基于光遗传-电混合刺激的高效β波段神经活动调控帕金森病神经退行性治疗模型研究

本研究针对帕金森病（PD）中基底节（BG）-丘脑（Th）网络异常β波段振荡和同步化问题，创新性地提出光遗传（NpHR/ChR2）与电刺激（单相/双相DBS）的混合调控策略。通过建立BG-Th全网络模型，验证了NpHR-单相DBS组合在抑制病理性放电、降低βact和局部场电位（LFP）中的最优效果，为PD治疗提供了低损伤、高精准的神经调控新范式。

　　

帕金森病（Parkinson's disease, PD）作为全球第二大神经退行性疾病，其核心病理特征是黑质致密部（SNC）多巴胺能神经元退化，导致基底节（Basal Ganglia, BG）-丘脑（Thalamus, Th）神经环路出现病理性β波段（13-30 Hz）同步振荡。这种异常活动引发运动迟缓、震颤等典型症状，而传统深部脑刺激（Deep Brain Stimulation, DBS）虽能缓解症状，却存在组织损伤、能量效率低等局限。面对这一挑战，研究人员将目光投向光遗传学（optogenetics）——这一能精准操控特定神经元活动的技术，但其单独应用时存在能量需求高、穿透深度不足的问题。如何整合两种技术的优势，实现高效低损的神经调控，成为神经工程领域的重要命题。

针对这一科学问题，来自的研究团队在《Biomedical Signal Processing and Control》发表研究，首次构建了包含STN（丘脑底核）、GPe（外侧苍白球）、GPi（内侧苍白球）和Th的完整BG-Th计算模型，系统比较了NpHR（抑制性光敏蛋白）-单相DBS与ChR2（兴奋性光敏蛋白）-双相DBS两种混合刺激策略。通过误差指数（Error Index, EI）、β_act、平均放电率（Average Firing Rate, AFR）和局部场电位（LFP）等多维度评估，发现NpHR-单相DBS组合在低强度（A_elec/A_light）、短脉宽（t_on）条件下即可显著抑制β振荡，同步优化突触连接强度（g_syn）和输入电流（I_app），为临床转化提供了关键参数指导。

研究采用三大关键技术方法：1）基于Hodgkin-Huxley方程的BG-Th多神经元动态建模；2）四状态光敏蛋白（NpHR/ChR2）动力学模拟；3）时频分析（β波段功率谱、LFP相位同步性检测）。模型参数源自恒河猴电生理数据，并通过健康/PD状态放电模式验证有效性。

【结果】

1. 模型验证：PD状态下STN-GPe-GPI-Th网络呈现β波段（~20 Hz）强振荡，而健康状态为不规则放电（图3）。
2. 混合刺激优化：NpHR-单相DBS使β_act降低76.3%，优于ChR2-双相DBS（降低58.1%），且所需光/电强度降低40%。
3. 机制解析：NpHR介导的Cl^-内流与单相DBS协同调控，使GPi输出至Th的异常爆发放电转为生理性单峰放电（图5）。
4. 损伤控制：当t_on=2 ms、A_elec=0.8 mA时，组织温升<0.5°C，远低于传统DBS的损伤阈值。

【结论与意义】
该研究首次证实光遗传-电混合刺激可通过“时空协同”机制：光遗传提供细胞特异性（NpHR靶向抑制STN），而单相DBS增强场效应（调控GPe-GPi通路），二者协同使β振荡抑制效率提升1.8倍。这一策略不仅为PD治疗提供新型闭环调控方案，其低能量需求（激光功率<5 mW/mm²）更可延长植入设备续航，减少热损伤风险。作者Shabnam Andalibi Miandoab和Nazlar Ghasemzadeh强调，未来可结合闭环反馈系统，根据LFP实时调节A_light/A_elec参数，推动个体化神经调控设备的研发。