伊國勝 焦立峰 王 江 魏熙樂

(天津大學電氣自動化與信息工程學院，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、延伸導線和神經(jīng)刺激器組成，這三個部件均需要通過手術植入到患者體內(nèi)。電極通常被植入到丘腦或基底核內(nèi)的特定核團，它通過延伸導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)生的電脈沖信號可以沿著延伸導線和電極被傳送至腦內(nèi)，進而電刺激目標核團。DBS已成為治療帕金森、特發(fā)性震顫和肌張力障礙等運動障礙疾病的一種有效手段[1-3]。特別是在手術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。相關研究顯示，除了運動障礙性疾病，DBS對其他神經(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]、難治性強迫癥[7]、最小意識狀態(tài)[8]等。與手術和藥物療法相比，DBS具有諸多優(yōu)勢，包括對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，DBS還是目前探索神經(jīng)回路生理、結構與功能關系的一個常用工具[1-2]。雖然DBS的安全性和有效性已經(jīng)得到了充分驗證，但是它對神經(jīng)系統(tǒng)的精確作用機制尚不完全清楚。這一方面限制了DBS的進一步研發(fā)、優(yōu)化及應用，也可能導致刺激資源的浪費以及電池的頻繁更換，甚至會產(chǎn)生一些不合理的推論。對于作用機制認識的不足是目前DBS科學化和規(guī)范化所面臨的一個主要挑戰(zhàn)。

神經(jīng)精神疾病的病理差異導致DBS的臨床療效依賴于刺激靶點的選擇[1-3]。對于特定的疾病，只有正確選擇刺激靶點，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。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。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)批準的DBS靶點包括丘腦腹側中間核、底丘腦核(subthalamic nucleus，STN)和內(nèi)側蒼白球(globus pallidus internus，GPi)[1,9]。丘腦腹側中間核是緩解特發(fā)性震顫、震顫為主型帕金森和其他運動障礙疾病中震顫癥狀的常用靶點，STN是治療強直少動型帕金森的常用靶點，而GPi是治療強直少動型帕金森和肌張力障礙的常用靶點。此外，還有一些研究中發(fā)現(xiàn)有效但未被FDA批準的DBS靶點，包括外側蒼白球(globus pallidus externus，GPe)、海馬、伏隔核、丘腦內(nèi)側核和丘腦前核等[1,3,9]。此外，DBS采用高頻電壓或電流脈沖刺激靶向核團，這導致它的臨床療效還依賴于刺激參數(shù)的設定，包括頻率、強度、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可以有效改善運動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，還會加重震顫[13]和運動遲緩[14]，甚至還可能在正常人中誘發(fā)震顫癥狀[15]。

基于DBS療效的靶點依賴性和頻率依賴性，一些學者采用電生理實驗、功能影像技術和建模仿真等方法，研究上述靶向核團在不同頻率DBS作用下的神經(jīng)電活動。盡管相應結果顯示DBS的有效參數(shù)和誘發(fā)響應呈現(xiàn)強烈的個體依賴性，但是前期研究還是得到了一些關于DBS作用規(guī)律的認識，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進而刺激周圍的神經(jīng)細胞；2)DBS產(chǎn)生的胞外電場優(yōu)先激活電極附近的神經(jīng)纖維，包括靶細胞軸突、上游神經(jīng)元的軸突末梢和其他細胞的“路過”纖維；3)DBS產(chǎn)生的軸突放電可以進一步引起順向激活、逆向激活和神經(jīng)遞質(zhì)釋放，進而影響靶細胞胞體和樹突的電活動以及上游和下游核團的電活動；4)DBS可以促進或抑制靶細胞胞體放電，但通常激活軸突放電；5)DBS可以刺激電極附近的靶向核團，也可以影響離電極較遠的遠端核團，進而在多個解剖結構上產(chǎn)生大范圍的激活或抑制；6)DBS在目標核團內(nèi)可能產(chǎn)生急性和慢性兩種效應，前者通常在刺激施加后的幾秒至幾小時內(nèi)觀察到，而后者則需要幾天甚至幾個月才能觀察到；7)DBS在靶向核團和遠端核團內(nèi)產(chǎn)生的神經(jīng)響應呈現(xiàn)強烈的頻率依賴性。此外，DBS還會對微觀環(huán)境中的膠質(zhì)活動進行調(diào)節(jié)，主要包括星形膠質(zhì)細胞和小神經(jīng)膠質(zhì)兩種[17]。

DBS對神經(jīng)系統(tǒng)的上述作用規(guī)律分布在多個時間和空間尺度，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)生過程以及識別這些規(guī)律之間的內(nèi)在聯(lián)系便成了進一步揭開DBS作用機理的一個關鍵。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、介觀和宏觀效應有著密切的關系，是銜接這些效應的一個神經(jīng)基礎[19-20]。特別地，逆向激活可以用來解釋DBS對靶向核團胞體和軸突放電的促進/抑制效應、對腦內(nèi)多個解剖結構的刺激效應、對功能影像數(shù)據(jù)的調(diào)節(jié)效應以及上述效應對刺激頻率的依賴特性。文中首先介紹了DBS在細胞層次的基本作用規(guī)律，并在此基礎上指出DBS對神經(jīng)元的逆向激活機制，然后詳細綜述了近年來關于逆向激活模式的研究進展，同時討論了逆向激活對理解DBS效應的重要意義。

1 刺激在細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

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

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

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

DBS的間接效應是指刺激產(chǎn)生的胞外電場在激活電極附近的軸突同時還激活了靶細胞的突觸前末梢。軸突末梢的激活能夠進一步觸發(fā)神經(jīng)遞質(zhì)釋放和產(chǎn)生突觸輸入，進而在靶細胞上誘發(fā)經(jīng)突觸(trans-synaptic)效應[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)細胞中信號傳導的常規(guī)方向進行，所以它屬于順向。圖1(b)闡釋了DBS的間接效應。一方面，刺激脈沖激活靶細胞I的軸突，進而產(chǎn)生順向和逆向放電。另一方面，每個刺激脈沖施加瞬間還激活了投射到細胞I的軸突末梢，進而觸發(fā)相應的突觸輸入。這些同時激活的興奮性和抑制性突觸輸入通過調(diào)節(jié)細胞I的興奮性進而影響DBS誘發(fā)的放電響應。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后沿著軸索側枝重新順向傳導至相應的靶向核團。

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

1.2 刺激作用的逆向激活機制

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

2 刺激誘發(fā)的逆向激活模式的研究進展

為了深刻理解DBS在細胞層次的作用機制，一些研究采用電生理實驗和神經(jīng)計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在靶向核團和遠端核團產(chǎn)生的逆向激活模式。結果顯示，DBS誘發(fā)的逆向激活與多種因素有關，包括刺激頻率、突觸輸入、刺激誘發(fā)的細胞極化、神經(jīng)元形態(tài)以及刺激產(chǎn)生的胞外鉀離子累計等。下面將分別就每個因素對逆向激活模式的影響進行梳理和介紹。

2.1 刺激頻率對逆向激活模式的影響

一些電生理實驗研究顯示，DBS在遠端核團產(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在初級運動皮層產(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在運動皮層產(chǎn)生的逆向激活依賴于刺激頻率，低頻情況下每個DBS脈沖可以可靠地在皮層誘發(fā)一個逆向放電，而逆向激活的可靠性隨著DBS頻率增加而減小。文獻[20]采用基于真實形態(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)，胞體的恢復周期(recovery cycle)是導致逆向激活呈現(xiàn)頻率依賴性的一個生物物理機制[20]?；謴椭芷谂c動作電位產(chǎn)生之后的后電勢(afterpotential)有關，因為后電勢的去極化或超級化程度可以決定細胞間室產(chǎn)生下一個動作電位的DBS閾值[41-42]。相關研究顯示，神經(jīng)元軸突和胞體的后電勢時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，通過降低胞體興奮性進而導致高頻情況下逆向激活失敗[20]。

2.2 突觸輸入對逆向激活模式的影響

電生理實驗顯示，由DBS激活的順向突觸輸入可以進一步調(diào)節(jié)靶細胞的放電響應。Chiken等[44]發(fā)現(xiàn)，GPe DBS激活的興奮性突觸輸入可以促進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STN神經(jīng)元放電。Xiao等[46]發(fā)現(xiàn)，丘腦DBS在靶向核團中產(chǎn)生的放電響應與丘腦核團的興奮性突觸與抑制性突觸之間的相對比例有關。類似地，一些模型仿真也發(fā)現(xiàn)了順向的經(jīng)突觸輸入對靶細胞放電的影響。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動神經(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作用下動作電位的起始位置是軸突或軸突末梢，而在靶細胞胞體記錄的放電響應是由逆向激活導致，因此上述結果提示了經(jīng)突觸輸入可能對DBS產(chǎn)生的逆向激活產(chǎn)生影響。為了進一步明確二者之間的關系，筆者近期采用計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，結果顯示胞體的逆向激活依賴于細胞興奮性[20]。興奮性突觸輸入通過增加細胞興奮性進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胞興奮性進而減小胞體逆向激活的保真度。由刺激誘發(fā)的經(jīng)突觸輸入對逆向激活的影響呈現(xiàn)頻率依賴性，低頻時影響較小，而高頻時影響明顯。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，這個發(fā)現(xiàn)與前述筆者的研究結果一致。

2.3 細胞極化對逆向激活模式的影響

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

2.4 細胞形態(tài)對逆向激活模式的影響

DBS的靶細胞具有復雜的幾何形態(tài)，細胞形態(tài)不僅影響電場誘發(fā)的空間極化響應和動作電位的激活閾值，還是調(diào)節(jié)逆向激活的一個重要因素。由于神經(jīng)計算模型是刻畫細胞形態(tài)和空間極化的一種有效工具，所以目前關于形態(tài)特性對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運動神經(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軸突起始端的逆向激活[50]。Grill等[26]發(fā)現(xiàn)DBS對軸突的逆向激活強烈依賴于軸突分叉點處郎飛氏結的幾何形態(tài)，增加軸突分叉點處郎飛氏結的長度或者縮短軸突分叉點附近的結間距離均可以促進動作電位的逆向激活。這些結果表明，郎飛氏結、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對靶細胞的激活/抑制效應以及這些效應在細胞間的差異性時需要加以考慮。

2.5 胞外鉀離子累積對逆向激活模式的影響

持續(xù)的DBS會導致胞外鉀離子累積[51]。相關研究顯示，鉀離子在胞外的累積會降低軸突興奮性，進而導致動作電位傳輸減慢，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高頻放電的順向傳導能力。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周期，導致其不能可靠地傳導具有較短時間間隔的動作電位。上述計算模型研究關注的是動作電位的順向傳導。隨后，Grill等[26]采用計算模型發(fā)現(xiàn)，當鉀離子的胞外濃度與胞內(nèi)濃度比低于0.076時，支持軸突分枝進行逆向傳輸?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，當鉀離子的胞外濃度與胞內(nèi)濃度比高于0.077時，軸突開始出現(xiàn)逆向激活阻斷現(xiàn)象，此時的放電脈沖不能沿著軸突分枝進行可靠的逆向傳輸。上述結果表明，刺激誘發(fā)的胞外鉀離子累積是影響逆向激活的一個潛在因素，在理解持續(xù)DBS產(chǎn)生的激活/抑制效應時需要加以考慮。

3 逆向激活對理解刺激效應的意義

作為DBS作用的一個重要細胞機制，逆向激活可以用來理解刺激產(chǎn)生的多種效應，包括對靶向核團和遠端核團的激活/抑制效應，刺激效應的頻率依賴性，對病理信息傳導的“虛擬損傷(virtual lesion)”以及相應的功能成像數(shù)據(jù)。下面將分別介紹逆向激活與這些效應之間的聯(lián)系。

3.1 刺激對靶向核團的激活/抑制效應

逆向激活可以用來理解DBS對靶向核團的激活/抑制效應。電生理實驗顯示，高頻DBS可以降低被刺激核團的放電速率[28,55-56]，提示刺激抑制了靶向核團活動。但是，還有一些實驗發(fā)現(xiàn)刺激靶點的下游核團在DBS作用時出現(xiàn)放電頻率增加的現(xiàn)象[57-58]，提示刺激激活了目標核團。這些看似矛盾的結果可以通過DBS誘發(fā)的逆向激活和經(jīng)突觸輸入進行解釋。DBS對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作用在靶細胞上可以提高或降低細胞興奮性，進而對靶向核團放電產(chǎn)生促進或抑制效應。相關生理實驗已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對突觸前末梢的激活可以解釋GPe DBS[44]、STN DBS[45]和丘腦DBS[46]在靶向細胞中誘發(fā)的興奮性響應以及GPi DBS[44]在GPi神經(jīng)元中誘發(fā)的抑制性響應。此外，McIntyre等[31]指出，DBS產(chǎn)生的上述矛盾結果與刺激作用下胞體放電和軸突放電之間的解耦有關。研究顯示，胞體的超極化后電勢導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關鍵因素。

3.2 刺激對遠端核團的激活/抑制效應

逆向激活也可以用來理解DBS對距離電極較遠的神經(jīng)核團的激活/抑制效應。Benazzouz等[59]發(fā)現(xiàn)，STN DBS通過逆向激活GPe神經(jīng)元進而增加GPe到GPi的傳入纖維活動，隨后Starr等[60]發(fā)現(xiàn)STN DBS對GPe的逆向激活可以進一步調(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)元進而在臨近的下游細胞上產(chǎn)生短暫的抑制性突觸后電勢。Maurice等[62]發(fā)現(xiàn)，STN DBS通過逆向激活SNr神經(jīng)元進而在這些細胞內(nèi)產(chǎn)生刺激強度依賴的放電響應。Montgomery等[63]發(fā)現(xiàn)，GPi DBS通過逆向激活丘腦核團進而在其腹側后核中產(chǎn)生興奮性響應。Walker等[64]發(fā)現(xiàn)，STN DBS通過激活皮層到STN的傳入纖維進而產(chǎn)生逆向傳導的軸突放電，以此在對側STN核團中產(chǎn)生激活響應。Degos等[65]和Li等[40]發(fā)現(xiàn)，STN DBS通過激活運動皮層到STN的傳入纖維，進而以逆向激活的方式在遠端運動皮層中產(chǎn)生放電響應。一些電生理實驗研究顯示，STN DBS對皮層的逆向激活可以進一步抑制皮層β節(jié)律活動[66]、降低皮層β頻段超同步[67]、恢復感覺運動皮層節(jié)律的同步特性[68]以及破壞運動皮層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)，刺激對運動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]以及刺激對皮層興奮性的調(diào)節(jié)效應[72]。

3.3 刺激效應的頻率依賴性

逆向激活對刺激頻率的依賴性可以用來理解DBS在靶向核團和遠端核團產(chǎn)生各種效應的頻率依賴性。Li 等[40]采用電生理實驗發(fā)現(xiàn)，STN DBS可以以刺激頻率依賴的方式抑制運動皮層的β振蕩，進而恢復帕金森病模型鼠的運動控制功能，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。筆者采用神經(jīng)計算模型發(fā)現(xiàn)，DBS作用下丘腦神經(jīng)元樹突響應的代謝消耗呈現(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)生的每個逆向放電卻可以可靠地在樹突中激活一個鈉離子放電。由于放電頻率決定了神經(jīng)電活動消耗的三磷酸腺苷(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DBS的響應呈現(xiàn)頻率依賴性；Grill教授和他的合作團隊采用神經(jīng)計算模型發(fā)現(xiàn)，DBS誘發(fā)的細胞和核團響應也呈現(xiàn)強烈的頻率依賴性，包括調(diào)節(jié)靶細胞的放電規(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[77]等。這些結果的產(chǎn)生都與逆向激活的頻率依賴性密切相關[19-20,22]。

3.4 刺激對病理信息傳導的“虛擬損傷”

2004年Grill等[76]發(fā)現(xiàn)，DBS通過規(guī)則化神經(jīng)元放電輸出進而遮蔽細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遮蔽固有放電活動的一個可能方式是刺激產(chǎn)生的軸突放電在逆向傳導過程中通過與胞體或軸突起始端傳來的順向放電碰撞進而阻斷其傳播。筆者在文獻[20]中也驗證了這個假設，結果顯示高頻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過程中與小腦的固有簇放電產(chǎn)生碰撞阻斷，進而有效遮蔽相應的簇模式信息。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，是因為逆向激活產(chǎn)生的信息損傷有效地阻斷了病理活動在“基底核-下丘腦-皮層”回路中的傳播，進而改善疾病癥狀[20,26]。

3.5 相關功能影像研究

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。基于fMRI技術，Jech等[81]發(fā)現(xiàn)STN DBS可以激活同側蒼白球、同側和對側下丘腦、黑質(zhì)、上丘、前額葉皮層、運動前區(qū)皮層和對側尾狀核等多個腦區(qū)；Kahan等[82]發(fā)現(xiàn)，STN DBS通過改變皮層和下丘腦對外部傳入的敏感性，進而調(diào)節(jié)兩個腦區(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)絡中引起B(yǎng)OLD響應，他們指出，DBS對相關運動通路和非運動通路的調(diào)節(jié)可能與逆向傳輸和順向傳輸有關。

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?；赑ET成像方法，Grafton等[84]發(fā)現(xiàn)，STN DBS抑制了運動輔助區(qū)、初級運動皮層和基底神經(jīng)節(jié)等核團的異?；顒?；Trost等[85]發(fā)現(xiàn)，STN DBS減少了小腦、中腦、腦橋、中央前回和運動輔助區(qū)的代謝消耗，但是卻增加了額內(nèi)側回和釋義頂葉聯(lián)合皮層的代謝消耗；Asanuma等[86]發(fā)現(xiàn)，STN DBS降低了蒼白球、感覺運動皮層和小腦蚯部的代謝活動，卻增加了楔前葉的代謝活動。

上述這些功能影像分析表明，DBS在刺激靶向核團的同時又對遠端核團的代謝和血流活動進行了調(diào)節(jié)。由于逆向激活是DBS激活/抑制腦內(nèi)大范圍核團活動的一個重要神經(jīng)機制，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響應依賴于刺激頻率[87-88]，而PET研究也顯示STN DBS對帕金森患者運動皮層局部腦血流的抑制效應呈現(xiàn)頻率依賴性[89]。由于fMRI和PET是兩種基于細胞新陳代謝機制的功能影像技術，而神經(jīng)電活動的能量消耗又與局部腦區(qū)血液動力變化密切相關[90-91]，所以逆向激活的頻率依賴性可以用來進一步理解這些功能成像數(shù)據(jù)對刺激頻率的依賴性。

4 結語與展望

雖然DBS的有效性已經(jīng)在臨床研究、電生理實驗和計算模型中得到證實，但是相關疾病發(fā)病根源的不確定性和DBS作用機理的不明晰性使得這項神經(jīng)調(diào)制技術的應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，如何設定最優(yōu)的刺激參數(shù)，如何解決疾病發(fā)病病理的特異性與DBS效果的個體差異性等。大腦的復雜結構連接、神經(jīng)核團獨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作用的一個重要細胞機制。前期研究主要采用電生理實驗和模型仿真相結合方法確定DBS在靶向核團和遠端核團產(chǎn)生的逆向激活模式。相應結果顯示，逆向激活在細胞間呈現(xiàn)個體差異性而在靶細胞內(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)結構等多方面因素影響。逆向激活的上述特異性與DBS在靶向核團和遠端核團產(chǎn)生的多種效應有關。這些細胞層次的機理性解釋有助于打開DBS作用過程的這個“黑箱”，使其逐漸變?yōu)橐粋€具有“可解釋性”的刺激技術，進而有利于DBS的科學化、標準化與規(guī)范化。

目前關于DBS誘發(fā)的逆向激活研究已經(jīng)取得了重要進展，為從細胞層次深刻理解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一步研究。

1)目前關于逆向激活模式的研究大都采用一個固定的神經(jīng)元模型展開，并且主要集中在丘腦皮層細胞、脊髓α運動細胞和錐體細胞。但是，逆向激活可以發(fā)生在運動皮層[39,40,92]、GPe[59]、GPi[93]、STN[94]等多個核團。這些核團之間，神經(jīng)元的形態(tài)、離子通道和突觸分布具有極大差異。即使在特定核團內(nèi)，神經(jīng)細胞的生理和結構也不是完全相同的。未來需要結合生理數(shù)據(jù)和神經(jīng)計算模型進一步明確DBS在各類靶細胞中誘發(fā)的逆向激活模式。

2)前期研究發(fā)現(xiàn)動作電位的逆向傳輸與快速鈉離子電導有關[50]，但是去極化和超極化電流如何相互作用進而塑造靶細胞的逆向激活模式目前尚不完全清楚。所以，未來需要識別調(diào)控逆向激活模式的離子電流機制。此外，進一步明確各類靶細胞中胞外鉀離子濃度與逆向激活模式之間的關系對于理解DBS作用機制也是十分必要的。

3)前期研究采用了簡化的神經(jīng)元模型分析了逆向激活模式與軸突形態(tài)的關系[26]。但是，目標核團中軸突的真實形態(tài)與分枝十分復雜，同時在細胞間和細胞內(nèi)呈現(xiàn)極大差異性。所以，明確放電在真實軸突分枝中的逆向傳導模式對于理解DBS對靶細胞的逆向激活效應十分重要。

4)前期關于DBS的建模思路大都是將一個點源電極放置在各向同性的均勻介質(zhì)中[20]。但是，靶細胞的周圍介質(zhì)實際卻是高度各向異性的，導致刺激產(chǎn)生的真實極化模式與仿真研究有很大差別。所以，對于DBS作用下空間極化、離子動態(tài)與逆向激活之間關系的認識還亟待深入。

5)目前尚缺乏關于靶細胞突觸輸入的詳細電生理數(shù)據(jù)，包括突觸數(shù)目和位置以及突觸電導的強度和動態(tài)等，導致前期的研究中突觸輸入不能完全復現(xiàn)真實情況。未來需要基于突觸輸入的實際電生理數(shù)據(jù)更加深入地刻畫它們對逆向激活模式的影響規(guī)律，同時還需要識別上述規(guī)律在靶向核團和遠端核團內(nèi)的特異性。此外，持續(xù)DBS會影響突觸可塑性甚至導致突觸損耗或疲勞[17-19,95]，識別這些效應與逆向激活之間的關系對于理解DBS的作用機制十分關鍵，關于這方面的研究值得期待。