帕金森病患者僵直迟缓症状神经元电活动特点研究

郭松 李建宇 胡永生 任志伟 张宇清 李勇杰 庄平

(首都医科大学宣武医院功能神经外科，北京市功能神经外科研究所，北京 100053)

·神经损伤研究·

帕金森病患者僵直迟缓症状神经元电活动特点研究

郭松 李建宇 胡永生 任志伟 张宇清 李勇杰 庄平*

(首都医科大学宣武医院功能神经外科，北京市功能神经外科研究所，北京 100053)

目的探讨帕金森病(PD)患者僵直迟缓症状的神经元电活动特点。方法25例僵直迟缓为主征的PD患者接受立体定向丘脑底核(STN)脑深部电极植入术(DBS)。术中通过微电极记录技术采集神经元电活动。应用单细胞分析方法，峰间隔分析方法分析神经元放电的频率和形式，应用功率谱分析方法分析神经元放电周期节律。结果分析了180个信号稳定的神经元，平均放电频率为(40.6±22.3) Hz；有35.6%(n=64)神经元有周期节律性放电，放电周期节律在β节律内。结论β节律的神经元周期节律性电活动可能和PD僵直迟缓症状的病理生理改变有关。

帕金森病; 丘脑底核; 微电极记录; 震荡电活动

帕金森病(Parkinson's disease, PD)是一种基底结系统起源的运动障碍病。该病以黑质致密部多巴胺能神经元丢失为主要特点。尽管现在对基底结系统的解剖和生理方面的研究有了显著的突破，但是，导致PD各种症状的病理基础尚不清楚。随着越来越多的研究显示[1]，PD僵直迟缓症状似乎和基底结核团内异常的放电节律有关。最近的研究显示[1-2]：丘脑底核(subthalamic nucleus, STN)神经元β节律的周期性电活动的显著增加与运动症状加重有密切关系。通过使用多巴胺类药品或应用STN脑深部刺激术都可以改变神经元的β节律放电，从而缓解帕金森症状。但这种β节律的周期性电活动和帕金森病什么样的症状有关，一直存在着争论[2-3]，本研究选取了典型的僵直迟缓型PD患者，利用手术治疗帕金森病的优势，研究僵直迟缓型PD患者STN神经元的放电特点，以期为临床治疗提供依据。

对象与方法

一、一般资料

本研究对象为2010年1月至2015年1月，首都医科大学宣武医院功能神经外科收治的资料较为完整的25例，男15例，女10例。以僵直迟缓为主征的原发性PD患者，平均年龄为(59.7±7.9)岁，平均病程为(8.1±3.5)年，术前Hoehn and Yahr评分为(3.6±1.0)分。

二、临床表现

帕金森病诊断主要依据病史，查体和神经专科检查，对左旋多巴或多巴胺能药物的反应，以及通过实验室检查和MRI检查除外其它疾病。确定为僵直迟缓型患者主要依据相关文献报道方法[4-5]，即在“关”状态下帕金森综合评分量表(unified Parkinson's disease rating scale, UPDRS)运动部分(III)评分，其中僵直和迟缓部分条目至少有3项超过3分，并且震颤部分条目的评分应为0或者1分。如果患者没有震颤，仅有僵直迟缓症状也属于僵直迟缓型患者。

本研究经过首都医科大学宣武医院伦理委员会的批准，所有患者签署了知情同意书。

三、立体定向手术和微电极记录

立体定向手术和微电极记录 在术前应用磁共振扫描，并将数据导入手术计划系统(Medtronic Framelink)，术前12 h，患者停用药物。在局麻下安装立体定向头架(CRW-FN, Radionics, Burlington, MA, USA)固定患者头部。完成CT薄层扫描后，将数据导入手术计划系统，与之前MRI数据融合，确定前联合和后联合的位置，和定位头架的位置，确定手术靶点。

通过微电极记录技术进一步确认手术靶点。神经元的放电活动通过尖端直径从10～20 μm，在1000 Hz时阻抗从0.1～0.5 MΩ的钨电极记录。STN位于丘脑下方约1～3 mm处，进入STN上边界时，神经元放电密度和背景噪音均迅速增加。记录的过程中，当一出现这种背景噪音增加并且放电幅度增加的细胞放电特点时，可以确定为STN的上边界[6-7]。当电极走出STN后，背景噪音变小，直到遇到黑质后，背景噪音再次增加。从离开STN到遇到黑质这段距离约为0.5～3 mm。在这段区域中，STN神经元的放电幅度和背景噪音是逐渐降低的，这段区域的中点被确定为STN的下边界[6-7]。黑质放电的特点和STN比较，可见其放电电压幅度低而放电频率高，而且很规则。

细胞外动作电位信号通过放大器(Alpha Omega Engineering, Nazareth, Israel)放大(×20 000～50 000)，滤波在200 Hz～12 kHz之间。信号的采样率为12 kHz，储存在计算机硬盘上以便离线分析。

微电极记录确定靶点后，将四个触点的脑深部电极(Model 3389; Medtronic, Inc., USA)植入STN，并测试效果和副反应(测试频率185 Hz，脉宽90 μs)。手术电生理定位以及测试过程中，所有患者清醒并配合外科医师的指令。通过刺激测试获得满意结果后，在锁骨下植入刺激发生器(37601或37612; Medtronic, Inc.)。在手术电生理定位以及测试过程中，所有患者要求清醒并配合外科医师的指令。

四、数据分析

STN的单细胞放电通过软件Spkie2(Cambridge Electronic Design, UK)的动作电位区分算法进行鉴别[8]。同时，经过经验丰富的神经生理学专家的确认。入选分析的标准包括，记录的过程中没有随意运动或是被动运动，对动作电位信号信噪比大于2∶1的数据进行分析。确定是单细胞的方法包括波幅和波形标准，主要检查动作电位的波形和波幅在15～20 s内是否一致。细胞和同时记录到的肌电数据导入MATLAB (Version 7, The MathWorks, Natick, MA, USA)，进行进一步分析。

放电形式的分析方法包括测量放电峰间隔(interspike interval, ISI)的变异系数(coefficient of variance, CV)(CV=ISI的标准差/ISI的平均值)，并评估ISI直方图样式来确定放电形式。

细胞放电的功率谱分析主要应用Welch方法[9]，主要参数包括：Hanning窗，窗宽2 s，50%重叠，分辨率0.5 Hz[9]。可信区间的阈值设定为：计算得出的 30～70 Hz这一段频谱平均功率标准差的5倍[9]；细胞放电的主要周期节律为所有超过阈值中的最大功率的节律。改善率为术前评分与术后评分的差值和术前评分的比值。

五、统计学分析

结 果

一、丘脑底核神经元放电频率和形式分析

本研究分析了50个STN针道中记录的180个信号稳定的神经元，平均放电频率为(40.6±22.3) Hz；有13.3% (n=24)的神经元为紧张性放电，86.7% (n=156)的神经元为不规则放电(图1)。

图1 β震荡活动及非震荡活动神经元电信号
Fig 1 Beta frequency band (β-FB) oscillatory neurons and non-oscillatory neurons
A: Characteristics of beta frequency band (β-FB) oscillatory neurons; B: Non-oscillatory neurons; for each neuron, the top trace is raw data and the spike train is shown below; C: Interspike interval (ISI) histograms for a β-FB oscillatory neuron; D: Interspike interval (ISI) histograms for non-oscillatory neuron.
Note: The mean spontaneous firing rate values were 56.0 Hz (A) and 50.2 Hz (B), respectively.

图2 通过功率谱分析神经元的节律性震荡活动
Fig 2 Power density spectra of neuron
A, C: Power density spectra for a β-FB oscillatory neuron at a peak power of 17.0 Hz; B, D: Non-oscillatory neuron at a low power of broad band.
Note: The horizontal line indicates significant oscillation for the power of the spike train signal.

二、丘脑底核神经元放电周期节律分析

通过功率谱分析，这180个信号稳定的神经元中有35.6%(n=64)的神经元有显著的周期节律性放电活动。周期的节律主要在β频率范围内[10～30.5 Hz，平均周期节律为(17.9±6.1) Hz]。有周期节律性电活动的神经元平均放电频率为：(47.1±19.7) Hz，而没有周期节律性电活动神经元的平均放电频率为：(38.2±21.6) Hz，其放电频率要显著低于有周期节律性电活动的神经元放电频率(P=0.001，Mann-Whitney rank-sum 检验)。图2为对图1中神经元的功率谱分析，每一个功率谱密度在0～100 Hz内经过标准化处理。

UPDRS(Ⅲ)Pre⁃surgery6monthspost⁃surgery Rigidity4．7±1．11．9±0．6a Bradykinesia11．4±1．43．9±0．9a

Note: The assessment of UPDRS motor score item 20 for tremor, item 22 for rigidity and items 23～26 for bradykinesia contralateral to the target, respectively (n=50).
aPlt;0.05,vspre-surgery.

三、UPDRS评分疗效评估

25例僵直迟缓型患者术后使用DBS单极刺激，在术后，至少6个月后，通过UPDRS (Ⅲ) 量表评价“关”状态下情况。相同参数下，每一个触点的疗效都经过评估，只有疗效稳定，刺激触点和参数没有改变的患者纳入本研究分析，患者术后平均电压 (3.2±0.3) V，平均脉宽(72.1±17.9) μs，平均刺激频率(147.9±19.4) Hz。术前和术后僵持和迟缓症状改善均有统计学差异(Plt;0.05，表1)。

讨 论

本研究进一步提供数据支持帕金森病症状和神经元周期性电活动存在着一定的关系[1-3]，本研究主要发现为：僵直迟缓为主征的帕金患者STN神经元主要的周期节律性电活动节律在β节律(8～35 Hz)范围内，僵直迟缓型帕金森患者STN没有簇状放电活动以及4～6 Hz的周期节律性神经元电活动。通常4～6 Hz的神经元节律性放电被认为和帕金森病患者的静止性震颤有关。本研究中心通过微电极记录和肌电同步化记录技术记录，以及相关性分析发现，静止性震颤症状和4～6 Hz的神经元节律性放电相关[6]。而本次选取的25例典型僵直迟缓型患者，在微电极记录和分析过程中，并未发现4～6 Hz的神经元节律性放电，仅有β节律的神经元电活动，这和本研究选定的研究对象有关。本次研究将研究对象局限为单纯僵直迟缓型患者，患者不存在震颤症状，从而，更具针对性的研究僵直迟缓症状的神经元电活动。

本研究结果发现，有β节律周期性电活动的神经元占全部神经元的35.6%，这一结果显著高于其他研究小组的结果(Moran等[9]的研究结果为19.5%；Weinberger等[10]的研究结果为13.7%)。这种差别可能是研究对象选取不同所造成的，本研究选取的是僵直迟缓型帕金森患者，患者没有抖动症状，而其他研究小组研究的对象是混合型帕金森患者，患者既有僵直迟缓症状又有显著的肢体抖动症状。本研究发现僵直迟缓型患者的STN不存在簇状放电形式这和其他研究小组的研究结果存在一定差异[9-11]，以及β节律周期性电活动的神经元占全部神经元的百分比差异[9-11]提示：不同的放电形式可能和帕金森病的不同运动症状有关。僵直迟缓这一症状可能和β节律周期性电活动有关。

一些相关的研究也发现β节律的周期性电活动有显著的抑制运动的作用。Timmermann等[12]研究显示使用10 Hz频率DBS刺激STN可以使患者僵直迟缓的症状加重，运动会出现明显的减少。Chen等[13]使用20 Hz频率通过DBS刺激STN后，发现患者的运动明显变得迟缓。Cassidy等[14]研究发现，在运动准备期和运动过程中，STN神经元的β节律性电活动显著减少。这一结果同样被Levy研究小组[15]和Kuhn研究小组[16]的研究结果所验证。一些研究[17-19]发现：左旋多巴引起的β节律的放电活动减少和僵直迟缓症状的改善有一定的关系。这些数据都提示STN神经元β节律的电活动在帕金森病僵直迟缓症状的发生中扮演着重要的角色。而我们的研究从严格定义患者症状分型入手，细化研究对象，进一步印证了这一结果。

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Parkinsonism-relatedfeaturesofneuronaldischargeinakinetic-rigidtypepatients

GUOSong,LIJianyu,HUYongsheng,RENZhiwei,ZHANGYuqing,LIYongjie,ZHUANGPing

DepartmentofFunctionalNeurosurgery,XuanwuHospital,CapitalMedicalUniversity;BeijingInstituteofFunctionalNeurosurgery,Beijing100053, China

ObjectiveThis study aims to explore the neuronal activity in the subthalamic nucleus in patients with akinetic-rigid-type Parkinson's disease (PD).MethodsA total of 25 akinetic-rigid type PD patients underwent bilateral implantation of an electrode for subthalamic nucleus(STN) deep brain stimulation(DBS). Microelectrode recordings were performed in the STN during surgery and the neuronal activity was analyzed offline. Neuronal spike trains were extracted and their spectral characteristics were calculated.ResultsOf 180 neurons obtained from akinetic-rigid type PD patients, 64 (35.6%) neurons showed significant oscillatory activity with beta frequency.ConclusionBeta frequency neuronal discharge in STN are likely responsible for akinetic-rigid signs.

Parkinson's disease; Subthalamic nucleus; Microelectrodes; Oscillatory activity

1671-2897(2017)16-101-04

R 74; R 65

A

郭松，博士，主治医师，E-mail:13581991953@139.com

*通讯作者： 庄平，教授，博士生导师，E-mail: zhuangp@vip.sina.com

2016-06-12；

2016-09-25)