多源信息协同分析脑深部刺激术作用机制及效应的方法研究

Neurological and psychiatric disorders are important diseases which are harmful to human health, and deep brain stimulation (DBS) shows obvious effects and superiority in the treatment of these diseases. However, the mechanism of DBS and side effects which it may cause are unclear,and the domestic and foreign related studies mainly focus on the electrophysiological and in vitro biochemical analysis methods.Combined with study results we have obtained, the project proposes a new method of multi-parameter collaborative research, and the main contents are:1)stimulation study of catastrophic behavior of DBS and its effects on brain tissue,and establishing stimulus-response mathematical model;2)developing multi-function deep-brain stimulating and recording electrode and collecting micro-environment electrophysiology caused by electrical stimulation and biochemical responses of multi-source information;3)collaborative analysis of DBS mechanism and optimizing DBS simulus-response mathematical model by using experimental data and neural network.The results of this study provide completely new tools and methods to reveal the mechanism of DBS in the treatment of various types of brain disease and lay the foundation for the study of multi-function DBS system. It will also promote our breakthrough in implantable medical devices,a high end marked technology,and have important academic values and potential clinical application prospect.

神经和精神障碍类疾病是危害人类的重要疾病，脑深部刺激技术（DBS）在治疗此类疾病中具有显著的效果和良好的优越性。但它对疾病治疗的作用机制及可能导致的副作用尚不清楚，而国内外相关研究主要集中在电生理和离体生化分析方法上。结合我们已获得的研究成果，本项目提出了一种新型的可实现多参数协同研究的方法，主要内容是：1）用多物理量耦合分析法仿真研究脑深部电刺激对脑组织的激变行为及其效应，建立刺激-响应数学模型；2）研制多功能复合脑深部刺激/信息检测电极，采集由电刺激引起的微环境电生理和生化响应的多源信息；3）结合实验数据和神经网络模型,协同分析DBS作用机制，优化DBS刺激-响应的数学模型。本研究成果对揭示DBS治疗各类脑神经系统疾病的作用机制提供了全新的研究工具和方法，为多功能DBS系统的研究奠定基础，促使我国在植入式医疗器械这一高端标志性技术方面获得突破，具有重要的学术价值。

脑深部刺激术（Deep Brain Stimulation, DBS）在临床上已经广泛用于治疗帕金森疾病（Parkinson’s disease, PD）等神经退行性疾病和运动障碍，但是其作用机制和潜在的副作用目前尚不十分明确。基于MEMS技术、在体神经电信号和神经化学信号采集技术以及神经网络模型仿真方法，研究获得了以下成果：1）完成了多功能复合微脑电极的设计、加工、表面改性以及封装技术和工艺的研究，研制出一套与微脑电极相配套的集电脉冲刺激和脑深部局部场电位采集的动物用DBS效应分析系统；2）掌握了神经递质多巴胺传感器制备技术及多巴胺浓度检测的关键技术；3）建立了电刺激过程中电极周围刺激电场对脑神经核团组织刺激效应的仿真模型；4）构建了纹状体和皮层快速放电中间神经元（Fast Spiking Interneuron, FSI）神经元网络模型以及基底神经节多核团神经网络模型；5）提出了基于希尔伯特-黄变换（Hilbert-huang Transform, HHT）的神经元放电信号自动检测和分类的方法，并初步研究了DBS调控下基底神经节相关核团的神经电信号和纹状体内多巴胺浓度信号的响应。这些研究成果为进一步研究DBS治疗其他神经退行性疾病和运动障碍的作用机制提供了理论和实践依据以及新颖的研究工具和方法。项目执行期间，在国内外重要学术刊物和国内外学术会议上发表论文12篇，其中：SCI期刊论文7篇，EI期刊论文1篇，国内外学术会议论文4篇。申请中国发明专利3项，获批准1项，申请并获批实用新型专利1项。研发新仪器1种。培养博士生4名和硕士生4名。