脊髓刺激频率与脉宽对诱发复合动作电位形态影响的临床前研究：机制探索与治疗优化

本研究针对高频脊髓刺激(SCS)治疗疼痛时诱发复合动作电位(ECAP)形态变化的机制不明问题，通过大鼠和猪模型系统分析不同频率(50-1000 Hz)和脉宽(PW)对ECAP振幅、潜伏期及传导速度(CV)的影响。发现200-1000 Hz SCS可降低ECAP振幅并延长峰潜伏期，500/1000 Hz显著减慢CV，提示高频刺激通过脱髓鞘、去同步化等机制改变背柱(DC)轴突激活状态，为优化无感觉异常(paresthesia-free)的SCS疗法提供重要依据。

　　

在慢性疼痛治疗领域，脊髓刺激(Spinal Cord Stimulation, SCS)技术正经历从传统低频(40-60 Hz)向高频(如10 kHz)模式的变革。传统SCS通过激活背柱(Dorsal Column, DC)中的Aβ纤维引发感觉异常(paresthesia)来缓解疼痛，但约30%患者因不适感被迫中断治疗。近年兴起的高频SCS(HFSCS)虽能实现无感觉异常镇痛，但其作用机制存在争议——早期研究认为HFSCS不激活DC轴突，而近期证据显示其可能通过诱发复合动作电位(Evolved Compound Action Potential, ECAP)的异步化发挥疗效。这种机制认知的混乱严重制约了SCS参数的精准优化。

为阐明SCS参数与神经电生理响应的关系，来自英国纽卡斯尔大学等机构的研究团队在《Neuromodulation: Technology at the Neural Interface》发表重要成果。研究人员采用大鼠(21只)和猪(1只)模型，植入定制八触点硬膜外电极，通过多通道记录系统监测不同频率(2-1000 Hz)和脉宽(Pulse Width, PW, 50-1000 μs)刺激下的ECAP变化。关键技术包括：1) 硬膜外SCS电极植入术；2) ECAP阈值(ECAPT)测定；3) 双向(顺行/逆行)传导速度(CV)计算；4) ECAP形态学参数(振幅、N1/P2峰潜伏期、宽度)量化分析。

SCS频率效应揭示神经兴奋性动态变化
在200 Hz刺激下，ECAP振幅降至基线50.3%(顺行)/60.0%(逆行)，峰潜伏期延长0.3-0.5 ms，但CV保持不变。这种"高兴奋性状态"可能与超常期(supernormal phase)离子失衡有关——反复激活导致K⁺
外流累积，引发大直径纤维传导阻滞。500/1000 Hz刺激使ECAP振幅进一步下降至30.9-48.3%，CV显著减慢(顺行-15.2%，逆行-22.7%)，提示刺激脉冲落入相对不应期(relative refractory period)，引发轴突激活"跳频"(skipping)现象。值得注意的是，所有高频效应在恢复低频刺激后均可逆，但500/1000 Hz组的顺行传导恢复延迟，暗示可能存在短暂性脱髓鞘。

脉宽调控揭示阴极相主导激活
当PW从50 μs增至350 μs时，ECAP振幅在200-250 μs达峰后下降，N1潜伏期呈线性增长(每50 μs增量延迟80-90 μs)。这种精确的时间对应关系证实阴极相(cathodic phase)是主要激活相位。有趣的是，PW>200 μs时ECAP宽度在逆行方向显著减小，可能与不同直径纤维的差异化募集有关。

这项研究首次系统描绘SCS参数与ECAP形态的定量关系图谱，提出"频率依赖性相位锁定"新机制：1) 50 Hz刺激落在晚亚常期(late subnormal phase)，保持同步化激活；2) 200 Hz进入超常期，引发离子失衡性去同步；3) 500/1000 Hz落入相对不应期，导致CV下降和跳频激活。这些发现不仅验证了Sagalajev等提出的异步化假说，更通过CV变化证实高频刺激可改变激活纤维类型比例。

临床转化方面，研究为HFSCS参数优化提供关键依据：200 Hz可能通过可逆性髓鞘重构实现短期镇痛，而500+Hz则通过改变纤维募集模式产生持久效应。特别值得注意的是，PW在200-250 μs时达到最佳能量效率，这与临床常用参数高度吻合。未来研究需关注长期高频刺激对髓鞘完整性的影响，以及方向依赖性传导差异的临床意义。这项融合神经电生理与临床需求的转化研究，为开发新一代智能化SCS系统奠定了理论基础。