电刺激诱发的外周神经同步异常的单单元特征分析

《Neuromodulation: Technology at the Neural Interface》：Single-unit characterization of electrically evoked peripheral nerve entrainment failure

　　

汤姆·方苏|秦佩君|阿尔温·索|伊斯梅尔·德韦吉奥卢|理查德·马丁·维克里|英格瓦尔斯·比尔兹涅克斯|莫希特·纳雷什·希夫达萨尼|吉拉·莫阿莱姆-泰勒|郭天若|费利克斯·彼得·阿普林

澳大利亚新南威尔士州悉尼市新南威尔士大学生物医学科学学院

摘要

研究目的

有证据表明，即使在低频率（<100赫兹）下，外周躯体感觉神经也无法稳定地跟随电刺激产生同步反应。这对外周神经调节装置而言是个问题，因为它可能导致预期与实际刺激效果出现差异。为探究这一问题，我们研究了外周神经单单位响应与电刺激的持续时间、频率及幅度之间的关系。

材料与方法

我们从斯普拉格道利大鼠的坐骨神经中获取了机械敏感单元的单单位挑丝记录。为分析尖峰同步失败的机制，我们以不同的持续时间、频率和幅度对大鼠后爪施加电刺激。此外，我们还交替施加电刺激和机械刺激脉冲，以研究二者在引发神经反应时的相互作用。通过线性混合效应回归模型，比较了不同刺激条件下的尖峰响应概率、尖峰潜伏期及尖峰幅度。为评估标准神经模型能否解释我们的研究结果，我们还在COMSOL/NEURON的麦金太尔-理查德森-格里尔髓鞘纤维模型中模拟了电刺激情况。

研究结果

持续电刺激在低至50赫兹的频率下就会导致尖峰同步失败。并非所有神经单元都受到同等影响；初始传导速度较快的单元在50赫兹、持续5分钟的电刺激下受影响更严重，而传导速度较慢的单元则在较高频率、较短持续时间（3秒）的电刺激下更容易出现同步失败。增加刺激幅度可恢复尖峰同步现象。此外，电刺激还会改变尖峰的潜伏期和幅度，并干扰机械刺激引发的神经活动。标准神经模型也出现了同步失败现象，但其时间进程与我们在体内观察到的情况有所不同。

结论

我们的数据为外周躯体感觉系统中因电刺激导致的尖峰同步失败现象提供了理论依据。根据研究结果，我们推测尖峰同步最初的失败与此前报道的轴突钾离子通道活性缓慢有关，而后续的同步失败则更可能与钠钾泵的传导功能有关。这项研究为理解限制临床神经调节装置效力的机制提供了重要见解。