PNAS：电路模型可以解释深部脑刺激如何治疗帕金森病症状

研究表明，刺激丘脑下核可以中断失控的β -频率节律，恢复中间神经元调节大脑纹状体节律的能力，改善运动。

　　

   

   

图:模型产生的FSI和MSN细胞之间的大脑节律显示了按频率划分的基线强度(上)，帕金森病(中排;注意高beta峰值接近20hz);DBS情况(注意FSI伽马峰值接近60hz)。

资料来源:埃利·亚当/麻省理工学院皮考尔研究所

帕金森氏症患者和他们的医生面临着许多未知，包括深度大脑刺激(DBS)究竟如何缓解患者的一些运动症状。在一项新的研究中，波士顿大学和麻省理工学院皮考尔学习和记忆研究所的科学家提出了一个详细的模型，解释了潜在的电路动力学，提供了一个解释，如果实验证实，可以进一步改善治疗。

在已知的关于帕金森氏症的事情中，神经调节物质多巴胺的缺失与异常高的-频率节律(脑电波频率约为20hz)有关。DBS将高频电刺激传递到一个叫做丘脑下核(STN)的区域，显然可以抑制这些升高的β节律，与其他节律频率恢复更健康的平衡，并更好地控制运动。

《美国国家科学院院刊》(Proceedings of The National Academy of Sciences)上描述的基于生物物理学的新计算模型假设，DBS的有益作用来自于它如何打断STN和纹状体之间的恶性循环，促使贝塔失控。2011年，该研究的合著者、波士顿大学数学和统计学研究助理教授米歇尔·麦卡锡(Michelle McCarthy)使用数学模型证明，在多巴胺缺失的情况下，纹状体中居住的被称为中等棘神经元(mns)的细胞过度兴奋可能导致失控的β在纹状体中出现。

该模型由皮考尔研究所博士后埃利·亚当(Elie Adam)领导，建立在麦卡锡的发现之上。加入Adam和McCarthy的是共同作者Emery N. Brown，麻省理工学院医学工程和计算神经科学的Edward Hood Taplin教授和波士顿大学数学和统计学的William Fairfield Warren杰出教授Nancy Kopell。这四名研究人员的工作假设，在健康的条件下，有足够的多巴胺，纹状体中被称为快峰中间神经元(FSIs)的细胞可以产生伽马-频率节律(30-100赫兹)，以调节单点神经网络的β活动。但如果没有多巴胺，fsi就无法限制MSN的活动，beta就会主导一个完整的回路，将STN连接到fsi、到MSN、到其他区域，然后再回到STN。

“FSI gamma对于控制MSN beta很重要，”Adam说。“当多巴胺水平下降时，单分散二氧化硅可以产生更多的β，而FSIs失去了产生抑制β的能力，所以β就失控了。然后，FSIs被beta活动轰炸，并成为beta本身的渠道，导致其扩大。”

模型显示，当DBS高频刺激应用于STN时，它取代了fsi接收到的压倒性的beta输入，并恢复了它们的兴奋性。恢复活力并摆脱这些束缚后，中间神经元恢复产生伽马振荡(大约是DBS刺激频率的一半，通常为135hz)，然后抑制单分散神经网络的beta活性。随着单分散二氧化硅不再产生太多的beta，从STN到fsi的循环不再被该频率所主导。

亚当说:“DBS阻止beta向fsi传播，这样它就不再被放大，然后，通过额外刺激fsi，恢复fsi产生强伽马振荡的能力，这反过来又会在源头上抑制beta。”

这个模型揭示了另一个重要的问题。在正常情况下，不同水平的多巴胺有助于形成FSIs产生的伽马。但FSIs也接收来自大脑皮层的输入。在帕金森氏症中，多巴胺缺失，β成为主导，FSI失去了调节灵活性，但在DBS中，β主导被破坏，即使多巴胺仍然缺失，FSI也可以被来自皮层的输入调节。这使得他们有办法控制提供给单分散核糖核酸的γ，并使β、γ和θ节律的和谐表达成为可能。

作者说，通过对DBS如何工作提供基于生理学的深层次解释，这项研究也可能为临床医生提供如何使其对患者发挥最佳作用的线索。关键是找到fsi的最佳伽马节律，这可能因病人而异。如果可以确定，那么调整DBS刺激频率以促进伽马输出应该可以确保最好的结果。

然而，在进行测试之前，模型的基本发现需要通过实验进行验证。作者说，该模型为此类测试的进行提供了必要的预测。

美国国立卫生研究院为这项研究提供了资金。

文章标题

Deep brain stimulation in the subthalamic nucleus for Parkinson’s disease can restore dynamics of striatal networks