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深部脑刺激(deep brain stimulation,DBS)是一种新兴的脑部神经系统疾病治疗方法,在帕金森氏症、癫痫、抑郁症等疾病的临床治疗中都有着良好的前景。相比于传统的药物疗法或手术损毁病灶疗法,DBS具有副作用小、起效及时、效果可逆等优点。虽然前人的研究提出了许多可能的作用机制假说,包括高频刺激抑制神经元发放假说、高频刺激兴奋神经元假说和高频刺激调制神经元发放模式假说等。但是,目前DBS所用的高频电刺激(high frequency stimulation,HFS)在神经疾病治疗过程中起效的机制仍不清楚。最近的研究表明,神经元自发状态下的发放存在一定的节律性,HFS改变神经元发放模式的表现之一可能是对神经元发放节律的改变。HFS可能通过调控神经元的发放节律,即消除神经元发放的病理性节律来产生治疗效果。为了验证该假设,本文研究了海马CA1区的输入轴突HFS是否可以改变下游神经元的发放节律。在麻醉的大鼠海马CA1区Schaffer侧支上施加1-min时长100 Hz的HFS序列,分析下游中间神经元和锥体神经元的单元动作电位(unit spike),即锋电位。通过计算HFS前、HFS期间和HFS后这三个时期,神经元锋电位发放序列与LFP中θ节律的锁相值来评估其发放与LFP节律之间的关系。并通过计算三个时期神经元锋电位发放序列的自相关曲线(autocorrelograms),并对此自相关曲线求功率谱密度(power spectrum density,PSD)来评估神经元发放的节律性特性。另外,还利用PSD评估海马CA1区局部场电位(local field potentials,LFP)的节律特性和HFS期间神经元锋电位在高频范围内的发放节律,探讨了轴突HFS引起下游神经元发放节律变化的可能机制。本文主要的研究结果包括以下三部分:(1)证实了高频刺激可以抑制神经元的节律性发放。海马CA1区两类神经元自发的锋电位发放序列和顶树突层LFP中存在显著的θ节律,且两者之间存在显著的锁相关系,而轴突HFS可以显著削弱两者之间的锁相关系。与基线记录的自发状态相比,HFS期间,锥体神经元的锋电位与顶树突层θ节律的锁相值从0.36±0.12显著减小至0.06±0.04(P<0.001,paired t-test,n=8);中间神经元锋电位的锁相值也从0.27±0.08减小至0.09±0.05(P<0.01,paired t-test,n=8)。同时两类神经元的自发θ节律发放和LFP中的θ节律均被显著抑制:与基线记录的自发状态相比,HFS期间,锥体神经元锋电位发放PSD图中,θ节律的平均功率从HFS前的1.29±0.65减小到0.11±0.07(P<0.01,paired t-test,,n=7);中间神经元锋电位PSD图中,θ节律的平均功率从HFS前的1.62±0.79显著降低至HFS期间的0.12±0.06(P<0.001,pairedt-test,n=7)。这些结果表明轴突高频电刺激可以显著抑制下游神经元自发的θ节律发放。(2)提出了轴突HFS抑制下游神经元自发的θ节律发放的可能机制,即HFS对下游LFP中的θ节律和神经元锋电位发放本身的双重调制作用。Pearson相关分析的结果显示,20-30%的神经元发放节律性变化可以由顶树突层LFP中θ节律的变化来解释。这表明神经元θ节律发放的减弱可能受到顶树突层LFP中θ节律减弱的调控。另外,本文也发现在HFS期间,高频电刺激脉冲也直接调制了两类神经元的发放,诱发了刺激频率节律的发放模式。可见,轴突HFS可能阻止了海马区域传入纤维中节律性兴奋信号的传导,从而通过抑制下游LFP中节律性信号间接抑制神经元发放的节律性;同时高频刺激脉冲也诱发了下游神经元新的发放模式,并部分取代了原本的节律性发放模式。(3)设计了评价神经元节律性发放的新方法和新指标。本文提出采用锁相值用来评估神经元锋电位发放与LFP之间的相位关系。通过对二值神经元发放序列的自相关结果求功率谱,以相应范围内功率谱的累积面积(即相应频率内的平均能量)来评价神经元锋电位发放节律性的强弱。这种分析神经元发放节律的定量指标不仅可以用于分析海马CA1区中间神经元和锥体神经元的发放,也可以用于其他有关神经元发放节律的分析研究。总之,本文通过在体大鼠的实验,发现了轴突HFS可以调节下游神经元的自发节律性发放,并且提出了 HFS这种调节作用可能的双重机制,即诱导新自发模式并抑制场电位的节律。这些研究结果为支持HFS可以改变神经元发放模式的假说提供了新的证据,也为扩展DBS的应用范围提供了新线索。