文摘
脑深部电刺激(DBS)治疗已成为一个越来越多的神经和精神疾病,尤其是对therapy-refractory帕金森病(PD)。然而,并不是所有的PD足够改善所有患者的症状,并可能发生的副作用。进一步进展取决于一个更深的洞察的作用机制DBS的上下文中扰乱了大脑回路。为此,需要发展新的动物模型进行了优化。我们审查不仅在电极/组织界面电荷转移机制和策略来增加刺激的节能而且电化学、电生理、生化和功能DBS的影响。我们介绍hemi-Parkinsonian鼠模型长期的慢性实验仪器的老鼠携带背包刺激器和植入/铂铱电极。这个模型适用于(1)阐明电极/组织界面的电化学过程,(2)分析的分子,细胞和行为刺激的影响,(3)测试新目标区域DBS,(4)筛查潜在的神经保护DBS效果,和(5)改善方法的有效性和安全性。进一步发展的前景给出实验DBS,包括使用转基因动物和闭环系统的测试直接随需应变应用程序电刺激。
1。介绍
1.1。历史
的一个行之有效的治疗干预神经和精神疾病,尤其是在后期阶段,是神经元结构的高频电刺激在大脑的深度,被大会“脑深部刺激(DBS)”。这种方法已经开发了从不同的实验和临床调查和技术创新: 立体定向手术 烧蚀与组织切除脑部手术,热凝固术或冷冻创口, 便携式和植入式心脏起搏器。
第一个实验与立体定向干预大脑可以追溯到1920年代,当赫斯在苏黎世stereotactically中电极植入深度自由移动的猫。在1940年代,明镜等人在费城第一stereotactical执行操作在人类的大脑1]。烧蚀脑外科手术的先锋Moniz和库法理。都是所谓psychosurgeons谁试图治疗精神疾病,主要由切割或精神分裂症,破坏某些大脑区域。他们的方法经历了跌宕起伏的高潮是随后在1930年代过时的前额叶白质切除术。然而,丘脑切开术、pallidotomy叶切除术,脊髓索切开术,dentatomy,和其他烧蚀操作也应用于治疗运动障碍,痛苦,和癫痫。例如,在1950年代,哈斯勒et al。2)执行超过300例立体定向手术患者的运动障碍,如手足徐动症、扭力肌张力障碍、震颤、和PD。他们应用不同皮层下的凝固,主要pallidal和丘脑,结构,包括急性电刺激与不同的脉冲形状和频率,以确保电极头的确切位置。因此,他们找到了一个明确的目标和频率依赖性刺激的影响震颤、运动机能亢进,刚性。例如,刺激的内在螺旋体10 Hz频率增加了地震,但刺激达到25 Hz减少地震的频率。随着手术技术的提高和引进植入式脉冲发生器(美敦力公司,明尼阿波利斯,美国在1950年代,烧蚀手术成为慢性电刺激治疗,和星展银行诞生了。里程碑在中央疾病治疗中的应用试验的治疗: 疼痛和癫痫Bechtereva等人在列宁格勒(3), 斜颈spasmodicus Mundinger在弗莱堡(4), 运动障碍的齐格弗里德等人在苏黎世(5), 特发性震颤和PD Benabid等人在格勒诺布尔6]。
尽管迅速增加DBS在临床实践中的应用,它的作用机理仍然知之甚少。技术改进和参数优化主要依赖经验试错的策略。然而,电刺激的神经元受到DBS行为根据一般的兴奋性,也就是说,根据一个指数强度时间关系(7]。两个主要参数描述这种关系。这些参数被Lapicque促进100年前首次定义的比较兴奋性(激发阈值)之间不同的对象8]。参数是“基强度”和“时值”,这是刺激的强度时间曲线坐标。在神经元中,基强度的最小电流振幅几乎无限的时间,触发一个动作电位,而时值代表电刺激的最短持续时间有振幅等于激发所需要的最小幅度的两倍。因此,基强度是当前需要申请一半时值的持续时间。
1.2。目前的临床应用
神经精神疾病治疗DBS的谱,定期或在临床研究中,迅速扩大了(审查,请参阅[9- - - - - -13])。然而,只有以下4迹象被FDA批准用于治疗DBS / CE认证: 特发性震颤的刺激ventrointermediate (VIM)丘脑核14), PD的刺激丘脑核(STN)或苍白球内肌(GPi),一个地区,类似于entopeduncular核(EP)的老鼠15), 肌张力障碍与刺激GPi的斜颈spasmodicus和广义肌张力障碍16), 难治性强迫症(OCD)的刺激内囊前肢体(17]。
批准的适应症DBS的扩展,需要做到以下几点: 为特定的适应症,定义新的目标区域 优化电极和刺激参数为特定目标区域。
很大程度上未解决的问题关于临床DBS的确切机制的行动方法和指南最佳刺激电极和最佳参数的选择。总体目标是获得最大的治疗效果用最少的副作用和能源。这需要基本定义和可再生的条件下研究重复获取组织样本在附近的电极头,只能实现在动物模型系统。因为PD出现世界范围内最常见的退行性运动障碍,实验调查关注这种疾病的动物模型18]。这些模型通常建立于啮齿动物。
1.3。动物模型
动物模型的研究致病的机制和人类运动障碍和精神疾病的新疗法,如强迫症,历来引起的神经毒素,选择性地作用于神经元受到人类疾病。最常见的有毒的例子模型研究DBS如下: hemi-PD-like障碍颅内注射诱导大鼠或小鼠的单边6-hydroxy-dopamine (6-OHDA) [19在灵长类动物中注射或颈动脉MPTP药物注射20.), PD-like障碍引起的静脉注射1-methyl-4-phenyl-1, 2, 3, 6-tetrahydropyridine小鼠注射(MPTP药物)或灵长类动物21,22), 基本tremor-like疾病的腹腔内注射monoaminooxidase(毛)——抑制剂,微量,老鼠23,24), 一种OCD-like疾病引起的皮下注射quinpirole在老鼠25- - - - - -29日]。
本文侧重于优化策略使用6-OHDA-induced DBS hemi-Parkinsonism模型大鼠;这个动物模型有几个优点。 多巴胺能神经元的神经毒素6-OHDA施加高选择性,由活性氧破坏机制在黑质致密部(SNc)后直接注入毒素进入这个结构或逆行运输后注射多巴胺能预测在内侧前脑束(地铁消防队)或纹状体(尾状核(CPu)鼠)SNc的躯体。因此,中央人类帕金森病的病理生理特点,有选择性的纹状体的多巴胺能神经支配,是复制导致类似肌和步态异常出现在PD患者(30.- - - - - -33]。 这个模型是应用最广泛的PD研究范式和极其特征分子生物学、组织学和功能水平。它允许直接比较的数据与全世界大多数实验PD的研究。 DBS的治疗效果在PD的核心症状,如刚度、运动功能减退、震颤、姿势不稳定,和认知障碍,可以很容易地使用广泛的监控行为测试,可以分析单一和复杂的运动和认知功能通过调查各种行为包括以下: 药物引起的旋转, 在跑步机上加速旋转, 梯踏步走, 梁的平衡, 姿势平衡, 不对称的肢体使用透明缸, 步进运动, 单侧性的反应在一个走廊的任务测试中, 自由探究的运动在一个开放的领域,径向迷宫,和水迷宫, vibrissae-elicited前肢放置, 用爪子或颗粒抓住楼梯, 关注和冲动5-choice连环反应时间记录仪。
的细节6-OHDA-induced hemi-Parkinsonism模型和其他有关PD动物模型,参见[34]。
动物研究和创建一个最优实验设计与DBS避免不必要的动物实验,计算仿真和建模具有巨大的潜力。在网上计算允许DBS的影响参数的预测变化电场特性和提高精度,电化学过程的后果在电极之间的界面和周围神经组织和神经细胞的电活动。
2。电场效应的数值分析
理解DBS的影响,它的机制可以解决的问题在细胞水平上通过问什么实际上是被刺激或抑制结构,轴突或细胞体。这个问题已经被讨论时DBS首先被应用于临床[35]。然而,只有长在患者的首次成功应用DBS后这个问题成为了一个数值分析的主题使用有限元建模(36,37]。电场效应的数值分析旨在描述在DBS电极刺激神经元的分布根据不均匀的电流密度和磁场分布在刺激了大脑组织。诱导跨膜电位,另外,所谓的“激活函数”,被认为是神经刺激的主要决定因素(38,39]。的分布参数的正确描述要求调用非均匀和各向异性的影响脑组织属性(40,41]。各向异性和非均在结构层面介绍了离子电导率和介电常数在大脑组织模式。它可以假设膜结构以不同的方式影响这些属性。虽然离子电流将主要流动平行于膜飞机,位移(电容)电流可能流垂直桥膜因为我们采取具有地域特点的工作这些薄层的电容。然而,电容膜连接可能会发挥重要作用只在DBS脉冲的高频成分10 kHz以上(42]。出于这个原因,似乎合理的考虑各向异性属性只对离子电流。因为这些属性很难获得,全球水的各向异性扩散的大脑数据从核磁共振测量是用来描述大脑组织的各向异性41]。然而,大脑的刺激信号的频率相关传播组织在细胞水平上不容易描述。这样的模型需要的正确描述细胞几何图形和存在与一个更简单的组织结构,如皮肤(43]。电极的电化学性质,细胞膜,细胞质结构和间质媒体形式过滤器改变频率的振幅和频率谱刺激组织根据电极的距离。这些属性和各向异性属性通常不被认为是在细胞水平,主要是因为不同的细胞的大小和DBS电极。然而,一个主要挑战人类的刺激条件下转变成动物模型是由大小不同。影响大小的最大适用的电压(或电流)膜poration和组织损伤仍避免(44,45]。在下面的讨论中,这个限制DBS参数的主要关系到电极尺寸、介质电导率,细胞常数,和当地的刺激电极的形状。
两平方的立方细胞在电极,电阻,R,由欧姆定律给出当电极效应被忽视 在哪里U,我,d,E,我通过细胞的电压,电流通过电池,电极距离和区域(),电流密度/ m2,分别。(请注意,被忽视的矢量特性参数为简单起见)。阻力也可以表达的细胞几何和特定的电导率, 与立方细胞的细胞常数,即几何因素有关特定介质电导率电极阻抗,。虽然派生了一个立方体,它可以很容易地推广到任何细胞几何当介质各向异性和电极过程是被忽视的39]。结合(1)和(2),我们得到的一般关系场强和电流密度均匀介质 在下面的讨论中,一个球形电极悬浮在均匀介质的电导率σ将被考虑。该模型正确地描述了电极尺寸对细胞的影响不变,的相互关系,应用电压、电极电流,电极表面的电场强度、电流密度和这些参数的分布在周围介质。设置的阻力有两个同心球形电极的距离(图1) 在哪里和计数器的半径,内电极,分别。这个模型的两种极限情况与可比半径两个电极,电极的区域导致(比较(2)) 和一个反电极在一个无限的距离。我们获得 的细胞常数球形电极。这种情况与单极刺激反电极是位于刺激器的情况。
应用欧姆定律(6),表示电极电流通过电极表面的电流密度和使用(3)导致 电极表面的电场强度,我们得到: 表达通过在电极表面电流密度,我们获得(3)。磁场强度的距离从电极 方程(8)表明,不仅应用于电极电压或电流还其表面曲率决定中磁场强度。假设场强,细胞大小和方向确定引起跨膜电位,这是一个可能的神经刺激的因素,(8)和(9)意味着大量的结论。(我)引起跨膜电位高于大约1 V,这被认为导致膜poration和细胞损伤,特别是在可能出现小的电极。(2)神经组织附近的电极的弯曲度高,也就是说,冲电极边缘,等等,特别容易受到电动细胞损伤。(3)假设redox-like过程在电极表面生成一个恒压(过电压,参见[42electrode-medium接口),所需的电压部分克服超电势增加较小的电极。这使得较小的电极更容易受到电极加工的精度,也就是说,电极尺寸,金属的钻头等。假设神经元受到刺激,引起跨膜电位范围从5到500 mV,线性依赖诱导跨膜电位的磁场强度(44,45]表明达到10个进入组织。(iv)分析非均匀电流密度分布的电极表面允许定位可能的热点的金属腐蚀和侵蚀的绝缘部分。
数值计算电动电位、电场和电流密度在DBS电极可以执行维度和电气性能的考虑电极周围组织。图2显示了一个示意图额的老鼠的大脑切片,DBS电极放置在STN的地方。
单极电极DBS的简化数值模型在这个大脑切片在图中进行了描述3。它的主要几何性质老鼠头如图2。图3(一)指定的维度模型的数值计算与COMSOL基础。我们高密度/低电导率之间的分化组织,也就是说,骨头的头骨,硬脑膜和蛛网膜和低密度/高导电性组织和体液,也就是说,软脑膜,灰色和白色,和脑脊液,有不同的电特性。由于缺乏大鼠组织的介电性能的数据,各自的属性人体组织被认为在130赫兹的频率在COMSOL仿真。矩形DBS刺激脉冲可以通过傅里叶级数与建模的基本频率130赫兹。因为信号的傅里叶系数减少频率高于3千赫,表1包含值130 Hz, 1 kHz, 3千赫([42];值供参考:http://niremf.ifac.cnr.it/tissprop/htmlclie/htmlclie.htm atsftag)。图3(b)显示了计算中使用的电极电位分布在刺激大鼠模型(见图8)大脑模型1 V的输入电压。
图3(b)表明,潜在的迅速下降电极附近的小费。请注意,有可能在大脑和骨骼之间的接口是不可见的决议。图4显示了计算电势的分布,电场和电流密度在一个圆柱形单极DBS电极头。
(一)
(b)
(c)
图5介绍了模拟圆柱之间的潜在分布的比较单极电极(半径:100μm;参见图8根据图)和球形单极电极1反电极的无限的距离。的高一致性分析和数值结果和繁殖潜力分布圆柱电极的距离仅为400μm,球形电极的中心必须定位在圆柱体的基础及其半径必须调整~86.6μm。提出了解析解的比较表明,一个单极球形电极可用于估计领域和潜在的刺激电极周围分布。
数值分析变得非常复杂,他们现在两电极的有限元模型和周围介质与电缆有髓鞘的轴突的模型来预测激活组织的体积作为刺激的函数参数设置和电极设计46]。数值模拟和实验的结合产生的电压分布特性DBS在大脑中提供信息的质量模型对生成的电压分布的时空特点DBS电极(47]。通过增加模型的复杂性从静电,同质,和各向同性模型,明确了electrode-electrolyte接口的电压降和电容,电极组织封装,diffusion-tensor-based 3 d-tissue各向异性和不均匀性(见部分3),它已被证明,简单模型大大高估了空间的神经激活程度(48]。
3所示。电化学在星展银行的背景下考虑
电极过程固有的应用通过金属电极电场时接触到一个electrolyte-containing脑组织等介质。Electrochemists一直处理电极和电极过程的属性在19世纪开始(49]。全面概述了课本,例如,检查者[50和阿特金斯51]。应慎重考虑电极材料的选择和刺激参数DBS的实验动物模型。如上所述,简单的降尺度电极设计用于人类动物大脑的大小是不可能的。大多数组织完整性的后期分析报告没有发现组织损伤的迹象后连续DBS在患者中的应用(52- - - - - -54]。然而,一个新的报告显示组织学改变电极植入和电刺激引起的(55]。
相比之下,模型大鼠实验性DBS经常伴随着组织损伤,特别是在长期刺激(56]。这可能是为什么许多研究在老鼠DBS局限于短期的刺激。然而,最近的一项研究表明,组织损伤也可能发生在短期刺激(57]。
这些对比发现在动物和病人可能有各种各样的潜在原因,如小电极大小和钝边(高曲率),这都导致高磁场强度附近的电极和更高的局部电流密度导致当地电极反应更强烈。电极反应和更少的惰性电极材料的使用,例如,nonnoble金属,导致潜在的有毒产品,包括变性蛋白质,气体溶解金属离子和侵蚀绝缘材料的产品。由于电化学反应界面的能量耗散刺激电极周围的组织是不可避免的(42]。组织损伤的程度是由电极材料决定的。Nonnoble金属,如不锈钢、铁离子存入组织(57]。金属离子的一个潜在来源蛋白质变性和新抗原决定因素的形成导致免疫反应(58]。铁尤其以其细胞毒性(59]。有机化合物的降解和演化的气体,如氢和氯,nonphysiological过程,改变细胞外液的性质。这些变化导致神经元损伤(60]。
有很多参数,应用时必须考虑电场在活组织。一个问题是,没有理想的非极化电极,即电极的第二种,可以用实验或临床刺激条件下(42,51,61年]。极化率是过电压的原因。形状,应用信号的傅里叶分量的振幅,决定了过电压消散在电极过程(见下文)。尽管电极对人类使用在恒压模式下驱动,恒流刺激与平顶领域通常是用于动物模型(图6)。在恒流模式下,电极是由电压驱动的功能,纠正了能量耗散的电极过程(62年]。效率是一个非常重要的参数影响刺激周围组织电极的阻抗。这种阻抗改变电极植入后不久,随着时间的推移。一个电绝缘胶质鞘周围形成刺激电极的病人(52,63年和在实验室的动物64年]。这个鞘是负责电极阻抗的增加DBS手术后(65年,66年]。有限元模型已经确定了周围的封装层的厚度和电导率电极接触和大部分组织的电导率介质改变电极阻抗的主要因素,发现减少约50%的体积使用典型的DBS设置激活组织(67年]。然而,一项研究报告的时间减少阻抗DBS手术后(68年]。最近,神经胶质细胞培养系统已经发展到模型的阻抗变化后电极植入(69年]。由于电极阻抗高频率的依赖,刺激参数的变化导致的傅里叶变化内容可能导致刺激效率的变化(42,61年]。
矩形的刺激脉冲在图6,因为它是用于动物,由其基本频率和谐波频率更高,也就是说,它的傅里叶内容(42]。因此,如果我们假设一个光滑函数的频率依赖性对谐波阻抗,低振幅的信号,每个频率的阻抗可以从欧姆定律计算应用于电压和电流的值。因此,它应该可以计算有效电极阻抗电压和电流有效值的脉冲信号,包含一个傅里叶谱的频率。然而,即使对于一个谐波信号阻抗取决于信号振幅在每个给定的频率。此外,电荷载子从电子电流电极金属的离子电流中会导致非线性电流电压关系和一代的谐波频率(70年]。这些复杂的电极性能通常包括固定相描述元素(CPE;参见[42])。
模型来描述这种非线性包括氧化还原过程需要一定的电荷载体转换和电化学反应的活化能,在“超电势进行了概括。一个额外的问题源自于这样一个事实:当前非线性传递函数在给定的频率和电极的网站(例如,具有一定曲率)将受到当前引起另一个谐波和直流偏置;是,这些电流可能导致所需的活化能的电荷载子转换频率。
原则上,这些相互关系必须占在计算最优模型,旨在刺激参数为病人量身定做个体化治疗。虽然大的形势并不像复杂电极用于人类,避免生硬的边缘和方法是welladvanced [48),只有非常少的信息在所有必要的参数在动物模型的DBS非线性电极属性(见上图)扮演更重要的角色。
4所示。实验DBS对神经元活动的影响
最初,星展银行被视为功能相似的消融,因为手术切除的临床效果,抑制或抑制刺激核。网站的一些神经抑制机制,从星展银行被认为是更偏远。首先,发生直接影响结果的现场应用神经膜去极化和超极化,导致地区的每个神经过程(71年,72年]。,DBS诱发体细胞变化电压门控电流一致阻止神经输出电极去极化(块)。特别是,持久Na+电流()完全阻塞,Ca2 +介导反应强烈减少,表明T - l型钙2 +目前的萧条,而hyperpolarization-activated阳离子电流()不受影响73年]。然而,星展银行可以直接超极化局部神经元胞体和树突(37,72年)或间接,考虑到实验震颤麻痹(细胞外K +含量升高74年),这可能会干扰正常的活动,产生异常活动神经网络(75年]。第二,DBS可能引起间接影响轴突通过激活终端与神经元突触连接附近的刺激电极(突触抑制)。实验和模拟结果表明,传入输入在细胞外刺激激活低阈值(76年- - - - - -80年]。鉴于抑制性突触前的大优势终端在STN和谷歌,释放他们在本地能降低神经活动(81年]。的确,在活的有机体内(79年,82年- - - - - -86年),在体外(73年,87年- - - - - -89年)神经录音在刺激核显示活动期间和/或之后DBS下降。相比之下,这一发现是由微电极记录没有证实最近在人类STN刺激时通过一个实际的DBS macroelectrode [90年]。第三,在系统层面上,刺激的传出输出神经元的突触传递可能会失败由于发射机损耗,导致突触抑郁或功能性deafferentiation [91年,92年]。
然而,证据积累的激活(激发)DBS-stimulated核与后续传播在整个网络。当使用计算机算法去除刺激工件,DBS STN的灵长类动物增加GPi在刺激的活动(93年]。反过来,这可能导致病理活动在整个网络的调制(94年]。记录从传出目标核提供最相关的神经DBS的影响的数据。与上述研究,在活的有机体内录音中传出核表明刺激核的输出增加了星展银行(95年- - - - - -97年]。这是可能的,尽管体细胞抑制因为动作电位的起始细胞外刺激发生在轴突(72年,98年]。一般来说,阴极去极化刺激产生膜在电极附近的地区和膜超极化去极化的地区,该地区。Ranvier的头几个节点通常由刺激脉冲,因为去极化的节间的短轴突间距相比DBS电极产生的磁场的空间分布(37]。还有早期神经生理学证据表明这种现象的发生(99年- - - - - -101年]。第二效应细胞外刺激支持轴突的活动的分离和胞体在星展银行的激活transsynaptic输入关闭周边地区的soma(见上图)。特别是,因为DBS-induced动作电位开始发生在轴突,传出的输出神经元阈上的直接激活的应用领域相对transsynaptic抑制的影响,和大多数的当地细胞内部0.2毫米的电极刺激会生成传出输出频率使用治疗刺激参数时(37]。这种“驱动”的轴突活动取代自发的内在燃烧体内诱导模式(102年]。星展银行,作为细胞外刺激,有望激活子集的传入和传出的轴突,导致逆行的碰撞进行自发的峰值和峰值顺行的,唤起目标神经元突触的响应峰值。这种相互作用的细胞基础反,顺行的峰值是未知的,但这种机制可能会收敛的STN轴突在STN神经元自发发射初始段开始(103年]。此外,神经元阈下直接激发将表现出抑制其内在射击模式受电极刺激诱发transsynaptic输入。
它仍然是一个有争议的问题关于DBS是治疗有效的影响和如何DBS减轻电机的症状。至少有三种可行的假设。首先,病理GPi活动抑制(见上图)。第二,STN和GPi DBS诱发GPi活动的规律(96年在病理上嘈杂的GPi),从而减少错误信息信号和随机共振异常93年]。星展银行可能调整基底神经节的病理突触活动输出结构(104年)除了增加纤维的燃烧率预测的刺激(37,95年,96年,105年]。这正规化GPi活动可能减少丘脑的错误率(代孕帕金森症状)106年和增加丘脑神经元的忠诚107年]。这种观点是实验支持的微小变化GPi发射率相比,变化规律和破裂活动以应对DBS [96年,104年,108年]。第三,DBS活动引发共振放大信号的信息在基底ganglia-thalamus-cortex系统所必需的正常运动。事实上,有多个振子在这个系统在许多不同的频率,虽然主要或平均频率大约是130 pps (109年],DBS共鸣正常固有振子(110年]。基底神经节的局部场电位振荡11-30-Hz范围antikinetic [7,111年- - - - - -113年];减少STN振荡在这个频率范围与临床改善(114年,115年],DBS在这个频率范围内恶化电动机性能(116年,117年]。振荡在70赫兹的范围被认为是prokinetic因为他们迷失在帕金森症(7,113年,118年)由左旋多巴治疗和恢复(116年,117年]。
5。生化和功能DBS效果
实验DBS对神经元活动的影响也体现在神经递质释放的变化。Microdialysis研究表明增加纹状体多巴胺(DA)版本,激活纹状体DA的新陈代谢,激活纹状体酪氨酸羟化酶(TH))活动(119年- - - - - -122年]。此外,一个增强谷氨酸释放在老鼠entopeduncular核(EP),大鼠模拟人类GPi在STN刺激,表明了活动期间STN的刺激(105年,123年)和增加GABA释放pallidal起源的信噪比(124年论证)。这些发现符合电生理学和理论数据表明一个激发的轴突(见部分4)。描述影响可以解释DBS的立竿见影的效果,比如减轻地震的刺激下丘脑的VIM核。然而,他们不能轻易解释延迟的影响,如减少刚度几秒至几分钟,几小时或几天后运动功能减退的减轻,STN DBS对地震的影响在几秒内天或GPi DBS在肌张力障碍的影响推迟数天到数周不等的。同时,可以观察到延滞效应。例如,运动功能减退返回停止DBS后缓慢。这些临床观察表明,电刺激转化为网络重组或基因表达水平的影响。
基因表达研究表明,STN DBS可能扭转6-OHDA lesion-induced表达增加谷氨酸脱羧酶(GAD) 67信使rna在EP和黑质pars试(信噪比)125年]。迦得催化的合成γ-氨基丁酸(GABA)。
应该小心当DBS研究执行在健康动物因为帕金森获得的数据可能不如那些老鼠。在微阵列的一项研究中,mrna突触囊泡蛋白2 b (Sv2b)和ubiquitin-conjugating酶E2B调节了DBS在健康老鼠但DBS表达下调的损伤大鼠(126年]。Sv2b参与突触囊泡胞外分泌和因此,神经递质释放(127年]。E2B在DNA修复过程中发挥作用(128年[]和神经突需要结果129年]。STN DBS,表现为2 h健康老鼠,诱导增加纹状体TH活动没有TH基因表达的变化取决于TH活动试验和rt - pcr分析(122年]。相比之下,微阵列分析结合实时PCR和免疫组织化学显示upregulation TH基因表达,但不是TH-positive神经元或TH-positive纤维密度,STN DBS在6-OHDA-lesioned老鼠(126年]。显然,DBS效应是改变这种不平衡的基底神经节网络6-OHDA病变引起的。
我们还发现了一个以上的差别DBS-induced对这些钙/ calmodulin-dependent蛋白质kinase-type花絮(CaMKIIa)和Homer1在6-OHDA损伤大鼠126年]。两个基因参与谷氨酸神经传递(130年- - - - - -132年]。此外,我们发现一个upregulation胰岛素样生长因子2 (IGF2)和胰岛素样生长因子结合蛋白2 (IGFBP2)(126年]。因为这些分子发挥作用在产后小鼠海马的神经发生133年可以推测,他们upregulation DBS后可以表明重组基底神经节的电路。一种直接的表达量例如,早期基因c量”丛书,被发现在mRNA水平(125年)与c量”丛书也是由L量二羟基苯丙氨酸在多巴胺治疗量去神经的狨猴(134年)和免疫组织化学(135年STN DBS后)。免疫组织化学研究表明upregulation c量安全系数c量小君,Krox量24不仅在STN还在STN的投影区域(135年]。
功能的研究,然而,需要动物清醒和自由移动。由于上述方法论的问题,后者的研究。Darbaky et al。56]证明了电机的改进,但不是认知,功能与STN DBS 6-OHDA损伤大鼠使用铂电极连接到一个刺激通过旋转发电机。其他的研究也发现逆转limb-use不对称和改善跑步机运动在STN-DBS 6-OHDA损伤大鼠(136年,137年]。仪表freelymoving动物的发展,如植入microstimulation系统[64年)或随身携带的刺激器(描述,见图7),承诺更多的数据功能的改进。使用一个植入式microstimulation系统,Harnack et al。138年)演示了一个保存的多巴胺能神经元nigral 6-OHDA鼠模型与进步使用慢性STN-DBS震颤麻痹。
(一)
(b)
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脑源性神经营养因子的作用的结果表明了慢性(d) 14日DBS自由移动的6-OHDA老鼠,显示SNc神经元的保护,主张有益功能的影响DBS在PD的早期阶段139年]。
6。实验DBS的优化策略
星展银行旨在优化实现最优电耦合没有神经细胞损伤调整不同的神经和精神疾病的治疗目标,找到最有效的定义最佳刺激参数的具体目标。这种多元测试需要长期在活的有机体内实验动物模型(a)系统DBS效应在不同刺激条件的调查;(b)记录运动和认知功能,和(c)分析电极环境对神经组织的细胞和分子水平。此类研究的先决条件是建立一个与慢性疾病模型检测自由移动的动物。这一战略将有利于临床治疗疗效最高和最低的副作用。
6.1。慢性仪表的自由移动的动物
实现对运动障碍动物模型的研究不仅需要足够的测试本身,它还允许动物来表达他们的自然运动行为不拆除他们推动运动和不改变他们的例程。在过去,外部刺激器约束的动物,因为连接电缆由旋转运动很容易扭曲。同时,大型设备固定在动物受限制的运动。因此,这些实验强烈限制时间。到目前为止,三个基本实验设计允许长期实验。首先,房地产开放的笼子里的老鼠和连接电缆直接透过敞开的笼前动物允许大多数旋转运动虽然不能解决的问题在任何情况下(139年,140年]。另外,动物被关在笼子里张开上衣让管和电缆连接到一个旋转(141年]。旋转为电缆提供了额外的自由度,也可以设置为读动物的旋转。第二个选项,是最有前途的长期动物实验,是植入刺激器。这需要一个较低的小型仪器重量的电池寿命更短。刺激参数可以调整以外的动物64年]。第三种选择,动物永久携带整个插装在背包(图7)。这允许设备相比明显增大和更好的可植入式装置。电池也可以兑换再刺激。总之,这个选项的优点结合选项1和2,因为手术干预是更广泛的比植入整个设备和动物可以移动没有约束。这个改进的自由移动的动物模型适用于测量经典药物引起的旋转,因为问题的控制电缆和管扭转不出现。
6.2。电极材料和刺激参数
DBS在啮齿动物需要电极比人类更薄,但它必须足够稳定穿透组织没有弯曲,以确保正确的电极位置。除了电化学问题引起的这些维度(见部分3)稳定是一个问题限制使用铂/铱电极用于测试不同的电极头的形状或多极同心排列的电极。然而,其次是组织损伤发生在使用不锈钢腐蚀电极(见部分3)。记住,刺激参数可以改变在许多不同的方面,如电极极性、电流幅值、脉冲宽度和频率,和有关标准算法中常用的一种有效的DBS的人类,我们可以考虑的比较测试几个简单的电极设计实验DBS。设计意味着一个单极与反电极阴极DBS-pulse皮下安全、简单的当前应用程序就像常见的设置与美敦力公司设备用于人类治疗的反电极是植入式脉冲发生器(IPG)情况。这样制成的电极铂/铱是描绘在图8。选择设置由双极电极,可以设计两种不同的方式: 一个带有两个同心的同心双极电极接触表面,或; 两个独立,单极电极合并在一起在一个特定区域的距离。
单极刺激生成一个近球形场分布,而双极电极集中领域产生更大的影响在两个电极之间的空间,尤其是靠近电极提示和边缘。在这两种情况下,可以精确地调整振幅小间隔类比美敦力公司设备。高振幅,分布式领域增加和电极的距离会影响结构,允许更多的神经元素刺激。STN的在星展银行的情况下,这可能主要关注带incerta和黑质。新设计的电极包括扇形或现货电极外侧导演领域驱动的单极或双极模式。这样high-perimeter电极可能增加电极表面电流密度的变化,减少电力消耗轴突的刺激,减少更换耗尽刺激器的成本和风险142年]。
由于逆指数函数描述脉冲宽度的相互依存和振幅反射参数基强度和时值(见部分1这些历史项目的解释),很明显,高电流振幅(即。,field strength) the pulse width may be lowered nonetheless exciting the surrounding structures of the electrode sufficiently. To protect the treated subject from severe side effects, the stimulation amplitude has to be set as high as needed to reach the most benefit but as low as possible not to exceed the threshold that causes damage by electrochemical reactions and the unintentional excitation of nontarget structures. Chronaxies for DBS effects have been estimated to be around 65 丘脑的年代,75左右年代pallidal刺激(143年]。在STN DBS,脉冲宽度似乎轻微影响临床症状的改善。然而,更高的脉冲宽度可以成功地用于pallidal刺激或刺激丘脑结构,如VIM核。
虽然疗效的DBS的频率主要发现在一系列高于100赫兹,这个参数也调整为特定领域和途径。例如,刺激PPN要求较低的刺激20 - 60赫兹的频率(144年- - - - - -150年]。因为动物模型应该尽可能模拟临床情况,我们通常使用的人类标准130 Hz hemi-Parkinsonian STN刺激的大鼠作为妥协功耗与临床疗效之间,关于这个参数作为次要的策略来优化DBS。
6.3。闭环系统
未来的一个主要挑战DBS技术的改进是所谓的闭环系统中反馈调制的实现涉及内置传感功能。他们第一次意识到治疗癫痫的脑电图记录的利用交付DBS没收集中控制。为此,最初nonimplantable床边系统已经使用,同时替换的植入式自动设备,如神经反应(RNS)导致系统(美国NeuroPace山景,CA) (151年- - - - - -154年]。
进一步进展的结果改进协议旨在刺激失步振荡病理神经活动(155年]。他们需要脉冲发电机能够同时记录生理参数和提供适应刺激。基本上,三种不同的方法与公认的治疗影响了失步刺激: 协调重置刺激, 非线性延迟反馈刺激, 多点协调延迟反馈刺激(155年]。
这些方法将最终导致DBS的优化技术在临床实践。
6.4。小说目标区域和适应症
神经精神疾病的扩展频谱检测DBS的公认的治疗效果需要一个高灵活性的刺激参数。工作也为了寻找合适的目标区域。然而,大多数这些努力采用试错法策略。特殊利益、认知障碍的临床问题和晚期帕金森病可能会缓解DBS修改频率和PPN的目标。例如,提高工作记忆受损的低频(25 Hz)刺激PPN [176年]。在严重的晚期PD步态姿势不稳定和冻结,双重刺激PPN 25 Hz和STN的60赫兹显示更高的协同效应而STN-DBS或独自PPN-DBS [177年]。PPN也针对减少跌倒(148年和反应时间在PD运动任务149年]。慢性低频刺激(25 Hz)的恢复功能连通性(PPN已被证明150年]。有趣的是,星展银行的修改,使用的脊柱脊髓作为目标,使功能恢复在慢性双边6-OHDA-lesioned PD大鼠(178年,179年]。然而,这不能证实在PD患者的初步临床研究180年]。应用DBS的中枢medianum-parafascicularis (Cm-Pf)复杂,处于植物人状态的患者是有争议的,因为患者反应差如果[181年,182年]。调查的潜在候选人DBS之外已经批准用于临床DBS的运动障碍,如PD(见部分1。2),表中给出了2。值得注意的是,调查绝不声称完整性。然而,未来的研究可能会适当减少目标地区的DBS多样化的迹象。因此,优化关于适当的任何迹象都将实现的目标。
6.5。转基因的疾病模型
缺点有毒动物模型中描述的部分1。3在遗传背景差异(健康的动物和基因易感病人)发病的机制,即模型只能部分反映人类疾病的发病机制和治疗反应。在这种情况下,转基因技术有几个优点。它提供了一个潜在的无限数量的动物缺乏或过表达基因已经被确认为pathogenetically相关风险基因在人类身上。例如,通过引入突变的候选基因,转基因模型生成的以下几点: PD与α-核蛋白(PARK1基因)183年), 亨廷顿氏舞蹈症与杭丁顿蛋白(http基因)[184年), 肌张力障碍与torsinA (DYT1基因)185年]。
优势也的可能性的探索的某些细节使用靶向动物DBS的作用机制。例如,腺苷A1受体突变小鼠(敲除小鼠或null)导致的说明腺苷的作用抑制特发性震颤的星展银行(24]。
7所示。结论和展望
尽管新领域的发展前途,转基因动物技术,传统的6-OHDA hemi-PD鼠模型仍然是适合的调查实验DBS的各个方面,如电化学过程的分析界面和电极/组织的分子和细胞刺激电极周围的组织的变化。优化,新的电极材料和修改表层结构调查结合电场计算模拟和数值计算。同时,新的目标区域检测DBS对电动机的影响和认知功能评估特定行为测试。的最终目的是改善DBS在临床实践的有效性和安全性。未来的研究将关注以下问题等: 优化脉冲波形(f-content)减少副作用(如电极反应和细胞损伤)的系统, 技术进步与小,充电和sensor-containing DBS设备,使当前的转向和闭环刺激(154年), 失调的病理(振荡激发态155年), 光纤和optogenetic技术选择的刺激神经元的数量(186年), 转基因和灵长类动物模型的运动障碍的作用机制的进一步说明DBS和更精确的瞄准特定细胞类型的星展银行(187年), 一个个性化的DBS疗法和药物的组合, 创新如microstimulation通过脑机接口(188年)和电子芯片植入物(NeuroNexus技术,安阿伯市,美国),正在测试在人类疾病的动物模型。
这些调查不仅可以更深入洞察DBS机制也提供重要的治疗对患者神经精神疾病,特别是在诸如帕金森病运动障碍(18]。
确认
这项研究是由德国研究基金会(DFG-Graduiertenkolleg 1505/1)。k . k . Sriperumbudur是由联邦教育部的资助教育和研究(BMBF;FKZ 01 ez0911)。m .诊疗与COMSOL承认帮忙计算。作者感谢博士r·阿恩特(德国柏林洪堡大学)构建便携式刺激器。公司POLYFIL AG(瑞士楚格州)承认提供定制的刺激电极。