植入式皮层电刺激模式对脑梗死后神经重建的影响

Neuromodulation is a rapid emerging multi-interdisciplinary field. Implanted cortical electrical stimulation (CES) is a newly developed therapy for cerebral infarction via neural regulation, which is in the phase of technical breakthrough and imminent clinical application. We have faced a big challenge becase of the failure in the clinical trials of phase III. It is crucial to find the best electrical stimulation mode. Stimulation modes involve stimulus intensity of a single pulse, stimulus frequency and electrode design, which determines the injected charge density, injection frequency, and the subsequence of positive or negative charge, respectively. It further affects the numbers of activated nerve cells, activation intervals and the activated subsequence of different layers of motor cortex, which consequently affect axon and dendritic sproution, synaptic remodeling in nerve reconstruction process that act as a key factor affecting the therapeutic outcome. At present, only two preliminary studies had been reported, which involved with two different stimulation frequencies, yet lacking systematic astudy of different stimulation patterns on nerve reconstruction. We have previously evaluated animal behavior and immunohistochemical changes after the treatment with a specific stimulation mode. On the basis of the study, this project intends to explore the impact of different stimulation modes on nerve reconstruction and functional recovery after cerebral infarction, and search for the mode of cortical electrical stimulation, and provide theoretical and practical evidence for further clinical applications with cortical electrical stimulations on cerebral infarction.

神经调控是一个新兴的快速发展的多学科交叉领域，植入式皮层电刺激是通过神经调控治疗脑梗死的一种新方法，正处于技术突破和走向临床的重要时期。国外Ⅲ期临床试验的失败对我们提出挑战，寻找最佳电刺激模式迫在眉睫。刺激模式主要包括单个脉冲的刺激强度、刺激频率和电极设计，也就决定了注入电荷密度、注入频率和注入正负电荷的次序，分别影响激发神经细胞的数量、激发间隔时间和激发运动皮层不同细胞层的先后次序，从而对轴突和树突出芽生长，突触重塑这些神经重建过程产生不同影响，这是决定治疗成败的一个关键因素。目前国外仅有2个有关不同刺激频率的早期简单研究，尚缺乏系统分析比较不同刺激模式对神经重建的影响。我们前期研究已完成一种刺激模式下的动物行为学和免疫组织化学评价，本课题拟在前期研究的基础上探索不同刺激模式对脑梗死后神经重建和功能恢复的影响，寻找最佳刺激模式，为深入开展皮层电刺激治疗脑梗死的临床试验提供理论和实践依据。

神经调控是一个新兴的快速发展的多学科交叉领域，皮层电刺激是通过神经调控治疗脑梗死的一种新方法，通过动物实验探索有效的皮层电刺激模式和皮层电刺激的治疗机制能为今后的临床研究奠定基础，本项目通过自主研发植入式电极阵列和多通道电刺激器，结合皮层运动区绘图技术，探索了不同刺激模式的治疗效果，并采用了TRAF6基因敲除和TRAF6转基因鼠探索脑梗死损伤的分子机制，其结果及意义如下：.1、研发了用于大鼠的植入式4X4 16通道的电极阵列，可同时用于选择性电刺激治疗和皮层运动功能区绘图。.2、研发了4通道可编程电刺激器，与电极阵列相配合，可用于绘图动物皮层运动功能区，也可选择其中一个或多个通道进行不同刺激模式的电刺激治疗。.3、研发了电极阵列植入硬膜外后的层层封装工艺，实现了电极阵列长期慢性植入。.4、实现了大鼠清醒状态下连续皮层功能区绘图技术，建立了一种通过动态观察皮层运动功能区的变化评估脑损伤程度及治疗效果的方法。.5、明确了电刺激极性对大鼠的影响。发现仅阳极刺激是通过皮质脊髓束，而阴极刺激未通过皮质脊髓束；非平衡电荷刺激会造成局部组织损伤；50Hz、30%阈值刺激强度、双极双相电刺激能有效治疗脑梗死。研究结果能为其他进行相关研究的小组提供参考。.6、发现聚(3,4)乙撑二氧噻吩/石墨烯的导电聚合物和负载层状硅酸盐的果胶基复合纳米纤维织物具有良好的生物相容性，并成功将聚(3,4)乙撑二氧噻吩/石墨烯的导电聚合物用于电极阵列的电极修饰改性，提高了植入式电极阵列的生物相容性和电荷注入密度。.7、采用神经元特异性TRAF6基因敲除鼠和神经元特异性TRAF6转基因鼠发现TRAF6能显著促进Rac1的活化，TRAF6能与Rac1相互作用，TRAF6与Rac1的相互作用促进了Rac1的磷酸化、泛素化及其活化，TRAF6基因敲除可以抑制这一过程，从而抑制了Rac1对下游促炎症、氧化应激基因的调控作用，最终对脑梗死起到保护作用。为进一步采用神经元特异性TRAF6基因敲除鼠和神经元特异性TRAF6转基因鼠研究皮层电刺激治疗的分子机制奠定基础。