深部脑刺激的逆向激活效应及其研究进展

伊国胜 焦立峰 王 江 魏熙乐

(天津大学电气自动化与信息工程学院，天津 300072)

引言

深部脑刺激(deep brain stimulation，DBS)是一种可逆和可控的有创式神经电刺激疗法。DBS系统通常由电极、延伸导线和神经刺激器组成，这三个部件均需要通过手术植入到患者体内。电极通常被植入到丘脑或基底核内的特定核团，它通过延伸导线与植入在皮肤下面的神经刺激器连接。神经刺激器是一种脉冲发生器，所产生的电脉冲信号可以沿着延伸导线和电极被传送至脑内，进而电刺激目标核团。DBS已成为治疗帕金森、特发性震颤和肌张力障碍等运动障碍疾病的一种有效手段[1-3]。特别是在手术和药物都失败的情况下，DBS提供了一种可供选择的有效治疗方案。相关研究显示，除了运动障碍性疾病，DBS对其他神经精神疾病也具有抑制和改善作用，比如阿尔兹海默症[4]、难治性抑郁症[5]、耐药性癫痫[6]、难治性强迫症[7]、最小意识状态[8]等。与手术和药物疗法相比，DBS具有诸多优势，包括对脑组织造成的损伤具有可逆性、刺激参数和模式灵活可调、刺激装置可随时移出人体以及能够更加安全有效地改善震颤症状等[1]。此外，作为一种神经调制技术，DBS还是目前探索神经回路生理、结构与功能关系的一个常用工具[1-2]。虽然DBS的安全性和有效性已经得到了充分验证，但是它对神经系统的精确作用机制尚不完全清楚。这一方面限制了DBS的进一步研发、优化及应用，也可能导致刺激资源的浪费以及电池的频繁更换，甚至会产生一些不合理的推论。对于作用机制认识的不足是目前DBS科学化和规范化所面临的一个主要挑战。

神经精神疾病的病理差异导致DBS的临床疗效依赖于刺激靶点的选择[1-3]。对于特定的疾病，只有正确选择刺激靶点，才可能有效缓解疾病症状以及减少刺激诱发的不良反应。否则，不仅不能改善症状，甚至可能加重病情或诱发一系列不良反应。目前，已经获得美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration，FDA)批准的DBS靶点包括丘脑腹侧中间核、底丘脑核(subthalamic nucleus，STN)和内侧苍白球(globus pallidus internus，GPi)[1,9]。丘脑腹侧中间核是缓解特发性震颤、震颤为主型帕金森和其他运动障碍疾病中震颤症状的常用靶点，STN是治疗强直少动型帕金森的常用靶点，而GPi是治疗强直少动型帕金森和肌张力障碍的常用靶点。此外，还有一些研究中发现有效但未被FDA批准的DBS靶点，包括外侧苍白球(globus pallidus externus，GPe)、海马、伏隔核、丘脑内侧核和丘脑前核等[1,3,9]。此外，DBS采用高频电压或电流脉冲刺激靶向核团，这导致它的临床疗效还依赖于刺激参数的设定，包括频率、强度、脉宽和波形等[1,2,10]。特别地，临床研究发现大于或等于90 Hz的DBS可以有效改善运动障碍疾病中的震颤症状[11-12]，而低于60 Hz的DBS不仅不能改善症状，还会加重震颤[13]和运动迟缓[14]，甚至还可能在正常人中诱发震颤症状[15]。

基于DBS疗效的靶点依赖性和频率依赖性，一些学者采用电生理实验、功能影像技术和建模仿真等方法，研究上述靶向核团在不同频率DBS作用下的神经电活动。尽管相应结果显示DBS的有效参数和诱发响应呈现强烈的个体依赖性，但是前期研究还是得到了一些关于DBS作用规律的认识，具体表现为[16-19]：1)DBS是一种胞外电刺激，它通过在电极附近产生空间分布的胞外电场进而刺激周围的神经细胞；2)DBS产生的胞外电场优先激活电极附近的神经纤维，包括靶细胞轴突、上游神经元的轴突末梢和其他细胞的“路过”纤维；3)DBS产生的轴突放电可以进一步引起顺向激活、逆向激活和神经递质释放，进而影响靶细胞胞体和树突的电活动以及上游和下游核团的电活动；4)DBS可以促进或抑制靶细胞胞体放电，但通常激活轴突放电；5)DBS可以刺激电极附近的靶向核团，也可以影响离电极较远的远端核团，进而在多个解剖结构上产生大范围的激活或抑制；6)DBS在目标核团内可能产生急性和慢性两种效应，前者通常在刺激施加后的几秒至几小时内观察到，而后者则需要几天甚至几个月才能观察到；7)DBS在靶向核团和远端核团内产生的神经响应呈现强烈的频率依赖性。此外，DBS还会对微观环境中的胶质活动进行调节，主要包括星形胶质细胞和小神经胶质两种[17]。

DBS对神经系统的上述作用规律分布在多个时间和空间尺度，而规律之间又具有不一致性甚至是相互矛盾的。于是，如何理解这些规律的产生过程以及识别这些规律之间的内在联系便成了进一步揭开DBS作用机理的一个关键。研究发现，DBS诱发的逆向激活与其产生的多种微观、介观和宏观效应有着密切的关系，是衔接这些效应的一个神经基础[19-20]。特别地，逆向激活可以用来解释DBS对靶向核团胞体和轴突放电的促进/抑制效应、对脑内多个解剖结构的刺激效应、对功能影像数据的调节效应以及上述效应对刺激频率的依赖特性。文中首先介绍了DBS在细胞层次的基本作用规律，并在此基础上指出DBS对神经元的逆向激活机制，然后详细综述了近年来关于逆向激活模式的研究进展，同时讨论了逆向激活对理解DBS效应的重要意义。

1 刺激在细胞层次的基本作用规律

1.1 刺激产生的直接和间接效应

DBS是一种典型的胞外刺激技术，它通过在电极附近产生空间分布的胞外电场，进而刺激靶向核团[21]。特别地，DBS产生的胞外电场足以激活靶向核团进而产生动作电位[19-20,22-25]。DBS电极比神经元本身大很多，刺激过程中电极附近会分布着来自靶细胞或其他细胞的轴突、胞体、树突和轴突末梢等。由于引起轴突或轴突末梢产生动作电位的DBS阈值低于神经元的其他部位[26-28]，电生理实验[29-30]和计算模型[20,27,31-32]研究一致显示DBS产生的胞外电场优先激活电极附近的轴突和突触前末梢。相应轴突放电通过顺向和逆向传输进而在神经系统中产生大范围的激活/抑制效应[16-19]。按照作用方式不同，可将DBS在细胞层次诱发的效应分为直接和间接两种。

DBS的直接效应是指刺激产生的胞外电场通过去极化电极附近的轴突进而产生动作电位，从而诱发的一系列响应。图1(a)阐释了DBS直接效应，电极优先激活靶细胞I的轴突，产生的轴突放电可以沿着两个方向传导。一个方向是从动作电位起始位置开始沿着轴突传导至轴突末梢。此为神经细胞中电信号传导的常规方向，将其称为“顺向”，而刺激在这个过程中产生的轴突放电被称为“顺向激活”。这些顺向放电经过突触传递至下一级神经细胞II，而细胞II可能将接收的信息继续前向传递至它的下游细胞IV。另一个方向是从动作电位起始位置开始沿着轴突朝着细胞I的胞体进行传导。由于这个传输方向与上述顺向传导的方向相反，故将其称为“逆向”，而刺激在这个过程中产生的动作电位被称为“逆向激活”。相应逆向放电可能与细胞固有的顺向放电碰撞并阻断其顺向传导，同时也可能逆向激活靶细胞的轴突起始端甚至胞体和树突。这个过程中，逆向放电还可能遇到轴突分叉，于是相应的逆向放电会沿着轴索侧枝重新变为顺向传导，然后经由突触传递至轴索侧枝的靶向细胞III。当细胞III收到细胞I传来的轴突放电时，也可能产生动作电位并将其传导至它的下游核团或者重新传导至细胞I。此外，电极附近还可能存在来自其它细胞的“路过”纤维，DBS在这些纤维上产生的轴突放电也会通过顺向和逆向传输进而影响相关联的远端核团。

图1 DBS在细胞层次的基本作用规律。(a) 直接效应；(b) 间接效应Fig.1 General principles of action of DBS at cellular levels. (a) Schematic of direct effect; (b) Schematic of indirect effect

DBS的间接效应是指刺激产生的胞外电场在激活电极附近的轴突同时还激活了靶细胞的突触前末梢。轴突末梢的激活能够进一步触发神经递质释放和产生突触输入，进而在靶细胞上诱发经突触(trans-synaptic)效应[20,31]。需要指出的是，这种经突触输入的产生是沿着神经细胞中信号传导的常规方向进行，所以它属于顺向。图1(b)阐释了DBS的间接效应。一方面，刺激脉冲激活靶细胞I的轴突，进而产生顺向和逆向放电。另一方面，每个刺激脉冲施加瞬间还激活了投射到细胞I的轴突末梢，进而触发相应的突触输入。这些同时激活的兴奋性和抑制性突触输入通过调节细胞I的兴奋性进而影响DBS诱发的放电响应。此外，突触前末梢的轴突放电也可以逆向激活上游神经元的轴突、轴突起始端甚至胞体，还可能遇到轴突分叉点后沿着轴索侧枝重新顺向传导至相应的靶向核团。

基于上述直接和间接效应，可以把DBS在细胞层次的作用规律总结为：1)直接激活靶细胞的轴突和突触前神经末梢；2)直接激活电极附近来自非靶细胞的神经纤维；3)维持轴突的顺向动作电位；4)刺激产生的逆向放电可能与细胞固有顺向放电碰撞，并阻断其顺向传导；5)轴突放电可能逆向激活靶细胞的胞体和树突；6)激活靶细胞的兴奋性和抑制性突触末梢，导致神经递质释放，以此间接调节DBS作用下靶细胞的放电响应。总而言之，DBS通过优先激活电极附近的轴突或轴突末梢，进而在靶细胞上产生顺向激活、逆向激活和经突触输入。通过顺向激活，DBS可以刺激靶细胞的下游核团；通过逆向激活，DBS可以刺激靶细胞的胞体和树突、靶细胞的上游核团以及轴索侧枝的下游核团；通过经突触输入，DBS可以间接调控刺激在靶细胞上产生的放电响应。

1.2 刺激作用的逆向激活机制

DBS在细胞层次的直接和间接效应表明，逆向激活是其激活/抑制脑内大范围解剖结构的一个重要方式，其关键作用主要产生于两个生理事实。一是激活轴突和轴突末梢的刺激阈值低于靶细胞的其他部位[26-28]，导致DBS优先激活电极附近的轴突纤维和突触前末梢进而产生轴突放电，这一点已经在前面作过介绍；二是投射到DBS靶向核团的轴突结构具有大量分枝，导致其侧枝可以延伸至大脑的多个区域。例如，黑质致密部到纹状体的轴突侧枝可以投射到苍白球、STN和脚内核[33]；由GPi传出纤维发出的分枝可以投射到丘脑腹侧核、STN以及脚桥核[34]；纹状体到黑质的轴突侧枝可以投射到GPi和GPe核团[35]；皮层神经元到脑干的轴突侧枝可以投射到纹状体和STN[36]；由GPe传出纤维发出的侧枝可以投射到GPi、STN和黑质网状核(substantia nigra pars reticulata，SNr)[37]；STN到GPe的轴突侧枝可以投射到GPi和SNr[38]。这些复杂的轴突分枝使得DBS可以通过逆向激活影响靶向核团和远离电极的远端核团，进而刺激脑内多个解剖结构。为此，一些研究提出逆向激活是DBS作用的一个神经机制[19-20,26]。

2 刺激诱发的逆向激活模式的研究进展

为了深刻理解DBS在细胞层次的作用机制，一些研究采用电生理实验和神经计算模型通过分析刺激脉冲施加后逆向放电的产生情况，研究了DBS在靶向核团和远端核团产生的逆向激活模式。结果显示，DBS诱发的逆向激活与多种因素有关，包括刺激频率、突触输入、刺激诱发的细胞极化、神经元形态以及刺激产生的胞外钾离子累计等。下面将分别就每个因素对逆向激活模式的影响进行梳理和介绍。

2.1 刺激频率对逆向激活模式的影响

一些电生理实验研究显示，DBS在远端核团产生的逆向激活呈现频率依赖性。Iremonger等[39]发现皮质下DBS在初级运动皮层产生的逆向放电频率随着刺激频率增加而降低。类似地，Li等[40]发现STN DBS在运动皮层产生的逆向激活依赖于刺激频率，低频情况下每个DBS脉冲可以可靠地在皮层诱发一个逆向放电，而逆向激活的可靠性随着DBS频率增加而减小。文献[20]采用基于真实形态的丘脑皮层神经元模型系统地研究了DBS在靶细胞内产生的逆向激活模式，也发现其呈现频率依赖特性。具体来说，低频情况下每个轴突放电均可以可靠地逆向激活胞体，但是胞体逆向激活的保真度却随着刺激频率增加而下降。特别地，在高频情况下可能出现逆向激活阻断的现象。研究还发现，胞体的恢复周期(recovery cycle)是导致逆向激活呈现频率依赖性的一个生物物理机制[20]。恢复周期与动作电位产生之后的后电势(afterpotential)有关，因为后电势的去极化或超级化程度可以决定细胞间室产生下一个动作电位的DBS阈值[41-42]。相关研究显示，神经元轴突和胞体的后电势时序特性具有明显差异[27,43]。在所建立的丘脑皮层神经元模型中，胞体只能产生超极化后电势，通过降低胞体兴奋性进而导致高频情况下逆向激活失败[20]。

2.2 突触输入对逆向激活模式的影响

电生理实验显示，由DBS激活的顺向突触输入可以进一步调节靶细胞的放电响应。Chiken等[44]发现，GPe DBS激活的兴奋性突触输入可以促进GPe神经元放电，而GPi DBS激活的抑制性突触输入可以阻碍GPi神经元放电。Lee等[45]发现STN DBS激活的兴奋性突触输入可以促进STN神经元放电。Xiao等[46]发现，丘脑DBS在靶向核团中产生的放电响应与丘脑核团的兴奋性突触与抑制性突触之间的相对比例有关。类似地，一些模型仿真也发现了顺向的经突触输入对靶细胞放电的影响。McIntyre等[27]发现，DBS产生的兴奋性和抑制性突触输入能够以频率依赖方式改变运动神经元的放电输出。Johnson等[47]发现，刺激诱发的经突触输入可以明显抑制GPi神经元放电。由于DBS作用下动作电位的起始位置是轴突或轴突末梢，而在靶细胞胞体记录的放电响应是由逆向激活导致，因此上述结果提示了经突触输入可能对DBS产生的逆向激活产生影响。为了进一步明确二者之间的关系，笔者近期采用计算模型量化了丘脑皮层神经元在DBS和突触输入作用下的逆向激活模式，结果显示胞体的逆向激活依赖于细胞兴奋性[20]。兴奋性突触输入通过增加细胞兴奋性进而提高胞体逆向激活的保真度，而抑制性突触输入通过降低细胞兴奋性进而减小胞体逆向激活的保真度。由刺激诱发的经突触输入对逆向激活的影响呈现频率依赖性，低频时影响较小，而高频时影响明显。近期，Anderson等[48]发现固有的抑制性突触输入可以降低五层锥体神经元在高频STN DBS作用下的逆向激活保真度，这个发现与前述笔者的研究结果一致。

2.3 细胞极化对逆向激活模式的影响

DBS是一种典型的胞外电刺激技术，在刺激电极附近产生空间分布的电场。刺激诱发的胞外电场通过在靶细胞产生空间极化效应，进而触发突触输入和放电活动。仿真研究发现，DBS在靶细胞树突、胞体和轴突产生具有复杂模式的去极化和超极化响应[20,31,32]。细胞膜的极化方向和强度依赖于电极位置、脉冲极性、细胞形态、分子间室的生物物理特性以及分子间室与电场的相对方向。笔者前期的计算模型研究显示，DBS产生的空间极化也是调节胞体逆向激活的一个重要因素[20]。胞体去极化通过增加细胞兴奋性进而提高逆向激活的保真度，而胞体超极化通过降低细胞兴奋性进而减小逆向激活的保真度。这些结果提示了DBS电极位置、脉冲极性、细胞形态、细胞生物物理特性以及细胞与电极的相对方向都是影响逆向激活模式的潜在因素，在理解DBS的局部和远端效应时需要加以考虑。

2.4 细胞形态对逆向激活模式的影响

DBS的靶细胞具有复杂的几何形态，细胞形态不仅影响电场诱发的空间极化响应和动作电位的激活阈值，还是调节逆向激活的一个重要因素。由于神经计算模型是刻画细胞形态和空间极化的一种有效工具，所以目前关于形态特性对逆向激活影响的研究以模型仿真为主。Balbi等发现减小脊髓α运动神经元的胞体直径有利于胞体逆向激活[49]，而减小轴突起始端直径可以促进轴突起始端的逆向激活[50]。Grill等[26]发现DBS对轴突的逆向激活强烈依赖于轴突分叉点处郎飞氏结的几何形态，增加轴突分叉点处郎飞氏结的长度或者缩短轴突分叉点附近的结间距离均可以促进动作电位的逆向激活。这些结果表明，郎飞氏结、轴突分枝、轴突起始端和胞体的几何特性均是影响逆向激活的潜在因素，在理解DBS对靶细胞的激活/抑制效应以及这些效应在细胞间的差异性时需要加以考虑。

2.5 胞外钾离子累积对逆向激活模式的影响

持续的DBS会导致胞外钾离子累积[51]。相关研究显示，钾离子在胞外的累积会降低轴突兴奋性，进而导致动作电位传输减慢，甚至产生传输失败[52]。Zhou等[53]发现钾离子的胞外累积极大地降低了轴突对高频放电的顺向传导能力。类似地，Goldfinger等[54]发现钾离子在轴突附近的累积延长了轴突分叉处的恢复周期，导致其不能可靠地传导具有较短时间间隔的动作电位。上述计算模型研究关注的是动作电位的顺向传导。随后，Grill等[26]采用计算模型发现，当钾离子的胞外浓度与胞内浓度比低于0.076时，支持轴突分枝进行逆向传输的几何形态范围随着胞外钾离子浓度增加而增大；但是，当钾离子的胞外浓度与胞内浓度比高于0.077时，轴突开始出现逆向激活阻断现象，此时的放电脉冲不能沿着轴突分枝进行可靠的逆向传输。上述结果表明，刺激诱发的胞外钾离子累积是影响逆向激活的一个潜在因素，在理解持续DBS产生的激活/抑制效应时需要加以考虑。

3 逆向激活对理解刺激效应的意义

作为DBS作用的一个重要细胞机制，逆向激活可以用来理解刺激产生的多种效应，包括对靶向核团和远端核团的激活/抑制效应，刺激效应的频率依赖性，对病理信息传导的“虚拟损伤(virtual lesion)”以及相应的功能成像数据。下面将分别介绍逆向激活与这些效应之间的联系。

3.1 刺激对靶向核团的激活/抑制效应

逆向激活可以用来理解DBS对靶向核团的激活/抑制效应。电生理实验显示，高频DBS可以降低被刺激核团的放电速率[28,55-56]，提示刺激抑制了靶向核团活动。但是，还有一些实验发现刺激靶点的下游核团在DBS作用时出现放电频率增加的现象[57-58]，提示刺激激活了目标核团。这些看似矛盾的结果可以通过DBS诱发的逆向激活和经突触输入进行解释。DBS对突触前末梢的激活可以顺向触发NMDA和AMPA等兴奋性突触输入以及GABA能抑制性突触输入。大量的兴奋性和抑制性输入同时作用在靶细胞上可以提高或降低细胞兴奋性，进而对靶向核团放电产生促进或抑制效应。相关生理实验已经发现，对突触前末梢的激活可以解释GPe DBS[44]、STN DBS[45]和丘脑DBS[46]在靶向细胞中诱发的兴奋性响应以及GPi DBS[44]在GPi神经元中诱发的抑制性响应。此外，McIntyre等[31]指出，DBS产生的上述矛盾结果与刺激作用下胞体放电和轴突放电之间的解耦有关。研究显示，胞体的超极化后电势导致它在高频刺激下频繁出现逆向激活失败[20]，而这是致使胞体放电与轴突放电解耦的一个关键因素。

3.2 刺激对远端核团的激活/抑制效应

逆向激活也可以用来理解DBS对距离电极较远的神经核团的激活/抑制效应。Benazzouz等[59]发现，STN DBS通过逆向激活GPe神经元进而增加GPe到GPi的传入纤维活动，随后Starr等[60]发现STN DBS对GPe的逆向激活可以进一步调节下游GPi神经元的放电特性。Deniau等[61]发现，丘脑或上丘电刺激通过逆向激活SNr神经元进而在临近的下游细胞上产生短暂的抑制性突触后电势。Maurice等[62]发现，STN DBS通过逆向激活SNr神经元进而在这些细胞内产生刺激强度依赖的放电响应。Montgomery等[63]发现，GPi DBS通过逆向激活丘脑核团进而在其腹侧后核中产生兴奋性响应。Walker等[64]发现，STN DBS通过激活皮层到STN的传入纤维进而产生逆向传导的轴突放电，以此在对侧STN核团中产生激活响应。Degos等[65]和Li等[40]发现，STN DBS通过激活运动皮层到STN的传入纤维，进而以逆向激活的方式在远端运动皮层中产生放电响应。一些电生理实验研究显示，STN DBS对皮层的逆向激活可以进一步抑制皮层β节律活动[66]、降低皮层β频段超同步[67]、恢复感觉运动皮层节律的同步特性[68]以及破坏运动皮层β节律相位与γ节律幅值之间的耦合特性[69]。特别地，Gradinaru等[70]发现，刺激对运动皮层的逆向激活可以有效减轻帕金森病模型鼠的症状。此外，STN DBS对皮层的逆向激活还可以解释刺激在皮层产生的短延迟诱发电位[71]以及刺激对皮层兴奋性的调节效应[72]。

3.3 刺激效应的频率依赖性

逆向激活对刺激频率的依赖性可以用来理解DBS在靶向核团和远端核团产生各种效应的频率依赖性。Li 等[40]采用电生理实验发现，STN DBS可以以刺激频率依赖的方式抑制运动皮层的β振荡，进而恢复帕金森病模型鼠的运动控制功能，而这种抑制能力的频率依赖性与刺激在五层锥体神经元中产生逆向放电的频率依赖性有关。笔者采用神经计算模型发现，DBS作用下丘脑神经元树突响应的代谢消耗呈现频率依赖性[73]。这是由于刺激产生的轴突放电以频率依赖的方式逆向激活神经元的胞体，而胞体产生的每个逆向放电却可以可靠地在树突中激活一个钠离子放电。由于放电频率决定了神经电活动消耗的三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)数目，所以DBS作用下树突的代谢消耗呈现频率依赖特性。除了上述研究，封洲燕等[74]发现，大鼠海马神经元群体对DBS的响应呈现频率依赖性；Grill教授和他的合作团队采用神经计算模型发现，DBS诱发的细胞和核团响应也呈现强烈的频率依赖性，包括调节靶细胞的放电规则性[75-76]、解耦轴突放电和胞体放电[31]以及抑制“皮层-基底核-下丘脑”回路的低频振荡活动[77]等。这些结果的产生都与逆向激活的频率依赖性密切相关[19-20,22]。

3.4 刺激对病理信息传导的“虚拟损伤”

2004年Grill等[76]发现，DBS通过规则化神经元放电输出进而遮蔽细胞固有的异常簇放电模式，他们将DBS产生的这种信息内容缺失称为“信息损伤(informational lesion)”。Grill等[26,76]指出，DBS遮蔽固有放电活动的一个可能方式是刺激产生的轴突放电在逆向传导过程中通过与胞体或轴突起始端传来的顺向放电碰撞进而阻断其传播。笔者在文献[20]中也验证了这个假设，结果显示高频DBS在小脑到丘脑的传入纤维上产生相同频率的轴突放电，这些高频放电在逆向传导过程中与小脑的固有簇放电产生碰撞阻断，进而有效遮蔽相应的簇模式信息。此外，电生理记录表明小脑到丘脑皮层通路上的簇放电活动是特发性震颤的产生根源[78]，而丘脑DBS是治疗特发性震颤的一种有效方法。特别地，只有将电极放置在小脑投射到下丘脑的传出纤维附近，DBS对震颤的抑制效果才最好[79-80]。这也与DBS诱发的逆向激活密切相关，是因为逆向激活产生的信息损伤有效地阻断了病理活动在“基底核-下丘脑-皮层”回路中的传播，进而改善疾病症状[20,26]。

3.5 相关功能影像研究

功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)可记录DBS作用下的大脑活动。基于fMRI技术，Jech等[81]发现STN DBS可以激活同侧苍白球、同侧和对侧下丘脑、黑质、上丘、前额叶皮层、运动前区皮层和对侧尾状核等多个脑区；Kahan等[82]发现，STN DBS通过改变皮层和下丘脑对外部传入的敏感性，进而调节两个脑区之间的有效连接；Zhao等[83]发现，STN DBS能够可靠地在“基底核—丘脑皮层”网络中引起BOLD响应，他们指出，DBS对相关运动通路和非运动通路的调节可能与逆向传输和顺向传输有关。

正电子发射断层成像(positron emission tomography，PET)也可记录DBS作用下的大脑活动。基于PET成像方法，Grafton等[84]发现，STN DBS抑制了运动辅助区、初级运动皮层和基底神经节等核团的异常活动；Trost等[85]发现，STN DBS减少了小脑、中脑、脑桥、中央前回和运动辅助区的代谢消耗，但是却增加了额内侧回和释义顶叶联合皮层的代谢消耗；Asanuma等[86]发现，STN DBS降低了苍白球、感觉运动皮层和小脑蚯部的代谢活动，却增加了楔前叶的代谢活动。

上述这些功能影像分析表明，DBS在刺激靶向核团的同时又对远端核团的代谢和血流活动进行了调节。由于逆向激活是DBS激活/抑制脑内大范围核团活动的一个重要神经机制，所以可用以理解上述的fMRI和PET数据。特别地，fMRI研究表明丘脑DBS诱发的BOLD响应依赖于刺激频率[87-88]，而PET研究也显示STN DBS对帕金森患者运动皮层局部脑血流的抑制效应呈现频率依赖性[89]。由于fMRI和PET是两种基于细胞新陈代谢机制的功能影像技术，而神经电活动的能量消耗又与局部脑区血液动力变化密切相关[90-91]，所以逆向激活的频率依赖性可以用来进一步理解这些功能成像数据对刺激频率的依赖性。

4 结语与展望

虽然DBS的有效性已经在临床研究、电生理实验和计算模型中得到证实，但是相关疾病发病根源的不确定性和DBS作用机理的不明晰性使得这项神经调制技术的应用与推广仍然面临很多挑战。例如，如何选择有效的刺激靶点，如何设定最优的刺激参数，如何解决疾病发病病理的特异性与DBS效果的个体差异性等。大脑的复杂结构连接、神经核团独特的生物物理特性以及DBS的胞外刺激方式使得逆向激活成为DBS作用的一个重要细胞机制。前期研究主要采用电生理实验和模型仿真相结合方法确定DBS在靶向核团和远端核团产生的逆向激活模式。相应结果显示，逆向激活在细胞间呈现个体差异性而在靶细胞内部呈现位置依赖性，具体受刺激参数、突触输入、神经生理、神经结构等多方面因素影响。逆向激活的上述特异性与DBS在靶向核团和远端核团产生的多种效应有关。这些细胞层次的机理性解释有助于打开DBS作用过程的这个“黑箱”，使其逐渐变为一个具有“可解释性”的刺激技术，进而有利于DBS的科学化、标准化与规范化。

目前关于DBS诱发的逆向激活研究已经取得了重要进展，为从细胞层次深刻理解DBS的作用过程提供了重要见解，但是仍然存在一些问题有待于进一步研究。

1)目前关于逆向激活模式的研究大都采用一个固定的神经元模型展开，并且主要集中在丘脑皮层细胞、脊髓α运动细胞和锥体细胞。但是，逆向激活可以发生在运动皮层[39,40,92]、GPe[59]、GPi[93]、STN[94]等多个核团。这些核团之间，神经元的形态、离子通道和突触分布具有极大差异。即使在特定核团内，神经细胞的生理和结构也不是完全相同的。未来需要结合生理数据和神经计算模型进一步明确DBS在各类靶细胞中诱发的逆向激活模式。

2)前期研究发现动作电位的逆向传输与快速钠离子电导有关[50]，但是去极化和超极化电流如何相互作用进而塑造靶细胞的逆向激活模式目前尚不完全清楚。所以，未来需要识别调控逆向激活模式的离子电流机制。此外，进一步明确各类靶细胞中胞外钾离子浓度与逆向激活模式之间的关系对于理解DBS作用机制也是十分必要的。

3)前期研究采用了简化的神经元模型分析了逆向激活模式与轴突形态的关系[26]。但是，目标核团中轴突的真实形态与分枝十分复杂，同时在细胞间和细胞内呈现极大差异性。所以，明确放电在真实轴突分枝中的逆向传导模式对于理解DBS对靶细胞的逆向激活效应十分重要。

4)前期关于DBS的建模思路大都是将一个点源电极放置在各向同性的均匀介质中[20]。但是，靶细胞的周围介质实际却是高度各向异性的，导致刺激产生的真实极化模式与仿真研究有很大差别。所以，对于DBS作用下空间极化、离子动态与逆向激活之间关系的认识还亟待深入。

5)目前尚缺乏关于靶细胞突触输入的详细电生理数据，包括突触数目和位置以及突触电导的强度和动态等，导致前期的研究中突触输入不能完全复现真实情况。未来需要基于突触输入的实际电生理数据更加深入地刻画它们对逆向激活模式的影响规律，同时还需要识别上述规律在靶向核团和远端核团内的特异性。此外，持续DBS会影响突触可塑性甚至导致突触损耗或疲劳[17-19,95]，识别这些效应与逆向激活之间的关系对于理解DBS的作用机制十分关键，关于这方面的研究值得期待。