王兆祥
- 作品数：11 被引量：14H指数：2
- 供职机构：浙江大学生物医学工程与仪器科学学院生物医学工程教育部重点实验室更多>>
- 发文基金：国家自然科学基金国家重点基础研究发展计划更多>>
- 相关领域：医药卫生机械工程电子电信更多>>
- 时变参数神经电刺激系统的设计及其应用被引量：2
- 2021年
- 目前,常规神经电刺激产品仅提供可预设参数的恒定刺激模式,而新型时变刺激模式是拓展神经电刺激产品临床应用的重要研究方向之一。为了便于在动物实验中施行时变的电刺激,本研究设计利用LabVIEW软件,控制通用的数据采集卡和电刺激器,构建了可输出各种实时变化的脉冲序列集成刺激系统。它可以产生具有均匀、正态、伽马和泊松等特定分布的时变脉冲间隔(IPI)脉冲序列,也可以产生其他任意时变IPI脉冲序列。此外,脉冲幅值、脉宽、双相脉冲相间延时和脉冲序列时长等参数可调。该刺激系统的性能测试结果显示,其输出脉冲序列各种参数的误差均小于1%。利用此系统生成间隔在5~10 ms范围内随机时变的脉冲序列,并用于大鼠海马脑区进行动物实验。实验结果显示,即使平均脉冲频率同样为130 Hz左右,随机变频刺激对于神经元群体的兴奋作用显著强于恒定频率刺激。总之,本文设计的刺激系统可为研究和开发新型神经电刺激模式提供有用的工具。
- 杨刚生封洲燕郑吕漂王兆祥
- 关键词：神经电刺激
- 高频电刺激改变神经元锋电位的波形被引量：5
- 2016年
- 为了正确检测和研究高频电刺激（high frequencystimulation,HFS）期间神经元的动作电位发放活动,进而深入揭示深部脑刺激治疗神经系统疾病的机制,本课题研究HFS期间锋电位波形的变化.在麻醉大鼠海马CA1区的输入神经通路Schaffer侧支上,施加1-2 min时长的100或者200 Hz顺向高频刺激（orthodromic-HFS,O-HFS）,利用微电极阵列采集刺激下游神经元的多通道锋电位信号,并获得由O-HFS经过单突触传导激活的中间神经元的单元锋电位波形及其特征参数.结果表明,O-HFS使得锋电位的幅值明显减小而半高宽明显增加,以基线记录为基准计算百分比值,O-HFS期间锋电位的降支幅值和升支幅值分别可减小20%和40%左右,半高宽则增加10%以上.并且,在大量神经元同时产生动作电位期间,或者在比200 Hz具有更大兴奋作用的100 Hz刺激期间,锋电位波形的改变更多,幅值的减小可达50%,宽度的增加可达20%.可以推测,高频电刺激对于神经元的兴奋作用可能升高细胞膜电位,从而改变细胞膜离子通道的活动特性,导致动作电位波形的改变.这些结果支持深部脑刺激具有兴奋性调节作用的假说,对于正确分析高频电刺激期间神经元锋电位活动具有指导意义,也为进一步研究深部脑刺激（DBS）治疗脑神经系统疾病的机制提供了重要线索.
- 朱玉芳封洲燕王兆祥余颖郭哲杉
- 关键词：深部脑刺激幅值群峰电位兴奋性
- 深部脑刺激中单相脉冲与双相脉冲的作用比较
- 2015年
- 深部脑刺激在帕金森和癫痫等脑部疾病治疗中的应用不断发展,它使用的电刺激波形通常为窄脉冲。但是,对于单相脉冲与双相脉冲的刺激作用之间的差别还缺乏全面的认识。为了研究不同波形脉冲对于深部脑组织的刺激作用,在麻醉大鼠海马CA1区的输入和输出轴突纤维上,分别施加不同极性的或者不同方式的(单个或连续)单相和双相脉冲,考察CA1区神经元单细胞和神经元群体在刺激作用下的响应,以定量分析不同刺激波形的作用效果。共计18次动物实验结果如下:1)CA1区输入通道的小强度单个刺激顺向诱发单元锋电位时,以兴奋性相位为前相的双相脉冲和兴奋性单相脉冲的诱发率(分别为69.2%±10.4%和65.0%±10%)显著高于以非兴奋性相位为前相的双相脉冲和非兴奋性单相脉冲的诱发率(分别为28.8%±9.5%和34.2%±12.5%)(n=6);而且,双相脉冲的作用效果取决于前相,与无后相的单相脉冲的作用效果没有显著差别。2)CA1区输出通道的大强度单个刺激逆向诱发群峰电位时,双相脉冲的作用仍然与单相脉冲接近(n=6),由其前相主导,后相的作用较小。3)在CA1区输出通道逆向的100 Hz持续高频串刺激期间,起始0.5 s时间内单相脉冲引起群峰电位的幅值下降(54.2%±21.3%)显著高于前相与其一致的双相脉冲所引起的幅值下降(39.0%±10.2%)(n=6),说明高频串刺激时单相脉冲的作用比双相脉冲要强,但是单相脉冲可能造成神经组织的损伤。因此,长时间的高频刺激治疗应采用双相脉冲。这些研究结果对于深入了解深部脑刺激的作用机制以及安全有效地推广其临床应用都具有重要意义。
- 胡娜封洲燕郭哲杉王兆祥余颖
- 关键词：深部脑刺激高频刺激群峰电位
- 神经元对于高频电刺激的动态响应
- 2018年
- 深部脑刺激(deep brain stimulation,DBS)在许多神经系统疾病的临床治疗上都展现出良好的应用前景,然而,其作用机制尚不明确.常规DBS采用高频刺激(high frequency stimulation,HFS)的脉冲序列,这种窄脉冲最容易激活神经元结构中的轴突部分,通过轴突的投射,将HFS的作用传播至下游神经元.因此,为了探讨DBS的作用机制,并鉴于海马脑区是治疗癫痫和痴呆症等疾病的重要靶点,我们研究了海马区轴突HFS对于下游神经元的作用.对麻醉大鼠的海马CA1区传入神经通路Schaffer侧支施加1 min的100 Hz高频刺激,记录并提取下游CA1区锥体神经元和中间神经元的单元锋电位.计算锋电位的发放率,以及它们与刺激脉冲之间的锁相值(phase-locking value,PLV)和潜伏期,以定量分析HFS期间神经元动作电位发放的变化趋势.结果显示,在传入轴突上施加HFS时,初期会诱发下游神经元群体同步产生动作电位(即群峰电位).在HFS后期(群峰电位消失之后),两类神经元的单元锋电位发放仍然持续,并且发放率较稳定.但是,锋电位与刺激脉冲之间的锁相性逐渐减弱、潜伏期逐渐延长.而且,与中间神经元相比较,锥体神经元锋电位的锁相性更弱、潜伏期更长.这些结果表明,持续的轴突HFS可以诱导下游神经元产生非同步的活动,高频脉冲刺激引起的不完全轴突传导阻滞可能是导致该现象产生的主要原因.本文的研究为揭示脑刺激的作用机制提供了重要信息.
- 黄璐封洲燕王兆祥
- 关键词：高频刺激潜伏期
- 大鼠海马神经元对于高频脉冲刺激的暂态响应被引量：1
- 2021年
- 闭环刺激是深部脑刺激(deep brain stimulation,DBS)的重要发展方向之一,有望用于治疗多种脑神经系统疾病.与常规开环的长时间持续刺激不同,闭环刺激通常采用短促的高频脉冲序列.而神经元对于高频刺激的响应存在暂态过程,在初期的短时间内会发生很大变化,从而影响闭环刺激的作用.为了研究这种暂态过程,在大鼠海马CA1区传出轴突纤维(alveus)上施加不同频率的恒频以及随机变频的逆向高频刺激(antidromic high-frequency stimulation,A-HFS),并以逆向诱发的群峰电位(antidromically-evoked population spike,APS)的幅值作为指标来考察神经元群体的响应.研究结果表明,100、133和200 Hz的恒频A-HFS初期,APS迅速衰减,脉冲频率越高,APS衰减越快.平均不到1 s时间内APS的幅值就会下降一半以上,100 Hz时的平均半衰期为~0.96 s,频率增加1倍至200 Hz时,平均半衰期缩短至~0.21 s.使用100~200 Hz范围内实时微调脉冲间隔的随机变频刺激,则可以显著延缓神经元响应的衰减速度,延长刺激作用的维持时间.这些结果可以为短促闭环刺激等DBS新模式的开发提供依据.
- 胡一凡封洲燕王兆祥郑吕漂
- 关键词：高频刺激暂态响应群峰电位脉冲间隔
- 海马区锥体神经元轴突高频电刺激对胞体的影响
- 2023年
- 目的深部脑刺激(deep brain stimulation,DBS)利用持续的电脉冲高频刺激(high-frequency stimulation,HFS)调控神经元的活动,可望用于治疗更多脑疾病。为了深入了解HFS的作用机制,促进DBS的发展,本文研究轴突HFS在引起轴突阻滞期间神经元胞体的改变。方法在麻醉大鼠海马CA1区的锥体神经元轴突上施加脉冲频率为100 Hz的1 min逆向高频刺激(antidromic high-frequency stimulation,A-HFS)。为了研究胞体的响应,利用线性垂直排列的多通道微电极阵列,记录刺激位点上游CA1区锥体神经元胞体附近各结构分层上的诱发电位,包括A-HFS脉冲诱发的逆向群峰电位(antidromic population spike,APS)以及A-HFS期间施加的顺向测试脉冲诱发的顺向群峰电位(orthodromic population spike,OPS),并计算诱发电位的电流源密度(current-source density,CSD),用于分析A-HFS期间锥体神经元胞体附近动作电位的生成和传导。结果锥体神经元轴突上的A-HFS会减小胞体对于逆向和顺向兴奋的传导速度。并且,这种胞体变化的发生和恢复都比A-HFS诱导的轴突阻滞要缓慢。结论轴突上的持续高频刺激可以引起胞体产生变化,这种变化可能是胞体附近细胞膜电位改变所致。此发现有助于深入揭示脑神经系统电刺激的作用机制。
- 徐义鹏封洲燕袁月胡一凡叶翔宇王兆祥
- 关键词：高频刺激群峰电位锥体神经元
- 变间隔的脉冲改变高频刺激对于脑神经元的作用被引量：2
- 2019年
- 通常采用恒定电脉冲间隔的高频刺激(high-frequency stimulation,HFS),进行深部脑刺激治疗帕金森氏症等运动障碍疾病.为了开发适用于不同脑疾病治疗的新刺激模式,近年来脉冲间隔(inter-pulse-interval,IPI)变化的变频刺激模式受到关注.已有研究表明,即使具有相同的平均电脉冲频率,变频刺激与恒频刺激的治疗效果也不同.我们推测,变频刺激的短小IPI变化就足以改变HFS对于神经元的作用.为了验证此推测,本文在大鼠海马CA1区锥体神经元的输入轴突纤维上交替施加恒频刺激(100或133 Hz,即IPI=10 ms或7.5 ms)和随机变频刺激(100~200 Hz,即IPI=5~10 ms,平均频率为133 Hz),记录并分析刺激下游神经元群体的诱发电位,用于定量评价神经元对于恒频和变频刺激的响应.实验结果表明,持续的恒频刺激使得神经元的响应从最初的同步发放形成的群峰电位(population spike,PS)转变为非同步的动作电位发放(即单元锋电位).但是,当刺激切换为变频模式时,却又可以诱发神经元群体同步产生动作电位,重新形成PS波.并且,变频刺激诱发的PS幅值和神经元发放的同步程度可达基线的单脉冲刺激诱发波的水平.但是,PS的发生率只有脉冲刺激频率的7%左右,表明在持续的变频刺激时,多个脉冲累积的作用才能诱发这种同步的神经元发放.而且PS的出现与前导IPI的长度之间存在一定关系.神经元的轴突和突触等结构对于高频刺激的非线性响应可能是变频刺激诱发同步活动的原因.这些结果表明,变频刺激序列中短小的间隔变化可以产生与恒定间隔不同的调控作用.本文的结果对于揭示脑刺激的作用机制,促进新型刺激模式的开发及其在不同类型脑疾病治疗中的应用具有重要意义.
- 胡汉汉封洲燕王兆祥郑吕漂黄璐
- 关键词：高频刺激脉冲间隔随机频率群峰电位
- 深部脑刺激期间神经元动态活动的光栅图描述方法
- 2019年
- 深部脑刺激(DBS)中常用的电脉冲高频刺激(HFS)已在多种脑疾病的治疗中取得良好疗效。研究HFS期间刺激下游神经元动作电位发放及其与刺激脉冲之间关系的动态变化,对于揭示DBS的作用机制、开发闭环刺激等新型刺激模式都具有重要意义。为了直观地展示HFS期间(尤其在HFS起始阶段)神经元活动的动态变化,本文设计了一种二维光栅图,将HFS期间神经元的动态活动图示化,并研究了光栅图分辨率的变化对图示化效果的影响。研究发现,利用该光栅图研究大鼠海马CA1区轴突HFS的作用,能够直观地展现周期性脉冲刺激期间单个神经元动作电位(即锋电位)的锁相性和潜伏期等指标随时间的动态变化。并且,还可以直观地比较刺激启动前、后的锋电位发放变化,清晰地显示紧随HFS结束后的锋电位发放静息期等其他信息。此外,通过调整分辨率,该光栅图可以适应发放强度不同的神经元活动的图示化。与常规光栅图相比,新设计的光栅图提供的信息更多,图像更清晰,为研究高频脑刺激过程中神经元的活动提供了一种新工具。
- 黄璐王兆祥封洲燕
- 关键词：高频电刺激潜伏期
- 适用于宽频带记录信号的锋电位检测法被引量：1
- 2016年
- 为了考察深部脑刺激的高频电刺激(HFS)期间各种神经元单体的动作电位发放活动,排除电刺激诱发的群峰电位的干扰,设计了一种窗口检测新算法,直接用于检测宽频带记录信号中的锋电位。并且,利用仿真数据和大鼠海马CA1区实验记录数据验证此算法的有效性。结果表明,新算法的锋电位检出率显著大于常规阈值法,而误检率则显著小于阈值法。该算法对于高频刺激期间的仿真数据的锋电位检出率可达95%,误检率则仅为4%;对于7只大鼠的顺向高频刺激实验记录数据的平均锋电位检出率为88±1.4%,而误检率为4.6±1.1%。总之,新窗口法可以正确检测高频刺激期间的锋电位,用于研究各种神经元单体在电刺激期间的不同响应活动,为深入揭示深部脑刺激的神经网络机制提供了有用的新工具。
- 王兆祥封洲燕余颖朱玉芳郭哲杉
- 关键词：高频电刺激阈值法信噪比
- 癫痫模型中痫样棘波自动检测的新算法及其应用被引量：3
- 2017年
- 癫痫的典型特征是神经元群体产生异常同步发放,在记录的神经电信号中呈现为痫样棘波。为了定量分析癫痫发生时的痫样棘波,本文设计了一种基于窗口的检测法用于自动检测大鼠海马CA1区急性癫痫模型的棘波信号,即群峰电位(PS),并计算其特征参数。实验结果表明,在钾离子通道拮抗剂4-氨基吡啶(4-AP)和γ-氨基丁酸A型受体拮抗剂印防己毒素(PTX)诱导的癫痫模型中,该算法可直接从原始宽频带记录信号中正确识别PS波。两种模型中的PS检出率分别为94.2%±1.6%(n=11)和95.9%±1.9%(n=12),且误检率分别为3.5%±2.3%(n=11)和4.8%±2.3%(n=12),远小于普通阈值法的误检率。比较4-AP和PTX模型的PS波特征,结果显示:4-AP诱导的PS波具有较宽的波形,发放较分散,发放间隔主要分布于100~700 ms范围内。而PTX诱导的PS则呈现爆发式发放,发放率较高,发放间隔主要分布于2~20 ms范围内,使得每秒PS幅值之和显著大于4-AP模型。因此,PTX模型的神经元群体同步发放活动比4-AP模型要强烈。总之,该棘波检测新算法可以正确识别和分析痫样棘波,为癫痫发生机制的研究和癫痫治疗新方法的评估提供了一种有用的数据分析工具。
- 陈小千封洲燕郭哲杉周文杰王兆祥
- 关键词：癫痫模型群峰电位4-氨基吡啶印防己毒素
