皮层兴奋性与抑制性神经元对持续性和爆发性电微刺激的时空响应特性及其在脑机接口中的意义

本研究针对脑机接口(BCI)中持续电微刺激(ICMS)引发的感知消退问题，通过双光子成像技术系统探究了视觉皮层兴奋性(Exc)和抑制性(Inh)神经元对不同刺激模式的时空响应特性。研究发现抑制性神经元在TBS刺激下激活更强且持续时间更长，而兴奋性神经元偏好10-Hz爆发模式；揭示ICMS通过距离依赖的直接/间接招募机制产生复杂网络效应，为优化神经调控策略提供了重要依据。

　　

在脑机接口技术快速发展的今天，通过电刺激感觉皮层产生人工感知已成为帮助神经损伤患者恢复功能的重要手段。然而临床应用中持续电微刺激(Intracortical Microstimulation, ICMS)会引发令人困扰的感知消退现象——随着刺激时间延长，患者对人工感觉的感知强度逐渐减弱。这一现象严重制约着脑机接口的长期应用效果，但其背后的神经机制始终未明。传统观点认为这可能是由于代谢耗竭或抑制性神经元活动增强所致，但缺乏直接证据。更复杂的是，不同刺激频率（如高频100-Hz与低频10-Hz）会产生截然不同的感知效果，而爆发式刺激模式（如theta爆发刺激TBS）在临床中显示出独特优势，这些现象都亟待从神经元亚型特异性响应的角度进行解析。

美国匹兹堡大学生物工程系的Christopher L. Hughes团队在《iScience》发表的重要研究，首次通过双光子钙成像技术，在转基因小鼠模型中同步观察了视觉皮层兴奋性和抑制性神经元对四种不同ICMS模式的时空响应特征。研究采用VGAT-Ires-Cre转基因小鼠，通过病毒载体在抑制性神经元中表达红色荧光标记tdTomato，在所有神经元中表达钙指示剂GCaMP7b。使用密歇根式电极在视觉皮层II/III层施加30秒的四种刺激模式（10-Hz连续、100-Hz连续、10-Hz爆发和TBS），同时通过双光子显微镜记录神经元钙活动。通过线性回归模型区分神经元亚型，并建立时间-空间响应图谱。

研究首先通过双光子成像技术解析了神经元亚型的激活特征。结果显示抑制性神经元在所有刺激模式下都表现出更强的激活倾向（83%±4% vs 兴奋性神经元61%±7%），且荧光强度随时间持续增加。特别在TBS模式下，抑制性神经元平均dF/F0达到1.05±0.08，显著高于兴奋性神经元。时间动力学分析发现抑制性神经元达到峰值的时间（time-to-peak）和返回基线的时间（return-to-baseline）都显著长于兴奋性神经元，表明其持续激活特性。

在刺激模式偏好性方面，研究发现了显著的神经元亚型差异。100-Hz模式在所有神经元中诱发最强的初始激活，但伴随快速衰减；而低频率模式产生更持续的响应。特别值得注意的是，63%抑制性神经元在后期（最后10秒）对TBS响应最强，而34%兴奋性神经元偏好10-Hz爆发模式。这种差异在空间分布上更为明显——距离电极<125μm的神经元偏好10-Hz爆发，而远场神经元（>125μm）更倾向TBS响应。

研究通过建立响应分类系统，揭示了距离依赖的复杂网络效应。将神经元分为"递增型"、"递减型"、"稳定型"和"抑制型"，发现抑制性神经元多为"递增型"，而兴奋性神经元更易出现"递减"或"抑制"。空间分析显示，抑制性神经元在175-200μm处出现激活峰值，比兴奋性神经元的100-125μm更远离电极。特别在>200μm区域，67%抑制性神经元保持激活，而兴奋性神经元仅43%。这些远场神经元更易出现刺激后反弹（post-ICMS rebound），暗示存在抑制解除（disinhibition）机制。

在时间动力学层面，10-Hz爆发模式下的单脉冲分析揭示了有趣的亚型差异：近场（<225μm）抑制性神经元的激活速度快于兴奋性神经元，而远场情况则相反。这种空间-时间动力学特征提示近场神经元可能通过轴突直接被激活，而远场神经元更多通过突触间接招募。相关分析进一步证实，电极近场神经元的基础相关性较低（反映组织损伤），但ICMS期间相关性显著升高；而远场神经元则保持较高的基础相关性，但ICMS响应更分散。

这项研究的重要意义在于首次系统阐明了ICMS作用下兴奋-抑制平衡的时空演化规律，为理解感知消退提供了机制性解释。研究发现抑制性神经元对TBS的特异性响应、兴奋性神经元对爆发模式的偏好、以及距离依赖的复杂网络效应，都为优化脑机接口的刺激策略提供了直接依据。特别是证实了动态调整刺激模式（如近场用10-Hz爆发、远场用TBS）可选择性调控不同神经元亚型的可能性，这对开发新一代自适应脑机接口系统具有重要指导价值。研究还提示，电极植入导致的局部环路损伤可能改变正常的兴奋-抑制平衡，这为改进电极设计和植入技术提供了新思路。这些发现不仅适用于视觉修复，对运动康复、癫痫控制等神经调控领域都有广泛借鉴意义。