综述：猕猴脑刺激的系统综述：趋势与未来方向

《Neuroscience & Biobehavioral Reviews》：A Systematic Review of Macaque Brain Stimulation: Trends and Future Directions

　　

约50%的猕猴刺激研究集中在相同的10个脑区。刺激频率，而非幅度或电极类型，是决定行为结果的关键但尚未充分探索的参数。较低刺激频率仍未得到充分探索，但可能揭示自然状态下的神经动力学，尤其是与功能性磁共振成像（fMRI）等生理读数结合时。研究人员将20世纪50年代至今的猕猴刺激参数系统编排到一个公开可用、可持续更新的数据库中，以支持未来研究。

1. 引言（Introduction）

高通道记录与同步刺激技术的快速发展为脑刺激研究拓展了应用前景，但需要厘清既往研究中哪些方法有效、哪些无效。非人灵长类（NHP）研究，尤其是猕猴属（Macaca）物种，因具有复杂认知能力且能报告感觉体验，为人类神经科学提供了不可替代的桥梁。电刺激并非均一干预，其效应强烈取决于靶区和刺激参数；例如在麻醉猕猴中，丘脑约50赫兹（Hz）刺激可恢复意识迹象，而约200 Hz刺激无效。然而，此前综述未系统回答哪些脑区已被研究、采用过哪些参数范围，以及参数选择是否影响行为效应。本研究基于1950年代至今的文献，通过可重复的综合分析并结合开放数据库解决上述问题。

2. 方法（Methods）

在PubMed数据库中以电刺激、光遗传刺激、微刺激、深部脑刺激与猕猴、恒河猴、食蟹猴等关键词组合检索（检索日期2025年6月16日），共获得2687条记录。纳入标准为清醒猕猴的电刺激和/或光遗传刺激研究，并排除脑状态改变模型（如帕金森病、癫痫）、以技术开发或验证为主要目的的研究、仅提及刺激而未结合刺激的纯电生理记录。最终纳入721项研究。研究者依据恒河猴皮质层级图谱（CHARM）和亚皮质图谱（SARM）标记1030个受刺激脑区，并将行为结果分为直接效应、间接效应、混合效应和无效应四类。电极类型依据接触面积分为微电极与宏电极。提取每项研究的刺激频率、幅度、波形和脉冲串时长。统计分析采用普通最小二乘（OLS）回归与广义加性模型（GAM）评估时间趋势，并用线性混合效应模型分析参数与行为结果的关系。

3. 结果（Results）

3.1 研究特征（Study characteristics）

纳入的721项研究中，683项使用电刺激，34项使用光遗传，4项两者兼用。最早研究发表于1954年，刺激区域为中央前回。电刺激研究数量自1970年起线性增长，2012年达峰值（27项），此后下降；自2009年恒河猴光遗传成功示范后，光遗传研究开始出现。期刊分布以Journal of Neurophysiology为主，但近年研究更多发表于高影响力综合期刊。物种上恒河猴（Macaca mulatta）占69%，各研究动物数多为1至15只，中位数为2只，并随时间略有下降。性别方面，仅雄性研究占44%，未报告性别占37%。刺激靶区通常为单一解剖区域，皮层靶区略多于皮层下；每项研究的靶区数量随时间轻微减少。

3.2 电刺激参数空间（Electrical stimulation: parameter space）

3.2.1 幅度（Amplitude）

皮层研究中86%使用微电极，其电流幅度中位数为50微安（μA），幅度范围宽度中位数也为50 μA；宏电极电流幅度中位数为500 μA，约为微电极的10倍，部分研究使用高达5毫安（mA）至10 mA电流。亚皮层研究中微电极使用比例略高于宏电极（56%对44%），微电极中位幅度同样为50 μA，宏电极为500 μA。刺激幅度随时间未见显著线性变化，但GAM提示可能存在非线性趋势。

3.2.2 频率（Frequency）

微刺激研究常用单一频率，皮层微刺激中位频率为250 Hz，最常用频率（众数）为200 Hz；宏刺激中位频率为50 Hz。亚皮层微刺激中位数同样为250 Hz，但分布更宽：上丘（SC）常使用300至500 Hz，而下丘脑、腹侧中脑和基底节通常使用低于100 Hz的频率。使用频率范围或单脉冲的研究较少。频率随时间仅呈微弱的线性下降，且未被GAM验证，因此不视为稳健的时间趋势。

3.2.3 波形（Waveform）

微刺激研究中双相波形占64%，单相占27%，另有9%未报告。双相刺激通常采用阴极先导（52%），但36%未报告相位顺序；双相脉宽中位数为200微秒（μs），单相脉宽中位数也为200 μs。随时间推移，双相波形使用比例显著增加。宏刺激研究中双相与单相各占35%，另有35%未指定波形；双相宏刺激脉宽中位数约238 μs，单相宏刺激中位数约500 μs。多数单相刺激为阴极波形。

3.2.4 脉冲串时长（The duration of pulse trains）

微电极研究中60%采用单一脉冲串时长，中位数为100毫秒（ms），27%使用时长范围，其中点中位数约210 ms。宏电极研究中43%采用单一时长，中位数为300 ms，11%使用单脉冲，部分研究刺激持续数秒或数分钟，中位范围中点约13.5秒。脉冲串时长随任务需求变化显著，单脉冲至数天均有出现。

3.2.5 行为（Behavior）

初级皮层（V1、体感皮层S1、初级运动皮层M1）更常报告直接行为效应；联合皮层（MT、下颞叶皮层ITC）的效应更多需要在训练任务中观察，归为间接效应。线性混合效应模型显示，刺激频率是直接效应（相对于间接、混合或无效应）的显著正预测因子（β = 0.07）；幅度与直接/无效应关系呈反向，单相波形与更多直接效应相关，微电极与宏电极之间的行为结果无显著差异。

3.3 光遗传刺激参数空间（Optogenetic stimulation: parameter space）

3.3.1 病毒载体与光敏蛋白（Viral vector and opsin）

光遗传研究中85%使用腺相关病毒（AAV），其中AAV5最常见（56%），15%使用慢病毒。兴奋性光敏蛋白（如ChR2、C1V1）的使用频率高于抑制性光敏蛋白（如ArchT、Jaws）。

3.3.2 幅度（Amplitude）

幅度报告方式不一：51%报告光功率，44%报告辐照度，4%未报告。光功率中位数为17.5毫瓦（mW），辐照度中位数约139毫瓦每平方毫米（mW/mm²）。在初级视觉皮层（V1），低辐照度（0.3–0.6 mW/mm²）可诱发神经反应但不产生行为效应，而0.8–2.4 mW/mm²可引发行为；上丘研究采用高达300–1600 mW/mm²辐照度。

3.3.3 频率与时长（Frequency and Duration）

55%的光遗传研究采用连续照明，中位刺激持续时间为300毫秒；45%采用间歇刺激，其中55%使用单一频率，中位频率为15 Hz，中位闪冲时长为9毫秒，中位脉冲串时长为1000毫秒。报道的最长连续光遗传刺激为10分钟，以5–7 Hz分别刺激运动皮层和体感皮层。

4. 讨论（Discussion）

4.1 靶区选择中的功能偏倚与空间空白（Functional Bias and Spatial Gaps in Target Selection）

约半数研究集中于10个区域，尤其强调初级运动皮层、额叶眼动区、辅助运动区和上丘。这种“效应器偏倚”可能源于这些区域可稳定诱发可测量的眼动或运动反应。相反，大范围顶叶皮层和许多皮层下区域被刺激次数很少。建议在低研究密度区域先使用已验证有效的参数，并联合fMRI等生理读数以解释功能。

4.2 幅度取决于电极类型（Amplitude Depends on Electrode Type）

宏电极所需电流幅度约为微电极的10倍，但幅度并非行为结果的清晰预测因子，这可能因为研究者常主动变化幅度以探索区域，且文献中记录了广泛幅度范围。本研究提供的幅度区间可作为未来研究设计的安全起点。

4.3 刺激频率很重要（Stimulation Frequency Matters）

频率是跨研究中最具预测力的参数，高频率更易产生直接行为效应。但区域水平数据不足，无法明确频率是否在所有区域均如此。较低的频率（如20–50 Hz）可能使神经活动更趋于自然模式，并调节网络激活范围及局部兴奋-抑制平衡。未来应在特征明确的区域（如V1或M1）系统比较低频与高频，并避免在低研究密度区域同时测试陌生参数。

4.4 波形考量（Considering the Waveform）

双相波形因能降低组织损伤和电极退化风险而成为主流，且通常以阴极先导。脉宽多集中在200–500微秒，与轴突的时值（chronaxie）范围一致，从而优化能量传递。部分研究比较了V1不同层阳极与阴极脉冲的效率，提示波形可能通过激活细胞体或轴突的差异而影响效应。许多研究仍缺少相位顺序等关键细节。

4.5 脉冲串时长遵循任务需求（Train Duration Follows Task Demands）

微电极研究常用100–200毫秒的短脉冲串以匹配单一行为事件（如一次扫视或伸手），宏电极研究则常用更长刺激时长以维持运动或临床状态的调制。因此，脉冲串时长主要由行为目标或临床问题决定，而非作为系统变化的独立变量。

4.6 标准化光遗传刺激幅度报告（Standardizing Optogenetic Stimulation Amplitude Reports）

光遗传研究数量较少，部分原因可能是在非人灵长类中稳定诱发行为效应较难。幅度报告方式不一致，建议同时报告光功率和辐照度，因为辐照度更能反映实际到达组织的光强。目前仅半数研究提供辐照度数据。

4.7 塑造神经刺激的未来（Shaping the Future of Neural Stimulation）

新兴策略包括仿生刺激（使参数更贴合自然神经活动模式）和闭环刺激（依据神经反馈实时调整参数）。本综述提供的开放数据库与交互式平台可作为优化和验证这些自适应刺激策略的参考起点。