脑深部电刺激促进神经元再生治疗阿尔茨海默病的方法研究

Alzheimer's disease (AD) is a primary degenerative brain disease with unknown etiology, which seriously affects the quality of life of the aged. The unknown etiology hinders its effective treatment. Loss of cholinergic neurons in the basal nucleus of the brain's Meynert has been verified to be an important factor in the progression of Alzheimer's disease. Recent studies have shown that deep brain stimulation (DBS) can promote the release of nerve growth factor (NGF) from cultured Schwann cells. Can DBS promote axonal growth, synapse formation and survival of cholinergic neurons in vivo? In this project, nerve growth factor (NGF) is selected as the breakthrough point, the fornix and Menette's basal nucleus of rodents are chosen as stimulating sites, electrophysiological and electrochemical experiments are performed to establish the quantitative regulation relationship between the frequency, intensity, temporal and spatial patterns of nerve electrical stimulation and the temporal-spatial patterns of brain nerve response, so as to establish a electrochemical coupling model on cholinergic neuron regeneration of DBS. The project will study the stimulation paradigm of DBS to promote NGF secretion and evaluate the effect of DBS on AD, providing in vivo experimental basis for further clinical application. The applicant has a multi-disciplinary background in biomedical electronics, neuroelectrophysiology and biomedical engineering. He has published more than 60 SCI / EI papers and obtained more than 20 invention patents. Furthermore, the substantial supports for the experimental research from the Support Unit and reliable and effective supports for the clinical studies of neuronal regeneration and functional repair in Alzheimer's disease from the Cooperation Unit could ensure the accomplishment of this project.

阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）是一种病因未明的原发性、退行性脑变性疾病，严重影响老年人的生活质量。而脑部迈内特（Meynert）基底核胆碱能神经元丢失被证实是导致阿尔茨海默病不断发展的一个重要因素。近年研究发现，脑深部电刺激（deep brain stimulation, DBS）能促进离体培养的施旺细胞释放更多的神经生长因子（nerve growth factor, NGF）。那么，脑深度电刺激能否促进在体胆碱能神经元轴突生长、突触形成与存活？本项目拟选择神经生长因子为切入点，以啮齿类动物为实验对象，选择穹隆和迈内特基底核作为刺激部位，利用神经电生理、电化学实验等技术手段，探索神经电刺激的频率、强度、时空模式与大脑神经响应的时空模式的定量调控关系，从而建立一种DBS促进胆碱能神经元再生的电学化学耦合模型，研究促进NGF分泌的DBS的刺激范式，评价DBS治疗AD方法的效果，以期构建一种能够有效促进胆碱能神经元再生的脑深部电刺激新方法，为进一步临床应用提供在体动物实验依据。申请人具有生物医学电子学、神经电生理学、生物医学工程多学科背景，已以发表SCI/EI论文六十余篇，获权发明专利二十余项。依托单位重庆大学生物流变科学与技术教育部重点实验室可为项目提供良好的研究条件。合作单位中国人民解放军第三军医大学可在阿尔茨海默病神经元再生与功能修复评估临床研究方面提供可靠有效的支持。

本项目研究了EC-DBS（内嗅皮层-脑深部电刺激）对早期AD(阿尔茨海默症)小鼠的空间学习记忆、组织学、神经振荡的影响，并探讨其可能的作用机制。发现DBS可望能作为治疗早期阿尔茨海默症的有效手段，且DBS对AD的治疗作用可能是通过促进神经再生、调节记忆回路的信号传递实现的。. 实验对象采用4月龄雄性APP/PS1双转基因AD小鼠和相同月龄的雄性野生型C57小鼠。其中，APP/PS1小鼠被随机分为3个组别，包括模型组（AD组）、假刺激组（ADS组）和刺激组（ADT组），而野生型小鼠作为正常对照（WT组）。待所有植入电极的小鼠恢复1周后进行DBS（100 μA、90 μs和10 Hz，1 h/21 days，双相方波脉冲）。借助旷场实验、水迷宫实验检测EC DBS对各组小鼠的自发探索行为及空间学习记忆的影响，通过免疫组化评估Aβ斑块的水平；通过结合EdU标记、免疫荧光技术评估了各组小鼠的海马神经发生水平；利用神经信号记录技术观察EC-DBS对海马CA1神经振荡的影响。. 研究表明：（1）EC-DBS不会引起焦虑相关的副作用，可显著改善APP/PS1小鼠的空间记忆障碍并下调海马Aβ斑块的水平；（2）EC-DBS促进APP/PS1小鼠海马神经发生。与WT组相比，AD组和ADS组的双皮质素（DCX）阳性细胞、胸腺嘧啶核苷类似物（EdU）阳性细胞和胸腺嘧啶核苷类似物/神经元核抗原（EdU/NeuN）阳性细胞数量均显著降低，而EC-DBS逆转了这种降低，显著提高了APP/PS1小鼠的神经发生水平。(3) EC-DBS可调节APP/PS1小鼠海马神经振荡活动。与WT组相比，AD组和ADS组的theta、gamma振荡功率显著降低、theta-gamma耦合程度显著降低，而EC-DBS升高了theta、gamma振荡功率，提高了theta-gamma耦合程度。