基于概率建模的结构连接激活指标在深部脑刺激治疗帕金森病中的应用研究

本研究针对深部脑刺激(DBS)中白质纤维激活评估方法的局限性，开发了三种概率性结构连接激活指标：电场强度(||E||)、电场投影(proj(E))和概率性通路激活模型(pPAM)。研究人员通过15例帕金森病(STN-DBS)患者的回顾性分析发现，虽然不同指标对运动症状改善相关通路的识别存在差异，但均证实了运动性苍白球底丘脑束和超直接通路的关键作用。该研究为DBS作用机制研究提供了开源分析工具，对优化神经调控策略具有重要意义。

　　

在神经调控领域，深部脑刺激(DBS)已成为治疗帕金森病(Parkinson's disease, PD)等运动障碍疾病的重要方法。然而，电流如何通过白质纤维网络发挥作用仍存在诸多疑问。传统评估方法如电场强度(||E||)忽略了电场方向性，而通路激活模型(Pathway Activation Modeling, PAM)虽能模拟复杂生物物理特性，但参数不确定性影响结果可靠性。这些方法学差异使得不同研究结论难以直接比较，制约了DBS治疗机制的深入理解和临床优化。

针对这一挑战，由Konstantin Butenko和Andreas Horn等组成的国际团队在《Brain Communications》发表研究，系统比较了三种概率性结构连接激活指标。研究创新性地将电场强度、电场投影(proj(E))和概率性PAM(pPAM)整合到开源的Lead-DBS工具箱，通过15例双侧底丘脑核(STN)刺激PD患者的临床数据，揭示了不同指标在识别治疗相关神经通路中的共性与特性。

关键技术方法包括：1)使用Lead-DBS工具箱进行电极定位和空间标准化；2)基于OSS-DBS软件构建异质容积导体模型计算电场分布；3)采用Basal Ganglia Pathway Atlas基底节通路图谱分析结构连接；4)应用NEURON平台实现McNeal轴突模型的概率采样(N=10)；5)通过非配对t检验评估通路激活与UPDRS-III评分改善的关联性。患者队列来自德国柏林Charité医院和中国北京天坛医院。

概念验证与指标差异

研究首先通过计算机模拟阐明不同指标的生物物理特性。如图1所示，单极刺激时，pPAM显示阳极刺激对平行纤维的激活较弱，这与临床观察中阳极需要更高电流的现象一致。双极刺激时，靠近阳极的短纤维激活降低，而电场指标无法反映这种极性效应。这些发现证实pPAM能更精确捕捉刺激极性对神经激活的影响。

临床队列分析结果

电极重建显示所有植入位置均位于底丘脑核区域(图2A)。激活模式分析发现，电场指标(||E||≥200 V/m和proj(E)≥125 V/m)间高度相关(Rho=0.91)，但与PAM的吻合度较低(平均Rho=0.74)。典型病例中(图2B)，电场强度更强调正交 approaching 的纤维(如来自前扣带回ACC的超直接通路)，而PAM对平行电场方向的纤维更敏感。

治疗相关通路识别

分析UPDRS-III改善相关的100个最强关联纤维发现(图2C)，所有指标均识别出运动性苍白球底丘脑束和运动超直接通路的重要性。但pPAM还突出了位于STN背侧的小脑丘脑通路，而严格阈值(p(A)=1.0)的PAM则显示更大差异。电场指标间的相似性可能反映了 omnidirectional 电极电流导向的局限性。

讨论部分指出，电场投影理论上比单纯强度更合理，但临床数据分析显示二者识别通路高度重叠。pPAM结果的差异性突显了轴突直径等参数不确定性的影响，未来需结合更精确的解剖数据约束模型参数。所有指标均验证了运动环路在PD症状改善中的核心作用，为DBS靶点优化提供新依据。

该研究的创新价值在于：1)首次系统比较不同概率激活指标的临床相关性；2)开发开源工具实现从电场计算到群体统计的完整分析流程；3)为双极刺激这一复杂场景提供建模方案。研究结果不仅推动DBS作用机制的理解，更为个体化神经调控策略的开发奠定方法学基础。随着定向电极和闭环刺激技术的发展，这种多模态建模框架将有助于揭示神经调控与脑网络相互作用的本质规律。