CN109124807A - 一种基于时间相干刺激的大鼠脊髓运动功能重建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时间相干刺激的大鼠脊髓运动功能重建方法，通过Matlab仿真软件设计刺激频率波形，用两个函数信号发生器或者Master‑9脉冲刺激器调节频率、幅值、波形，对4只大鼠脊髓的T9、T12、L1三个节段进行经皮表面电刺激，记录刺激电极植入位点的诱发运动类型。本发明通过时间干涉刺激对大鼠脊髓表面进行刺激，大鼠下肢的一系列运动反应证明了这种无创电刺激的可行性，这种刺激在未来人类疾病的治疗上一定会发生不可代替的作用。

Description

一种基于时间相干刺激的大鼠脊髓运动功能重建方法

技术领域

本发明涉及大鼠脊髓运动功能重建技术领域，具体为一种基于时间相干刺激的大鼠脊髓运动功能重建方法。

背景技术

脊髓是人和脊椎动物神经系统的重要组成部分，它位于脊椎骨组成的椎管内，呈长圆柱状，内部有一个灰质区，灰质区呈H状或蝴蝶型，脊髓主要由神经细胞构成；灰质区的周围是白质区，它主要由脊髓神经纤维组成^[22]。它两旁会发出成对的神经，这些神经通往全身各个部分，如皮肤、肌肉、器官；脊髓还是周围神经与脑之间的通路，是许多简单反射活动的低级中枢^[23]。脊髓的主要功能有：反射功能、传导功能、运动功能、调节功能。它将皮肤、肌肉和内脏器官等组织中的神经信息传递到大脑，同时又负责将大脑的控制指令传递给肢体的各个部位。一旦脊髓发生损伤很大程度上会导致不同程度的肢体瘫痪。因此，脊髓对于我们而言是至关重要的。

近年来，由交通事故、自然灾害等意外伤害所导致的脊髓损伤患者越来越多，造成其不同程度的肢体瘫痪。虽然近期大量生物学和干细胞移植研究有了突破性的进展，但大都尚未在临床上实际应用。随着科技的发展,应用电子信息科学和技术逐渐被应用到生物神经系统上并且受到人们的广泛关注。大量研究证实,脊髓电刺激可以有效治疗由于脊髓损伤所导致的下肢运动功能障碍,电刺激成为一项具有应用前景的新的治疗性技术。

脊髓电刺激(SCS)是把电极植入脊髓硬膜外腔,并且通过电流脉冲刺激脊髓的脊柱束和感觉神经来达到治疗损伤脊髓的目的。脊髓电刺激系统由电脉冲发生器、刺激电极和延长导线组成。诱发电位是指对对神经系统的特定部位给以适宜的微电刺激，在相应部位产生可以检出的,与刺激有相对固定时间间隔(锁时关系)和特定位相的生物电反应。随着设备的不断改进,SCS有了快速的发展,电刺激的效果不断提高,应用领域逐渐增多。

虽然ESCS可以有效诱发脊髓损伤下游的运动信号传导，但是植入电极会给患者带来组织损伤和巨大的痛苦。近日研究发现的时间干涉电刺激，可以无侵入的准确的刺激到脊髓相应的部位，而且不会造成任何副作用，这对未来人类疾病的治疗特别是帕金森病的治疗非常有益。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于时间相干刺激的大鼠脊髓运动功能重建方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于时间相干刺激的大鼠脊髓运动功能重建方法，包括以下步骤：

A、暴露脊髓位置；

B、刺激电极；

C、刺激信号；

D、神经信号记录；

E、频率的选择；

F、模型的仿真波形制作；

G、大鼠脊髓刺激位点的选择。

优选的，所述步骤A中具体方法为：先对手术器械高温消毒；在大鼠的经腹腔注射10％的水合氯醛，麻醉生效后确定T9、T12、L1节段的脊椎并剔除其脊背鼠毛，75％的酒精消毒，用手术刀将大鼠脊髓表层皮肤切开，以利于电极的插入。

优选的，所述步骤B中刺激电极采用美国MicroProbes公司的钨丝单电极，电极型号为WE30030.5A3，轴径0.081mm，尖端直径2-3mm，阻抗0.5meg；记录电极采用美国MicroProbes公司生产的钨丝单电极，电极型号为WE30031.0A3，轴径0.081mm，尖端直径2-3mm，阻抗1.0meg。

优选的，所述步骤C中具体方法为：通过两个函数信号发生器调制出不同频率、不同幅值的波形，对大鼠脊髓的T9、T12、L1节段进行表面电刺激，观察大鼠的四肢及尾巴的运动情况，记录刺激频率，通过一系列的数据实验观察分析大鼠四肢运动的规律。

优选的，所述步骤D中具体方法为：先将大鼠固定在定位仪上，将刺激电极连接到大鼠的刺激位点上，两个函数信号发生器首先采用的是2000kHz和2200kHz的正弦波频率进行电刺激，此时大鼠的右腿出现了抽动的现象；接着通过改变频率和幅值的大小，改变波形的形状，刺激强度逐渐增加或减小，观察大鼠的四肢及尾巴反应，记录出现运动的阈值。

优选的，所述步骤E中刺激频率采用2000kHz和2010kHz。

优选的，所述步骤G中设置两个幅值相同的正弦波，都为100mV，对大鼠脊髓的T9、T12、L1三点进行时间干涉电刺激，保持幅值不变的情况下，调制输出波形的频率，观察大鼠的下肢诱发运动。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过时间干涉刺激对大鼠脊髓表面进行刺激，大鼠下肢的一系列运动反应证明了这种无创电刺激的可行性，这种刺激在未来人类疾病的治疗上一定会发生不可代替的作用。

(2)本发明中，当频率保持不变，改变幅值时，幅值的数值相差越小，大鼠的下肢反应越明显，会发生明显的收缩现象，幅值数据相差越大，大鼠的反射运动就越来越不明显，甚至没有任何反应；相反，如果其他数据不变，频率的数值相差越小，大鼠的反应会越来越小，甚至没有反应，如果频率差值越来越大，大鼠的反射运动会随着差值的增大而明显，大鼠出现尾巴右摆的现象，但是在改变幅值时不会出现这种结果。

(3)本发明中，刺激大鼠脊髓的T9、T12、L1三个节段，当幅值、波形保持不变，改变刺激波形。当刺激脊髓的T9节段时，大鼠下肢所作出的反应最为明显，在刺激T9、T12、L1三个节段时，如果他们的刺激频率相差的越大，大鼠下肢的反应都会有很明显的双腿交替抽动，但是越往脊髓的后部节段，如果频率相差较小时，大鼠下肢将不会产生任何反应。

附图说明

图1为本发明ESCS整体组成示意图；

图2为本发明2000kHz及2010kHz的正弦函数波形图；

图3为本发明2000kHz及2010kHz的正弦函数相加波形图；

图4为本发明2000kHz的正弦波和2100kHz的方波波形图；

图5为本发明2000kHz的正弦波和2100kHz的方波形成的包络波形图；

图6为本发明2000kHz的方波和2100kHz的方波波形图；

图7为本发明2000kHz的方波和2100kHz的方波形成的包络波形图；

图8为本发明2000kHz的正弦波和2010kHz的方波波形图；

图9为本发明2000kHz的正弦波和2010kHz的方波形成的包络波形图；

图10为本发明2000kHz的三角波和2005kHz的方波波形图；

图11为本发明2000kHz的三角波和2005kHz的方波形成的包络波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明使用的是健康成年SD大鼠4只，每一只体重250克至300克，并将4只SD大鼠随机编号为1、2、3、4。

(1)动物饲养环境

将4只老鼠饲养于相同的环境下：

①清洁干净的动物实验饲养笼子，中央空调，保持每间隔一段时间就集中通风以确保环境适宜。

②光照时间安排：12小时明亮，12小时黑暗。

③饲养环境：温度范围为20摄氏度至25摄氏度，相对湿度范围为40％～70％。

(2)饲料和饮水

每隔一定时间给与大鼠喂食，SD大鼠的饮水为城市自来水，每组SD大鼠都可自由饮食、饮水。

请参阅图1-11，本发明提供一种技术方案：本发明提供如下技术方案：一种基于时间相干刺激的大鼠脊髓运动功能重建方法，包括以下步骤：

A、暴露脊髓位置；

B、刺激电极；

C、刺激信号；

D、神经信号记录；

E、频率的选择；

F、模型的仿真波形制作；

G、大鼠脊髓刺激位点的选择。

本阀门中采用Matlab仿真软件模拟双电极刺激来实现实验效果。通过记录并刺激4只正常大鼠的运动和脊髓电刺激诱发电位，通过合成函数信号发生器，调出不同频率的波形，例如方波，三角波，正弦波等，对麻醉的大鼠脊髓的T9、T12、L1三个节段进行电刺激，观察大鼠下肢产生的的诱发运动，并记录数据，把植入电极的和非植入的结果进行对比并分析结果。脊髓电刺激系统组成SCS整套系统由一个电脉冲发生器、一个至两个刺激电极和一些延长导线组成。当电极植入硬膜外腔后，通过脉冲发生器发生电流，经延长导线到达电极，通过发放电刺激脊髓神经,达到运动刺激效果。

本发明中，步骤A中具体方法为：先对手术器械高温消毒；在大鼠的经腹腔注射10％的水合氯醛，麻醉生效后确定T9、T12、L1节段的脊椎并剔除其脊背鼠毛，75％的酒精消毒，用手术刀将大鼠脊髓表层皮肤切开，以利于电极的插入。

本发明中，步骤B中刺激电极采用美国MicroProbes公司的钨丝单电极，电极型号为WE30030.5A3，轴径0.081mm，尖端直径2-3mm，阻抗0.5meg；记录电极采用美国MicroProbes公司生产的钨丝单电极，电极型号为WE30031.0A3，轴径0.081mm，尖端直径2-3mm，阻抗1.0meg。

本发明中，步骤C中具体方法为：通过两个函数信号发生器调制出不同频率、不同幅值的波形，对大鼠脊髓的T9、T12、L1节段进行表面电刺激，观察大鼠的四肢及尾巴的运动情况，记录刺激频率，通过一系列的数据实验观察分析大鼠四肢运动的规律。

本发明中，步骤D中具体方法为：先将大鼠固定在定位仪上，将刺激电极连接到大鼠的刺激位点上，两个函数信号发生器首先采用的是2000kHz和2200kHz的正弦波频率进行电刺激，此时大鼠的右腿出现了抽动的现象；接着通过改变频率和幅值的大小，改变波形的形状，刺激强度逐渐增加或减小，观察大鼠的四肢及尾巴反应，记录出现运动的阈值。

本发明中，步骤E中刺激频率采用2000kHz和2010kHz。

本发明中，步骤G中设置两个幅值相同的正弦波，都为100mV，对大鼠脊髓的T9、T12、L1三点进行时间干涉电刺激，保持幅值不变的情况下，调制输出波形的频率，观察大鼠的下肢诱发运动。

在大鼠麻醉情况下，根据以上设计方案设置2000kHz和2010kHz的正弦波进行时间干涉电刺激，得出以下结果：

000kHz正弦波和2010kHz正弦波电刺激结果

根据以上表格数据结果分析，当两个正弦波的频率不变、刺激位点不变时，改变刺激大鼠的幅值，大鼠的下肢反应将随之变动。如果正弦波的两个幅值接近相同但相对幅值较小的时候，大鼠的左腿将会出现很明显的抽动并握爪；如果正弦波的幅值两个都接近50V的时候，大鼠的左右腿会交替收缩抽动；如果其中一个正弦波的幅值越大(接近1V)，而另一个幅值比较小的时候，大鼠的右腿将会持续收缩抽动握爪；如果正弦波的两个幅值都比较大的时候，大鼠的下肢几乎没有任何反应，只有右腿会轻微触动。

在大鼠麻醉情况下，根据以上设计方案设置2000kHz的正弦波和2010kHz的方波进行时间干涉电刺激，得出以下结果：

2000kHz正弦波和2010kHz方波电刺激结果

根据以上数据结果分析，当刺激电流波形为2000kHz的正弦波和2010kHz的方波时，整体上而言大鼠的右腿的反应比较明显。当正弦波的幅值较小时(为10V)，方波的幅值逐渐变大，当方波频率较小时，大鼠下肢左右腿交替收缩，反应比较明显，当他们幅值相同时，大鼠左腿收缩，而随着方波的幅值逐渐增大，大鼠的下肢没有任何反应。当正弦波的频率适中时(为50mV)，方波的频率与他差不多或者较大时，大鼠的右腿都会出现明显的收缩现象。如果正弦波的频率为100V时，不管方波频率为多大，大鼠依然是右腿出现明显的收缩触动现象。但是如果正弦波的幅值较大时，大鼠的下肢反应就不再出现明显的收缩抽动现象。

在大鼠麻醉情况下，根据以上设计方案设置2000kHz的方波和2010kHz的方波进行时间干涉电刺激，得出以下结果：

2000kHz方波和2010kHz方波电刺激结果

根据以上数据结果分析，当刺激电流波形为2000kHz的方波和2010kHz的方波时，方波频率不变，刺激位点不变，大鼠的下肢反应将随着他们的幅值的变化而变化。当两个方波的幅值相同或者接近相同时(例如表格中都为1V或者都为10mV)时，大鼠的下肢运动都是左腿明显收缩并且握爪；当2000HZ的方波幅值较小，2010HZ的方波较大(为1V时)，大鼠的下肢无任何反应；当2000HZ的方波比2010HZ的方波幅值大的时候，而且后者的频率较小时，大鼠下肢左右交替收缩；相反，如果前者的幅值较大时，右腿会出现明显的收缩握爪现象。

在大鼠麻醉情况下，根据以上设计方案设置2000kHz的方波和2010kHz的方波进行时间干涉电刺激，得出以下结果：

2000kHz三角波和2010kHz方波电刺激结果

根据以上表格数据结果分析，当2000kHz的三角波和2010kHz的方波频率保持不变、刺激位点也保持不变时，改变刺激大鼠的幅值，大鼠的下肢反应将随之变动。当三角波和方波的幅值相同或者接近一样时，大鼠的左腿出现明显的收缩现象；当方波的幅值比三角波的幅值小的时候，大鼠不会出现任何反应；当方波的幅值比三角波的幅值大的时候，大鼠的右腿会出现明显的收缩现象。

在大鼠麻醉情况下，根据以上设计方案设置两个幅值相同的正弦波(都为100mV)对大鼠脊髓的T9节段进行时间干涉电刺激，得出以下结果：

根据以上表格数据结果分析，当两个正弦波的幅值不变、刺激位点不变时(T9节段)，改变刺激大鼠的频率，大鼠的下肢反应将随之变动。如果正弦波的两个频率接近相同甚至相同时，由于时间干涉刺激，产生的包络波的频率很小甚至为0，大鼠的下肢几乎没有任何反应；当波形的频率差较大时，大鼠的右腿收缩，尾巴出现明显的右摆现象；当正弦波的频率相差不是很大时，大鼠的左腿出现收缩现象。

在大鼠麻醉情况下，根据以上设计方案设置两个幅值相同的正弦波(都为100mV)对大鼠脊髓的T12节段进行时间干涉电刺激，得出以下结果：

刺激大鼠脊髓T12节段的结果

根据以上表格数据结果分析，当两个正弦波的幅值不变、刺激位点不变时(T12节段)，改变刺激大鼠的频率，大鼠的下肢反应将随之变动。如果正弦波的两个频率接近相同甚至相同时，由于时间干涉刺激，产生的包络波的频率很小甚至为0，大鼠的下肢几乎没有任何反应；当波形的频率产生较小差异时，大鼠几乎没有任何反应，但是大鼠在2000kHz和2010kHz的时候，它的腰部有明显的扭动抽搐，当频率差较大时(如3000kHz和3050kHz)，大鼠的两腿会同时产生诱发运动。

在大鼠麻醉情况下，根据以上设计方案设置两个幅值相同的正弦波(都为100mV)对大鼠脊髓的L1节段进行时间干涉电刺激，得出以下结果：

刺激大鼠脊髓L1节段的结果

根据以上表格数据结果分析，当两个正弦波的幅值不变、刺激位点不变时(L1节段)，改变刺激大鼠的频率，大鼠的下肢反应将随之变动。相比较T9及T12两点的现象，在刺激L1节段并改变频率时，大鼠的下肢整体上反应并不明显，它所有的反应都只是轻微的抽搐。

综上所述，本发明通过时间干涉刺激对大鼠脊髓表面进行刺激，大鼠下肢的一系列运动反应证明了这种无创电刺激的可行性，这种刺激在未来人类疾病的治疗上一定会发生不可代替的作用；本发明中，当频率保持不变，改变幅值时，幅值的数值相差越小，大鼠的下肢反应越明显，会发生明显的收缩现象，幅值数据相差越大，大鼠的反射运动就越来越不明显，甚至没有任何反应；相反，如果其他数据不变，频率的数值相差越小，大鼠的反应会越来越小，甚至没有反应，如果频率差值越来越大，大鼠的反射运动会随着差值的增大而明显，大鼠出现尾巴右摆的现象，但是在改变幅值时不会出现这种结果；本发明中，刺激大鼠脊髓的T9、T12、L1三个节段，当幅值、波形保持不变，改变刺激波形。当刺激脊髓的T9节段时，大鼠下肢所作出的反应最为明显，在刺激T9、T12、L1三个节段时，如果他们的刺激频率相差的越大，大鼠下肢的反应都会有很明显的双腿交替抽动，但是越往脊髓的后部节段，如果频率相差较小时，大鼠下肢将不会产生任何反应。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于时间相干刺激的大鼠脊髓运动功能重建方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、暴露脊髓位置；

B、刺激电极；

C、刺激信号；

D、神经信号记录；

E、频率的选择；

F、模型的仿真波形制作；

G、大鼠脊髓刺激位点的选择。

2.根据权利要求1所述的一种基于时间相干刺激的大鼠脊髓运动功能重建方法，其特征在于：所述步骤A中具体方法为：先对手术器械高温消毒；在大鼠的经腹腔注射10％的水合氯醛，麻醉生效后确定T9、T12、L1节段的脊椎并剔除其脊背鼠毛，75％的酒精消毒，用手术刀将大鼠脊髓表层皮肤切开，以利于电极的插入。

3.根据权利要求1所述的一种基于时间相干刺激的大鼠脊髓运动功能重建方法，其特征在于：所述步骤B中刺激电极采用美国MicroProbes公司的钨丝单电极，电极型号为WE30030.5A3，轴径0.081mm，尖端直径2-3mm，阻抗0.5meg；记录电极采用美国MicroProbes公司生产的钨丝单电极，电极型号为WE30031.0A3，轴径0.081mm，尖端直径2-3mm，阻抗1.0meg。

4.根据权利要求1所述的一种基于时间相干刺激的大鼠脊髓运动功能重建方法，其特征在于:所述步骤C中具体方法为：通过两个函数信号发生器调制出不同频率、不同幅值的波形，对大鼠脊髓的T9、T12、L1节段进行表面电刺激，观察大鼠的四肢及尾巴的运动情况，记录刺激频率，通过一系列的数据实验观察分析大鼠四肢运动的规律。

5.根据权利要求1所述的一种基于时间相干刺激的大鼠脊髓运动功能重建方法，其特征在于:所述步骤D中具体方法为：先将大鼠固定在定位仪上，将刺激电极连接到大鼠的刺激位点上，两个函数信号发生器首先采用的是2000kHz和2200kHz的正弦波频率进行电刺激，此时大鼠的右腿出现了抽动的现象；接着通过改变频率和幅值的大小，改变波形的形状，刺激强度逐渐增加或减小，观察大鼠的四肢及尾巴反应，记录出现运动的阈值。

6.根据权利要求1所述的一种基于时间相干刺激的大鼠脊髓运动功能重建方法，其特征在于:所述步骤E中刺激频率采用2000kHz和2010kHz。

7.根据权利要求1所述的一种基于时间相干刺激的大鼠脊髓运动功能重建方法，其特征在于:所述步骤G中设置两个幅值相同的正弦波，都为100mV，对大鼠脊髓的T9、T12、L1三点进行时间干涉电刺激，保持幅值不变的情况下，调制输出波形的频率，观察大鼠的下肢诱发运动。