CN114042249B - 不同模式hf-emf磁刺激对海马区癫痫放电活动调控效应的对比分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种不同模式HF‑EMF磁刺激对海马区癫痫放电活动调控效应的对比分析方法，分析了输入激励为不同模式的高频磁刺激对癫痫放电的影响，具体包括连续脉冲刺激、节律脉冲刺激、连续正弦刺激及节律正弦刺激，从海马CA3区域选择电极点作为数据记录和分析通道，在实验的全过程内持续灌流无镁人工脑脊液，在添加高频磁场之前，癫痫样放电活动显示出良好的节律特性，而在磁场加入后，癫痫样放电活动明显减弱，采用阈值分割算法数据分析后得到不同的调控效应的对比分析方法。
Description
技术领域
本发明涉及不同模式高频电磁场(High-frequency Electromagnetic Field，HF-EMF)磁刺激对海马区癫痫放电活动调控效应的对比分析方法，解决不同模式的HF-EMFs对癫痫活动调控效应，本发明提供一种新的磁刺激治疗方法，对于神经精神疾病治疗具有十分重要的意义，本发明归属于生物医学工程等领域。
背景技术
癫痫是一种脑群神经元同步化异常放电活动所导致的神经退行性疾病，癫痫病是最普遍的神经系统疾病之一，每二十六人中就有一人患癫痫病，并且其发病率与年龄有着紧密的关系，癫痫发病在儿童中更为普遍，发生在海马区的癫痫会造成大脑颞叶产生低幅棘波，然后逐步传递到同侧的杏仁核和扣带回甚至扩散到整个边缘系统和对侧脑区，最终产生癫痫大发作，这种癫痫被称为颞叶癫痫。目前，这类疾病正严重威胁着我国人民的健康与日常生活。
电磁刺激技术是目前诊断、治疗和研究神经退行性疾病的一个主要手段。深部脑刺激(Deep brain stimulation，DBS)已被用于通过电刺激对大脑的各个部位来抑制癫痫活动，包括丘脑、小脑和丘脑前核和海马体。这种植入式的电刺激方法已被证明是成功地减轻人类癫痫发作，并已广泛应用于临床实践。虽然DBS对于癫痫治疗有明显的效果，但DBS也存在一些局限性。例如，随着时间的推移，保持与植入电极的反应一致性已被证明是具有挑战性的，其次，组织的炎症和免疫反应是在与刺激电极直接接触时，电极周围胶质瘢痕形成将改变或阻断刺激诱导的电场。
另一种在大脑内产生电流的方法是通过电磁感应磁性线圈。新出现的证据提倡使用磁性线圈作为癫痫的替代治疗方法，最近，微型磁性线圈被用来激活选定的神经元亚群，同时避免了其他亚群，与植入电刺激电极相比，磁刺激线圈和神经组织之间的属于非直接接触，从而消除了脑-电极界面可能出现的许多问题。这些线圈可以通过涂层绝缘的生物相容性材料进行局部刺激。这种做法可以增加靶组织刺激的焦点，并避免与植入物相关的不良影响。然而，目前这类研究尚属于新兴研究领域，尚不清楚不同模式的该微型线圈是否能有效抑制癫痫活动。
因此，为了进一步解决上述这类问题，本发明提出了不同模式HF-EMF磁刺激对海马区癫痫放电活动调控效应的对比分析方法，说明了不同策略HF-EMF磁刺激对海马区癫痫放电活动调控规律及相关机理。本发明对于揭示磁刺激技术对临床疾病的调控机制具有十分重要的意义。
发明内容
本发明提出了一种不同模式HF-EMF磁刺激对海马区癫痫放电活动调控效应的对比分析方法，说明了不同模式磁刺激对癫痫放电活动的调控情况，本发明为提高磁刺激治疗技术提供一种新的方法。
本发明的技术方案：将脑片置于多电极阵列的灌注槽中，通过微操纵器将高频磁刺激移动到海马脑片CA3b亚区。在开始磁刺激前，记录40分钟的数据作为对照组，然后加入预先设定的5分钟高频磁场(不同模式)干预癫痫样放电活动，关闭磁场后，再次记录35分钟的数据作为刺激后结果组。
具体方法如下：
(1)癫痫模型制备方法
癫痫脑片模型有多种诱发方式，如低钙诱发、无镁诱发、4-Aminopyridine诱发、高钾离子诱发及电刺激诱发等制成癫痫样放电模型。这些脑切片模型制备方法操作简单且结果稳定，被广泛应用于癫痫的基础研究中，特别适用于神经生物化学方面的研究。本发明采用持续灌流低水平镁离子(Mg2+被从正常人工脑脊液中移除，其他离子浓度不变)的人工脑脊液来诱发癫痫样放电活动，这种方式构成的颞叶癫痫实验模型现在被广泛接受。
(2)数据分析方法
在本发明中，对离线取得癫痫样放电数据进行统计分析，使用MC-Rack和MATLAB来显示和处理数据。当放电负峰值超过背景信号标准差的4倍时，认定海马脑片记录的为癫痫样放电信号，采用Teager-Kaiser滤波器对噪声基线进行相干分割。用阈值分割算法来测量信号的分割时间间隔，最终分割出原始信号。
(3)保证磁刺激器不损伤生物组织方法
本发明中，根据生物安全性和生物功能性两个原则，选择生物相容性材料。要求使用的材料不仅毒性低，而且能防止电感线圈通电时的短路。parylene是一种有效的生物相容性涂层材料，由独特的真空气相沉积工艺产生的，其中活性小分子在基底上显示“生长”。因此，本发明利用生物相容性parylene-C包裹微磁电感线圈，采用化学气相沉积(CVD)方法，将亚毫米尺寸电感器进行涂覆。涂层工艺为气态反应，在真空条件下进行。
(4)生物组织上感应电场强度计算
本发明提出，磁线圈在生物组织上产生的感应电场强度，由法拉第感应定律计算，定义磁通量ΦB，假设其边界是一个线环，电磁场是由磁通量的变化速率得出：
EMF的方向遵循左手规则，也可以用Kelvin-Stokes定理写成积分形式：
其中B是线圈内的磁场，E是感应电场，是一个无穷小的向量元素，当考虑线圈内部的电场，在距离线圈中心的距离r，则：
通过计算得到感应电场的强度为：
其中，R为线圈的半径，外部线圈积分为：
外部线圈产生的感应电场强度为：
由上述公式获得线圈内外的感应电场强度。
而基于欧姆定律式可得：
v是通过瞬时电压，L是电感，dI/dt是以A/s为单位的瞬时电流变化。
对于内部有电流(I)的线圈，磁场的计算公式为：
l是线圈的长度，N是线圈匝数，通过比较上述两式可得：
从上述的各式可推导出式：
或者：
根据Faraday定律，时变的磁场B(r，t)在神经组织上矢经为r的任意一点处产生的感应电场E(r，t)的大小可以以下公式求得式：
若神经元组织的电导率为σ，则时变磁场感应的电流密度J为式：
J＝σE
因此，利用上述公式可以计算刺激部位的感应电场(或电流密度)强度，进而来计算最佳的磁刺激方案或进一步优化磁刺激装置设计。
(5)高频磁刺激置于CA3b区对癫痫样放电特性的影响。
从海马CA3区域选择电极点作为数据记录和分析通道，在实验的全过程内持续灌流无镁人工脑脊液，在添加高频磁场之前，癫痫样放电活动显示出良好的节律特性，而在磁场加入后，癫痫样放电活动明显减弱。其次，高频磁刺激后，出现了一个振幅增大的异常癫痫样放电信号，这可能表明高频磁场的加入首先使神经元进入更兴奋状态，然后使细胞处于低激发状态。最后，在开始和结束高频磁刺激之后，刺激伪迹也会出现。
本发明的优点和有益效果：本发明证明了当不同模式的高频微小磁刺激装置放置在海马脑片时，癫痫样放电活动的抑制是有区别性的。结合多通道生物电信号记录技术，电生理实验结果有效地证明了该方法的先进性和可行性。本发明的研究结果进一步说明，不同模式的高频微小磁刺激方法可能成为神经科学或神经病学科学研究的一种新型神经调控方法。
附图说明
图1为本发明中高频微小磁刺激装置放置于海马脑片位置示意图；
图2为输入激励为不同模式的高频磁刺激，具体包括连续脉冲刺激、节律脉冲刺激、连续正弦刺激及节律正弦刺激；
图3为应用不同模式磁刺激对癫痫放电活动进行调控记录方法示意图；
图4为不同磁刺激策略对癫痫活动影响的示意图。
具体实施方式
本发明描述了一种新的应用不同模式高频磁刺激微小装置癫痫放电活动调控的方法。其设计允许在海马脑片中进行实时靶向磁刺激，详细介绍了癫痫模型的制备、数据分析方法、脑组织上感应电场强度的计算、生物相容性设计及具体实验方法。本发明说明了该方法的可行性，高频磁刺激对海马区癫痫样放电具有调制作用，这种调制作用随加入磁刺激激励的模式不同而表现出差异。
Claims (4)
1.不同模式HF-EMF磁刺激对海马区癫痫放电活动调控效应的对比分析方法，其特征在于，
涉及一种在海马脑片中进行实时靶向磁刺激的调控方法，具体包括癫痫模型的制备、高频磁刺激干预海马癫痫活动后的数据分析方法、高频磁刺激在脑组织上感应电场强度的计算、高频微小磁刺激装置在脑组织上的生物相容性设计及应用不同模式对癫痫放电活动调控影响的具体实验和分析方法；其中，高频微小磁刺激装置在脑组织上的生物相容性设计包括：利用生物相容性parylene-C包裹微磁电感线圈，采用化学气相沉积CVD方法，将亚毫米尺寸电感器进行涂覆，涂层工艺为气态反应，在真空条件下进行；其中，应用不同模式对癫痫放电活动调控影响的具体实验和分析方法包括：实验分析了输入激励为不同模式的高频磁刺激对癫痫放电的影响，具体包括连续脉冲刺激、节律脉冲刺激、连续正弦刺激及节律正弦刺激，以及分别对应不同的频率，频率分布为200Hz-70KHz，从海马CA3区域选择电极点作为数据记录和分析通道，在实验的全过程内持续灌流无镁人工脑脊液，在添加高频磁场之前，癫痫样放电活动显示出良好的节律特性，而在磁场加入后，癫痫样放电活动明显减弱，其次，高频磁刺激后，出现了一个振幅增大的异常癫痫样放电信号，这表明高频磁场的加入首先使神经元进入更兴奋状态，然后使细胞处于低激发状态，数据分析后得到不同的调控效应的对比分析方法。
2.根据权利要求1所述的不同模式HF-EMF磁刺激对海马区癫痫放电活动调控效应的对比分析方法，其特征在于，癫痫模型的制备包括：采用持续灌流低水平镁离子，Mg2+被从正常人工脑脊液中移除，其他离子浓度不变的人工脑脊液来诱发癫痫样放电活动，这种方式构成的颞叶癫痫实验模型现在被广泛接受。
3.根据权利要求1所述的不同模式HF-EMF磁刺激对海马区癫痫放电活动调控效应的对比分析方法，其特征在于，高频磁刺激干预海马癫痫活动后的数据分析方法包括：对离线取得癫痫样放电数据进行统计分析，使用MC-Rack和MATLAB来显示和处理数据，当放电负峰值超过背景信号标准差的4倍时，认定海马脑片记录的为癫痫样放电信号，采用Teager-Kaiser滤波器对噪声基线进行相干分割，用阈值分割算法来测量信号的分割时间间隔，最终分割出原始信号。
4.根据权利要求1所述的不同模式HF-EMF磁刺激对海马区癫痫放电活动调控效应的对比分析方法，其特征在于，高频磁刺激在脑组织上感应电场强度的计算包括：其边界是一个线环，考虑线圈内外不同的感应电场分析方法，计算刺激部位的感应电场或电流密度强度，进而来计算最+佳的磁刺激方案或进一步优化磁刺激装置设计。
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Non-Patent Citations (2)
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|---|
| 高频电刺激对大鼠海马脑片癫痫样放电特性 影响的研究;张康辉等;《生物化学与生物物理进展》;20210401;全文 * |
| 高频电刺激对大鼠海马脑片癫痫样放电特性影响的研究;张康辉等;《生物化学与生物物理进展》;20210401;全文 * |
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