双电极皮层内微刺激引发非线性单细胞神经调制效应的双光子成像研究

《Communications Biology》：Single-cell and population-level neuromodulation dynamics in dual-electrode intracortical microstimulation

摘要

皮层内微刺激(ICMS)被广泛用于激活皮层网络并引发感觉感知。尽管其临床效果显著，但单个神经元如何对相邻多电极ICMS作出反应仍不清楚。在本研究中，我们将双光子钙成像与小鼠视觉皮层中的双电极技术相结合，使我们能够直接观察神经元对汇聚电刺激输入的行为反应。这一特定设置表明，在低刺激水平(5–7 μA)下，与单电极刺激相比，双电极刺激输入期间神经活动变化很小。当刺激增加到中等水平(10–15 μA)时，神经元表现出多样的非线性相互作用——但整体群体反应向增强方向转变。在更强的刺激(15–18 μA)下，被调节的神经元比例在增强和减弱两个方向上均有所增加，然而，在群体水平上的净效应是中性的。对单电极ICMS反应强烈的神经元在双电极刺激期间倾向于被减弱，而反应较弱的神经元则往往被增强。最显著的调节效应发生在两个电极之间的中等距离处。总之，我们的结果表明双电极产生非线性神经调节效应，反映了复杂的电路水平相互作用。这些数据提供了对单细胞调节的更好理解，展示了皮层网络如何整合多个ICMS输入，并为优化神经假体性能提供了必要的策略参考。