用于治療難治性神經(jīng)精神的神經(jīng)技術(shù)的發(fā)展，取決于對大規(guī)模腦網(wǎng)絡中神經(jīng)回路動態(tài)的理解和操控測繪器 。中腦邊緣通路在獎賞處理和情緒調(diào)節(jié)中起著至關(guān)重要的作用，該通路的紊亂是許多神經(jīng)精神的基礎。在此，我們介紹一種定制的半慢性微驅(qū)動器陣列的設計，該陣列能夠精準靶向非人類靈長類動物（NHP）中腦邊緣系統(tǒng)和基底神經(jīng)節(jié)系統(tǒng)的解剖結(jié)構(gòu)。我們還介紹一種綜合實驗范式，利用該裝置對大規(guī)模神經(jīng)回路進行映射和操控。該系統(tǒng)結(jié)合了電生理學、時空多位點模式化皮質(zhì)內(nèi)微刺激（ICMS）以及擴散束成像技術(shù)。我們認為，該系統(tǒng)為探索和識別神經(jīng)特征提供了一個靈活的平臺，這些神經(jīng)特征可作為神經(jīng)精神臨床治療中閉環(huán)刺激的新靶點。

一、介紹

電刺激作為一種替代藥物治療神經(jīng)精神（如難治性抑郁癥、焦慮癥和創(chuàng)傷后應激障礙）的手段正日益普及測繪器 。然而，現(xiàn)有技術(shù)無法提供精準、有效且個性化的治療方案。

神經(jīng)精神常影響神經(jīng)網(wǎng)絡中的大規(guī)模腦回路測繪器 。為了通過識別合適刺激靶點來建立穩(wěn)定可靠的治療方法，需要開發(fā)新的神經(jīng)技術(shù)。這些技術(shù)有助于深入理解大規(guī)?；芈啡绾瓮ㄐ?，并修正由神經(jīng)系統(tǒng)引發(fā)的回路功能障礙。

本文提出了一種用于非人靈長類動物中腦邊緣系統(tǒng)和基底神經(jīng)節(jié)系統(tǒng)大規(guī)?；芈范ㄎ坏陌肼晕Ⅱ?qū)動陣列測繪器 。研究人員通過整合開環(huán)多部位模式化皮層內(nèi)微刺激（ICMS）與彌散纖維束成像技術(shù)，建立了一種獲取詳細大規(guī)模功能連接圖譜的方法，并以側(cè)眶額葉皮層（lOFC）與尾狀核之間的功能連接映射與調(diào)控為例，展示了這種集成方法。

二、大規(guī)模微驅(qū)動系統(tǒng)設計

研究人員開發(fā)了定制化的大規(guī)模半慢性微驅(qū)動系統(tǒng)，用于同步實施皮層內(nèi)記錄與微刺激，服務于大規(guī)?；芈范ㄎ?strong>測繪器 。該系統(tǒng)根據(jù)獼猴個體的大腦結(jié)構(gòu)、顱骨及腦血管特征（通過解剖磁共振成像及ABLAVAR?造影劑獲得的血管造影圖像）進行個性化設計，并與MNI Paxinos腦區(qū)標記體系進行配準。微驅(qū)動系統(tǒng)覆蓋中腦邊緣系統(tǒng)和基底神經(jīng)節(jié)系統(tǒng)相關(guān)結(jié)構(gòu)，包括OFC、腹內(nèi)側(cè)前額葉皮層（vmPFC）、前扣帶回皮層（ACC）、丘腦、背側(cè)/腹側(cè)紋狀體、蒼白球，以及可能包括杏仁核與海馬（圖1）。

圖1.左圖：在基于磁共振成像（MRI）的三維重建大腦上對感興趣的皮質(zhì)和皮質(zhì)下區(qū)域進行解剖定位測繪器 。黑點間距為1.5毫米的微驅(qū)動器疊加電極網(wǎng)格。顏填充區(qū)域三個記錄組，其使用約0.1兆歐的鉑銥電極，目標是所有感興趣的大腦區(qū)域。右圖：微驅(qū)動器組件的三維示意圖，其中腔室由聚醚酰亞胺（Ultem）塑料制成，以保持與MRI的兼容性 。

該微驅(qū)動系統(tǒng)的螺桿傳動機構(gòu)可沿單軸雙向獨立控制220根微電極（間距1.5毫米）的位置調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍達32毫米，精度為125微米測繪器 。每個執(zhí)行器由導螺桿、導電環(huán)氧樹脂固定于電極尾端的淚滴形黃銅滑座及壓縮彈簧構(gòu)成，單電極定位精度約15微米。系統(tǒng)中配置兩類微電極：用于ICMS和皮層內(nèi)記錄的鉑/銥電極（Microprobes，阻抗0.1-0.5 MΩ），以及用于皮層內(nèi)記錄的玻璃絕緣鎢電極（阻抗0.8-1.2 MΩ，測試頻率1 kHz）。如圖1所示，鉑/銥電極可覆蓋中腦邊緣系統(tǒng)和基底神經(jīng)節(jié)系統(tǒng)所有目標解剖區(qū)域。

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三、彌散加權(quán)成像在精準定位與連接研究中的應用

研究人員通過多殼層高角分辨率擴散成像（HARDI）纖維束追蹤技術(shù)實現(xiàn)與微驅(qū)動系統(tǒng)植入的配準測繪器 。該技術(shù)在建立中腦邊緣系統(tǒng)各節(jié)點刺激的個性化方案中具有關(guān)鍵作用，能夠確定個性化刺激靶點清單并分析靶點差異對刺激效果的影響。當發(fā)現(xiàn)有效刺激位點時，可解析其遠程解剖連接網(wǎng)絡以實施更復雜的因果性環(huán)路調(diào)控。

實驗中采用三維梯度方向數(shù)據(jù)（64個方向，空間分辨率1.2 mm2）采集白質(zhì)纖維束信息，使用3-Tesla Allegra掃描系統(tǒng)配合四通道相控陣中的三個單元完成數(shù)據(jù)采集（TR=7000 ms，TE=110 ms，b值：0/750/1500/2250 s/mm2，層厚1.2 mm）測繪器 。為消除磁場不均勻性導致的幾何畸變，采用反向相位編碼技術(shù)獲取成對反向畸變圖像，并通過FSL的TOPUP工具估計場畸變參數(shù)生成校正圖像，隨后使用eddy工具校正梯度方向引起的渦流效應。

圖2展示了多殼層HARDI數(shù)據(jù)與高分辨率解剖掃描的精準配準結(jié)果，以及經(jīng)過驗證的電極定位信息測繪器 。微電極以62.5-125 μm步進直至抵達目標解剖結(jié)構(gòu)，隨后進行62.5 μm的精細調(diào)整以實現(xiàn)白質(zhì)纖維束接觸。

圖2. （A）植入靶向腔室（藍）的動物的大腦表面重建圖測繪器 。（B）局部纖維方向的擴散加權(quán)推斷。疊加圖：從擴散加權(quán)成像矢量場推斷出的主要軸突束方向。每個主要擴散方向矢量根據(jù)方向分別用紅、綠或藍編碼：左右方向為紅，前后方向為綠，背腹方向為藍。底圖：各向異性圖顯示了高（白）和低（灰）擴散率的區(qū)域。高擴散率表明存在主要的、高度排列的白質(zhì)束。（C）白質(zhì)和灰質(zhì)結(jié)構(gòu)的解剖學分區(qū)。藍點表示在橫向切片深度2毫米范圍內(nèi)的電極。綠點顯示用于雙極皮層內(nèi)微刺激（ICMS）的一對電極。黑點疊加的微驅(qū)動電極網(wǎng)格 。

四、實驗動物準備與系統(tǒng)配置

01.動物準備

所有均符合國立衛(wèi)生研究院實驗動物使用規(guī)范，并獲得紐約大學實驗動物倫理會批準測繪器 。實驗選用雄性獼猴（體重8.4 kg），采用影像引導立體定位技術(shù)實施左側(cè)額葉靶區(qū)開顱及硬腦膜減薄術(shù)，并安裝定制化大型記錄艙。該記錄艙通過牙科粘固劑與顱骨表面精準固定（配準誤差1 mm，標稱精度0.4 mm），隨后將半慢性微電極驅(qū)動系統(tǒng)植入并密封。

02.皮層內(nèi)記錄與微刺激

實驗在黑暗的電磁屏蔽環(huán)境中進行，動物頭部固定于靈長類專用座椅測繪器 。雙相電荷平衡方波脈沖（Cerestim R96）通過鉑/銥電極對施加，同時采用后頂葉硬腦膜接地螺釘作為參考電極。神經(jīng)信號經(jīng)多通道同步放大與數(shù)字化處理（16位精度，30 kHz采樣率），并通過實時存儲系統(tǒng)持續(xù)記錄。為抑制共模誘發(fā)響應，采用局部3 mm內(nèi)鄰近通道作為參考進行刺激觸發(fā)平均分析。

五、基于模式化開環(huán)皮層內(nèi)微刺激的大規(guī)?；芈范ㄎ?/p>

01.泊松簇刺激的回路定位

本研究通過多靶點記錄結(jié)合ICMS技術(shù)，系統(tǒng)性評估神經(jīng)回路中不同節(jié)點的抑制/興奮響應特性測繪器 。研究人員采用彌散纖維束成像技術(shù)解析眶額葉皮層（OFC）1 mm直徑區(qū)域與鄰近皮層/皮層下區(qū)域的解剖連接，并基于電生理與影像數(shù)據(jù)實現(xiàn)微電極的迭代精確定位。實驗通過泊松單脈沖簇刺激（圖3A）實現(xiàn)側(cè)眶額葉皮層（lOFC）與尾狀核體的功能連接解析，并展示高頻強直刺激對其他腦區(qū)功能連接的可調(diào)控性。

圖3. （A）泊松爆發(fā)刺激序列由時長1秒的脈沖爆發(fā)和1 - 3秒的基線期組成測繪器 。（B）尾狀核體部一個電極（圖D中的藍點）相對于其相鄰電極（圖D中的紅點）的平均誘發(fā)電位（平均值±平均標準誤*，n = 497次單脈沖刺激），該誘發(fā)電位由眶額葉皮質(zhì)（lOFC）中一對電極（圖D中的黃點和綠點）進行雙極爆發(fā)刺激所引發(fā)。（C）尾狀核體部記錄電極和參考電極（分別為圖D中的藍點和紅點）的平均誘發(fā)電位。（D）記錄電極（藍點）位于橫向切片深度2毫米范圍內(nèi)層面的解剖學磁共振成像（MRI）。黑點為疊加的電極網(wǎng)格。*平均標準誤（sem）均值的標準誤差

泊松簇刺激采用雙相電荷平衡方波脈沖序列，參數(shù)設置為：脈沖幅度50 μA、單相脈寬100 μs、相位間隔53 μs、基礎頻率5 Hz（不應期200 ms）測繪器 。雙極刺激模式通過極性相反的電極對實現(xiàn)（圖3D中黃點為陰極，綠點為陽極）。

圖3B展示了lOFC靶點刺激引發(fā)的尾狀核體雙極平均誘發(fā)響應（通過藍/紅電極響應差分重建）測繪器 。圖3C的響應特征提示lOFC與尾狀核間存在功能性連接通路。該結(jié)果與彌散纖維束成像顯示的解剖連接路徑相吻合（圖3E）。

02.時空多維模式化預刺激-強直-探測刺激的回路定位

為深入解析lOFC-尾狀核功能連接特性，研究人員開發(fā)了包含200 Hz強直刺激的多維模式化ICMS方案（圖4A）測繪器 。該方案包含三個階段：1）預刺激（電極對A）探測網(wǎng)絡興奮節(jié)點；2）強直刺激（電極對B）調(diào)控目標區(qū)域；3）探測刺激（復用電極對A）評估節(jié)點興奮性變化。

圖4. （A） 多部位圖案化雙極強直前探測刺激框架通過兩對電極實現(xiàn)，其中在通過節(jié)點對2（圖E中的青點）進行強直刺激之前和之后，通過節(jié)點對1（圖E中的黃和綠點）進行單脈沖刺激測繪器 。（B） 以尾狀核體部的一個電極（圖E中的藍點）相對于其相鄰電極（圖E中的橙點）記錄的強直前刺激和探測刺激的平均誘發(fā)電位（n = 59次單脈沖刺激），其中強直前刺激間隔時間τpre = 500毫秒，探測刺激間隔時間τprobe = 20毫秒。（C） 和（D） 分別為來自記錄電極和參考電極（圖E中的藍和紅點）的強直前刺激和探測刺激的平均誘發(fā)電位（n = 59）。（E） 記錄電極（藍點）位于橫向切片深度2毫米范圍內(nèi)層面的解剖學磁共振成像（MRI），圖上疊加有電極網(wǎng)格（黑點）以及通過擴散束成像估計的、連脈沖刺激位點（黃和綠點）與記錄位點（藍和紅點）的一條可能的神經(jīng)束（紅） 。

預/探測單脈沖采用雙相電荷平衡方波（幅度30 μA，脈寬100 μs，相位間隔53 μs），強直刺激包含50個雙相方波序列（幅度20 μA，脈寬100 μs，相位間隔53 μs）測繪器 。雙極刺激模式通過反向極性電極對實現(xiàn)（圖4E中黃/綠電極）。

圖4顯示lOFC節(jié)點刺激（黃/綠電極）在尾狀核體引發(fā)雙極誘發(fā)響應（藍/橙電極），隨后在響應區(qū)附近施加強直刺激（青電極）測繪器 。結(jié)果顯示尾狀核體在強直刺激后出現(xiàn)單極（圖4D）與雙極（圖4B）誘發(fā)響應的同步抑制效應，證實lOFC-尾狀核功能連接具有高頻刺激誘導的可塑性特征。圖4E的彌散纖維束成像進一步驗證了該通路的解剖連接基礎。

六、討論

神經(jīng)精神通常表現(xiàn)為跨多腦區(qū)協(xié)同功能障礙，這些區(qū)域通過直接或間接連接形成大規(guī)模腦網(wǎng)絡測繪器 。在環(huán)路水平深入解析此類的病理機制，將為開發(fā)治療方案提供理論基礎。本研究建立的非人靈長類整合性實驗平臺（電生理記錄-皮層內(nèi)微刺激-彌散纖維束成像），實現(xiàn)了中腦邊緣系統(tǒng)與基底神經(jīng)節(jié)皮層/皮層下結(jié)構(gòu)的精準環(huán)路定位與功能調(diào)控。

實驗數(shù)據(jù)顯示，側(cè)眶額葉皮層（lOFC）單脈沖簇微刺激可在尾狀核體誘發(fā)興奮性響應，證實lOFC-尾狀核通路具有神經(jīng)驅(qū)動功能測繪器 。進一步通過中時程高頻強直刺激（250 ms）可誘導通路興奮響應抑制效應，提示該環(huán)路具備活動依賴性可塑性調(diào)控特征。后續(xù)研究將重點探索臨床相關(guān)長時程強直刺激方案，并解析強直刺激終止至探測脈沖起始的時間間隔（τprobe）對神經(jīng)響應抑制效果的影響，以建立標準化環(huán)路抑制干預策略。

本研究所提出的時空多維模式化皮層內(nèi)微刺激框架（預刺激-強直-探測）具有高度可擴展性，可同步實現(xiàn)多靶點預/探測單脈沖刺激，用于分析跨腦區(qū)（如OFC、ACC、vmPFC、背/腹側(cè)紋狀體及蒼白球）節(jié)點間神經(jīng)信號相干性特征，全面評估大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡各節(jié)點的活動狀態(tài)測繪器 。

未來研究將結(jié)合行為學范式，進一步整合多維模式化皮層內(nèi)微刺激技術(shù)測繪器 。通過同步記錄刺激過程中行為學參數(shù)與神經(jīng)編碼特征，可深入解析中腦邊緣系統(tǒng)與基底神經(jīng)節(jié)決策環(huán)路中關(guān)鍵節(jié)點的動力學調(diào)控機制?；谏?功能映射構(gòu)建的計算模型，將有效預測特定腦區(qū)刺激對神經(jīng)功能調(diào)控的最優(yōu)干預策略。

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