用于治疗更多脑疾病。为了深入了解HFS的作用机制,促进DBS的发展,本文研究轴突HFS在引起轴突阻滞期间神经... 详细信息

目的深部脑刺激(deep brain stimulation,DBS)利用持续的电脉冲高频刺激(high-frequency stimulation,HFS)调控神经元的活动,可望用于治疗更多脑疾病。为了深入了解HFS的作用机制,促进DBS的发展,本文研究轴突HFS在引起轴突阻滞期间神经元胞体的改变。方法在麻醉大鼠海马CA1区的锥体神经元轴突上施加脉冲频率为100 Hz的1 min逆向高频刺激(antidromic high-frequency stimulation,A-HFS)。为了研究胞体的响应,利用线性垂直排列的多通道微电极阵列,记录刺激位点上游CA1区锥体神经元胞体附近各结构分层上的诱发电位,包括A-HFS脉冲诱发的逆向群峰电位(antidromic population spike,APS)以及A-HFS期间施加的顺向测试脉冲诱发的顺向群峰电位(orthodromic population spike,OPS),并计算诱发电位的电流源密度(current-source density,CSD),用于分析A-HFS期间锥体神经元胞体附近动作电位的生成和传导。结果锥体神经元轴突上的A-HFS会减小胞体对于逆向和顺向兴奋的传导速度。并且,这种胞体变化的发生和恢复都比A-HFS诱导的轴突阻滞要缓慢。结论轴突上的持续高频刺激可以引起胞体产生变化,这种变化可能是胞体附近细胞膜电位改变所致。此发现有助于深入揭示脑神经系统电刺激的作用机制。

关键词：高频刺激群峰电位电流源密度锥体神经元传导速度

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大鼠海马神经元群体对于高频电刺激的响应

中国生物医学工程学报 2014年第2期31卷 186-193页

作者：封洲燕余颖曹嘉悦郭哲杉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

脑深部电刺激(DBS)在帕金森和癫痫等疾病治疗中的应用不断发展,但DBS对于神经元的作用机制尚无定论。为了研究DBS对于大脑神经网络的作用,在麻醉大鼠海马CA1区的输入和输出轴突纤维上,分别施加正向和反向高频电刺激(HFS),考察CA1区锥体... 详细信息

脑深部电刺激(DBS)在帕金森和癫痫等疾病治疗中的应用不断发展,但DBS对于神经元的作用机制尚无定论。为了研究DBS对于大脑神经网络的作用,在麻醉大鼠海马CA1区的输入和输出轴突纤维上,分别施加正向和反向高频电刺激(HFS),考察CA1区锥体神经元的同步动作电位(即群峰电位)发放情况。结果表明,50 Hz的正向HFS可以诱发持续发放的群峰电位,而100和200 Hz的正向HFS诱发的群峰电位却要少得多。在不同频率的反向HFS中,每个刺激脉冲均诱发群峰电位,但它们的幅值逐渐减小;而且,刺激频率越高,幅值减小得越快。可见,作用于轴突的HFS对于上游和下游神经元群体都具有兴奋作用,但频率越高,兴奋作用越小。这些结果,对于深入了解DBS的作用机制以及安全有效地推广其临床应用都具有重要的意义。

关键词：大脑深部电刺激高频电刺激海马群峰电位神经网络

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深部脑刺激中单相脉冲与双相脉冲的作用比较

中国生物医学工程学报 2015年第5期34卷 548-557页

作者：胡娜封洲燕郭哲杉王兆祥余颖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

深部脑刺激在帕金森和癫痫等脑部疾病治疗中的应用不断发展,它使用的电刺激波形通常为窄脉冲。但是,对于单相脉冲与双相脉冲的刺激作用之间的差别还缺乏全面的认识。为了研究不同波形脉冲对于深部脑组织的刺激作用,在麻醉大鼠海马CA1区... 详细信息

深部脑刺激在帕金森和癫痫等脑部疾病治疗中的应用不断发展,它使用的电刺激波形通常为窄脉冲。但是,对于单相脉冲与双相脉冲的刺激作用之间的差别还缺乏全面的认识。为了研究不同波形脉冲对于深部脑组织的刺激作用,在麻醉大鼠海马CA1区的输入和输出轴突纤维上,分别施加不同极性的或者不同方式的(单个或连续)单相和双相脉冲,考察CA1区神经元单细胞和神经元群体在刺激作用下的响应,以定量分析不同刺激波形的作用效果。共计18次动物实验结果如下:1)CA1区输入通道的小强度单个刺激顺向诱发单元锋电位时,以兴奋性相位为前相的双相脉冲和兴奋性单相脉冲的诱发率(分别为69.2%±10.4%和65.0%±10%)显著高于以非兴奋性相位为前相的双相脉冲和非兴奋性单相脉冲的诱发率(分别为28.8%±9.5%和34.2%±12.5%)(n=6);而且,双相脉冲的作用效果取决于前相,与无后相的单相脉冲的作用效果没有显著差别。2)CA1区输出通道的大强度单个刺激逆向诱发群峰电位时,双相脉冲的作用仍然与单相脉冲接近(n=6),由其前相主导,后相的作用较小。3)在CA1区输出通道逆向的100 Hz持续高频串刺激期间,起始0.5 s时间内单相脉冲引起群峰电位的幅值下降(54.2%±21.3%)显著高于前相与其一致的双相脉冲所引起的幅值下降(39.0%±10.2%)(n=6),说明高频串刺激时单相脉冲的作用比双相脉冲要强,但是单相脉冲可能造成神经组织的损伤。因此,长时间的高频刺激治疗应采用双相脉冲。这些研究结果对于深入了解深部脑刺激的作用机制以及安全有效地推广其临床应用都具有重要意义。

关键词：深部脑刺激脉冲相位高频刺激单元锋电位群峰电位

不同模式的脉冲高频刺激调控神经元群体活动的研究

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不同模式的脉冲高频刺激调控神经元群体活动的研究

作者：胡汉汉浙江大学

学位级别：硕士

临床上,深部脑刺激(deep brain stimulation,DBS)通过持续施加频率恒定的电脉冲高频刺激(high-frequency stimulation,HFS)治疗帕金森、癫痫、强迫症等脑神经系统疾病,并取得了不错的疗效。但是也有很多患者的症状通过这种频率恒定的HF... 详细信息

临床上,深部脑刺激(deep brain stimulation,DBS)通过持续施加频率恒定的电脉冲高频刺激(high-frequency stimulation,HFS)治疗帕金森、癫痫、强迫症等脑神经系统疾病,并取得了不错的疗效。但是也有很多患者的症状通过这种频率恒定的HFS得不到理想的疗效;而且许多其他脑疾病的治疗也亟需开发新型刺激模式。其中,改变刺激脉冲频率(即脉冲间隔)是开发新型刺激模式的一个重要方向。本文主要研究变频和恒频的高频刺激对神经元作用的差异和其中的可能机制,包括无突触参与的电刺激直接作用引起的神经元响应,以及涉及突触传递的刺激下游的突触后神经元的响应。研究结果对于开发新型DBS刺激模式具有重要意义。在成年大鼠的海马CA1区的输出轴突Alveus(逆向)和输入轴突Schaffer侧支(顺向)上分别施加不同频率模式的HFS,分析CA1区神经元群体所产生逆向群峰电位(antidromically-evoked population spike,APS)和顺向群峰电位(orthodromically-evoked population spike,OPS),考察神经元对于刺激的响应。主要研究结果有:(1)随机变频刺激的兴奋作用比恒频刺激要强在平均频率相似的情况下,对于逆向高频刺激(antidromic high-frequency stimulation,AHFS),持续的恒频AHFS只能诱发小幅值的APS,而持续的随机变频刺激可以诱发较大幅值的APS。并且,在变频和恒频切换的实验中,当恒频刺激诱发神经元稳定发放小幅值的APS之后,切换为变频刺激时仍然可以诱发大幅值的APS。在顺向高频刺激(orthodromic high-frequency stimulation,OHFS)期间,持续的变频刺激比恒频刺激诱发的OPS多,并且在恒频诱发神经元非同步发放之后,切换为变频刺激可以重新诱发神经元的同步发放,产生大幅值的OPS。这些结果表明,变频刺激具有更强的兴奋作用,可以诱发较多的神经元同步发放。(2)随机变频刺激通过重新调整神经元的激活时间来募集较多神经元同步发放在恒频与变频刺激切换的实验中发现,即使所有脉冲间隔(inter-pulse-interval,IPI)都没有超过恒频刺激,随机变频刺激仍然可以诱发出比恒频稳定期幅值大得多的APS,并且APS幅值与前导2个IPI(分别记为IPI1和IPI2)的长度有关,当IPI2越短且IPI1越长时,APS幅值就越大。较短IPI2后的脉冲几乎不能募集什么神经元发放动作电位,使得较长IPI1后的脉冲可以募集更多的神经元同步发放,从而诱发较大的APS。(3)突触传递可以放大变频刺激的兴奋作用对比顺向和逆向变频刺激期间诱发的群峰电位,可见顺向随机变频期间诱发的OPS幅值和面积都显著大于逆向变频刺激期间诱发的AP S,表明顺向变频刺激可以诱发更多的神经元同步发放。此外,功率谱分析发现,顺向变频刺激期间突触活动明显增强,这表明变频刺激诱发的兴奋在突触传递过程中发生了累积效应。这种兴奋的累积过程,降低了 OPS的发放率(多个脉冲才能诱发一个OPS),从而放大变频刺激的兴奋作用,诱发出大幅值的 OPS。总之,本文的研究发现:与恒频刺激调控神经元规律地发放不同,变频刺激通过调整神经元的激活时间,从而募集更多神经元同步发放,并且这种同步作用在突触参与的情况下更明显。这些发现为揭示变频与恒频作用效果差异的机制提供了新的思路,变频刺激更强的同步作用可能在治疗因抑制过度引起的脑神经系统疾病中具有潜在应用价值。

关键词：高频刺激变频率脉冲间隔突触传递群峰电位同步性

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电刺激期间神经细胞单元锋电位的检测

中国生物医学工程学报 2013年第4期32卷 403-410页

作者：封洲燕肖乾江胡振华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

大脑深部电刺激(DBS)已成功用于临床治疗帕金森等中枢神经系统疾病;但是DBS的作用机制尚无定论。为了考察电刺激期间神经细胞动作电位(即单元锋电位)发放的规律,本研究设计了一种插值法去除刺激伪迹和大幅值诱发波,并设定信号斜率的阈... 详细信息

大脑深部电刺激(DBS)已成功用于临床治疗帕金森等中枢神经系统疾病;但是DBS的作用机制尚无定论。为了考察电刺激期间神经细胞动作电位(即单元锋电位)发放的规律,本研究设计了一种插值法去除刺激伪迹和大幅值诱发波,并设定信号斜率的阈值来自动选定插值区的端点,尽可能缩短锋电位的不可测期(NP)。该算法用于大鼠海马CA1区正向和反向电刺激期间锋电位的分析,结果表明:它可以将紧随刺激的NP缩短约8 ms;而且与线性插值相比,样条插值对于锋电位检测的影响更小。此插值法能够有效地用于高频串刺激期间锋电位信号的检测,从而为深入研究DBS期间的神经元活动提供了一种简单实用的新方法。

关键词：大脑深部电刺激伪迹群峰电位单元锋电位