山东第一医科大学团队开展了一项关于深部脑刺激（DBS）对帕金森病（PD）大鼠模型的长期电生理和行为影响的研究。
研究构建了目前唯一包含运动皮层（M1）长时间神经活动记录的纵向数据集，并开发了基于闭环DBS的控制协议，展示了DBS对异常神经振荡的调节机制。该研究成果已发表在Scientific Data期刊。
研究中使用了我们合作伙伴制造的微电极阵列，如您需要全套DBS方案，无论是电极、设备，还是实验外包，请联系brainnews平台获取支持服务噢～
阅读本文，您将了解DBS实验构建，掌握DBS刺激参数的参考值，并探索DBS在PD治疗中的应用策略，若需总览全文，请移步文末。
DBS 与 PD
脑深部刺激(Deep Brain Stimulation, DBS)
一种通过植入电极进行高频电刺激来调节脑部神经活动的技术，广泛应用于治疗运动障碍和神经精神疾病。
闭环控制：利用实时神经信号反馈调整刺激参数的技术，旨在提高治疗精准度并减少副作用。
帕金森病(Parkinson's Disease, PD)
一种由黑质多巴胺神经元丧失引起的神经退行性疾病，主要表现为震颤、运动迟缓、肌肉僵硬等症状。
研究结果
1
数据结构与电极记录设置
展示了电生理数据的存储结构和不同信号类型（宽带信号、LFP信号和神经元尖峰信号）的示例：
图片来源：A longitudinal electrophysiological and behavior dataset for PD rat in response to deep brain stimulation
2
实验模型验证
TH染色显示PD模型大鼠纹状体多巴胺能神经元丢失，Nissl染色验证电极位置准确性。
图片来源：A longitudinal electrophysiological and behavior dataset for PD rat in response to deep brain stimulation
3
行为学测试
旷场实验显示PD大鼠运动能力受损，而闭环DBS显著改善了活动范围和运动时间。
图片来源：A longitudinal electrophysiological and behavior dataset for PD rat in response to deep brain stimulation
04
电生理信号分析
从运动皮层（M1）记录的尖峰信号分类，包括推定锥体神经元和中间神经元。尖峰信号分类结果显示闭环DBS对神经元活动的调控效果。
图片来源：A longitudinal electrophysiological and behavior dataset for PD rat in response to deep brain stimulation
LFP信号的功率谱密度，PD组是由beta波段（12-40Hz）的大振幅决定的，而假振荡组不明显，PD-DBS组的增强beta振荡被抑制。
图片来源：A longitudinal electrophysiological and behavior dataset for PD rat in response to deep brain stimulation
05
不同行为状态的电生理特性
比较了不同行为状态（睡眠、清醒、运动）下大鼠M1-LFP信号的功率谱变化，PD组和闭环DBS组差异显著。PD组运动状态下的β波段振荡最强，而闭环DBS有效降低了这种异常活动。
图片来源：A longitudinal electrophysiological and behavior dataset for PD rat in response to deep brain stimulation
图片来源：A longitudinal electrophysiological and behavior dataset for PD rat in response to deep brain stimulation
06
闭环DBS动态调节效果
5天的闭环DBS实验中，刺激时间逐渐减少，β频段振荡持续被抑制，显示出长期稳定的调节效果。
图片来源：A longitudinal electrophysiological and behavior dataset for PD rat in response to deep brain stimulation
实验设计
研究通过6-OHDA单侧注射建立PD模型，使用微丝电极阵列记录M1的神经活动数据。闭环DBS控制系统基于随机森林算法对LFP振荡特征进行实时评估与调节。
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特别关注
研究使用的微电极阵列，参数如下：
研究中DBS参数整理如下：
总览全文
摘要
研究展示了连续 5 周从正常和半帕金森大鼠的初级运动皮层 (M1) 第五层收集的电生理数据集和相应的行为数据集。电生理数据集由原始宽带信号、神经元尖峰和局部场电位 (LFP) 信号组成。进行了旷场测试并记录下来，以评估整个实验周期中大鼠的行为变化。我们通过对尖峰数据进行分类以形成动作电位波形并分析 LFP 数据的频谱功率对该数据集进行了技术验证，然后基于这些发现，通过 M1 LFP 信号的振荡活动响应开发了闭环 DBS 协议。此外，将该协议连续五天应用于半帕金森大鼠，同时记录电生理数据。该数据集是目前唯一包含纵向闭环 DBS 记录的公开数据集，可用于研究长期闭环 DBS 后 M1 内神经元活动的变化，并探索其他可靠的生物标志物。
背景与摘要
深部脑刺激（DBS）作为药物治疗的补充治疗方法，对治疗运动障碍，如晚期药物难治性帕金森病（PD）、肌张力障碍、特发性震颤1、2有重要意义。近30年来，DBS发展迅速，在PD患者的震颤、运动迟缓等症状方面取得明显改善，但对其作用机制尚缺乏深入研究。有研究证明，DBS是通过对特定核团施加高频刺激，调节神经元振荡活动，达到对症治疗的目的3。神经元是神经系统最小的结构和功能单位，因此，脑内信息的产生、编码、传递和整合都是通过神经元的动作电位来完成的4、5、6。记录单个神经元活动和局部神经元群体活动有助于获得动作电位的特征，并从多个尺度解读大脑活动7、8、9 ，这对于探索DBS的机制尤为重要10、11。
帕金森病动物模型研究表明，作用于基底神经节的DBS也能调节皮质活动12、13、14 。这表明DBS可能通过多种协同机制15起作用，而不仅仅是抑制或兴奋基底神经节。多巴胺耗竭伴随着皮质-基底神经节-丘脑运动控制环路中β波振荡活动的增强16、17、18、19、20。虽然导致β波振荡活动异常的机制尚不清楚，但异常振荡活动也表明皮质-基底神经节-丘脑环路的神经网络和神经元信息传递发生了显著变化。解读这些异常活动的特征可以增强我们对它们如何影响皮质-基底神经节-丘脑运动环路的理解，促进新治疗方法的开发，也有助于探索 DBS 的潜在机制。
DBS为在体研究帕金森病的神经生理活动提供了独特的机会，术中微电极记录主要用于确定刺激靶点的解剖结构和提高定位精度3，但无法获得长期的神经活动信息。新兴的传感DBS设备如Percept PC为连续记录来自植入式DBS导线的局部场电位（LFP）21，22提供了新的机会，但遗憾的是，它们无法收集刺激靶区以外的神经活动。DBS干预对于帕金森病患者来说是一个长期、慢性的过程，然而，当前的研究主要集中于DBS的急性效应10，23，24，刺激时间从几分钟到几小时不等，缺乏长期有效刺激下的神经活动信息。脑网络动力学赋予大脑巨大的神经可塑性25，长期重复刺激可导致神经可塑性的变化26。DBS已被证实能有效改善PD患者的步态和姿势，神经可塑性可能在此过程中发挥关键作用27，同时伴随神经化学变化28，因此对急性刺激的神经生物学反应可能并不代表慢性刺激引起的变化。
长期DBS干预对皮层-基底节-丘脑运动环路的神经生理、神经递质和功能代谢的影响仍需进一步研究，因为长期DBS引起的变化更能反映脑网络的变化和运动状态的波动29 。基于长期DBS解读神经生理信息，利用这些信号作为临床症状变化或病情严重程度的生物标志物，指导刺激参数的调整，最终形成闭环的DBS系统30。这将有助于进一步探究DBS的治疗机制，减少持续刺激带来的副作用，并实现未来刺激的个体化应用。
啮齿动物一直是研究人类疾病的重要工具。尽管现有的动物模型无法完全复制临床状况，但通过神经毒素注射或基因敲除技术构建的模型已成功模仿帕金森病患者的行为31。通过立体定向向内侧前脑束 (MFB) 注射特定的儿茶酚胺能神经毒素 6-羟基多巴胺 (6-OHDA)，可以构建半帕金森病 (hemi-PD) 大鼠模型，该模型表现出在运动控制相关区域记录到异常的 β 波振荡活动，例如初级运动皮层 (M1)、丘脑底核 (STN) 和黑质网状部 (SNpr) 32 , 33。尽管半侧帕金森病大鼠的 β 波段频率范围 (12-40 Hz) 略高于帕金森病患者 (12-30 Hz) 34，但相似性也为研究 β 波段振荡活动显著升高背后的机制及其通过 DBS 干预的调节提供了绝佳的机会。
本研究在正常和半侧帕金森病大鼠的M1第V层植入微丝阵列电极进行纵向记录，通过分析多单元锋电位信号和神经元群LFP来评估帕金森病病理的演变，并通过睡眠、清醒和行走状态下的数据比较来探索与不同帕金森病生理状态直接相关的特征。在此基础上，我们构建了半侧帕金森病大鼠的闭环DBS治疗方案，根据M1-LFP信号的振荡活动来开启/关闭DBS，并连续5天记录相应的电生理数据，这为分析长期闭环DBS后M1的纵向电生理变化并进一步探索更多潜在的生物标志物提供了独特的机会。
方法
所有动物操作均符合相关机构规则，符合美国国立卫生研究院实验动物护理和使用指南。方案经山东第一医科大学第一附属医院动物伦理委员会批准（批准号：2021080702）。实验过程中尽量减少疼痛和减少动物数量。所用 Sprague-Dawley 大鼠（雌性，180–260 g，济南鹏悦实验动物养殖有限公司）饲养在标准 SPF 动物房中，每笼 3 只，12 h/12 h 明暗循环，自由进食和饮水。
在不同时间段连续采集大鼠的行为和电生理数据，采集过程在安静的测试室中进行。进行旷场测试并记录以评估大鼠的行为变化。使用OmniPlex神经记录数据采集系统（Plexon Inc.，美国德克萨斯州达拉斯）记录宽带电生理数据，其中大鼠被放置在定制的法拉第笼中，可自由进食和饮水。
6-OHDA损伤实验
所有大鼠在手术前至少接受7天的操作，以熟悉实验者和测试仪器。大鼠在密闭麻醉诱导箱中用异氟烷（深圳市瑞威达生命科技有限公司）吸入麻醉。手术过程中，用小动物麻醉机（北京中视迪创科技发展有限公司）维持低流量，当角膜和痛觉反射消失时，麻醉完全有效。给大鼠注射地昔帕明（5 mg/kg，SigmaAldrich）和帕吉林（50 mg/kg，SigmaAldrich）以抑制单胺氧化酶并保护去甲肾上腺素能神经元35。双眼覆盖生理盐水棉球防止角膜脱水，外敷盐酸奥施卡因凝胶(沈阳绿洲制药有限公司)减轻耳部不适，使用恒温加热垫持续维持体温在37 ℃。将大鼠固定于立体定位架(北京中视迪创科技发展有限公司)上，以大鼠脑图谱36确定药物注射及电极植入的坐标。清除两眼线及两耳线之间的毛发，消毒后剪开皮肤、分离皮下组织。去除颅骨表面骨膜，找到MFB(AP−4.4 mm，ML−1.2 mm，DV−7.8 mm)，用牙钻在颅骨表面开一小孔。
本研究使用36只大鼠，随机选取10只作为假手术组，另选取26只作为PD组。假手术组通过微量注射器向左侧MFB区缓慢注入4μl 0.02％抗坏血酸盐水溶液（SigmaAldrich）。PD组向左侧MFB注入6-OHDA（4μl，5μg/μl溶于0.2％抗坏血酸和0.9％生理盐水，SigmaAldrich）复制半PD模型，术后给予美洛昔康（SigmaAldrich）止痛。6-OHDA损毁一周后，通过阿扑吗啡诱导的旋转分析验证多巴胺耗竭程度，皮下注射阿扑吗啡（0.5mg/kg，SigmaAldrich）37。注射阿扑吗啡30 min后大鼠对侧净旋转次数达到210次以上为半侧PD模型成功建立，按此标准将23只大鼠确定为半侧PD模型，进一步随机分为PD组（n= 10）和PD-DBS组（n=13）。
微丝阵列电极的设计
本研究中刺激和记录电极均为微丝阵列电极。为保证长期稳定性和高质量信号采集，电极参数经过特殊定制，记录电极选用高阻抗、低噪声、高机械强度的镍铬丝。记录微丝阵列排列为4×4阵列（镍钛，直径25μm，极间间距300μm，长度8mm，苏州科斗脑机科技有限公司），在电极连接处预留两根直径125μm的银丝作为地线。刺激微丝阵列排列为2×2阵列（钨，直径50μm，极间间距250μm，长度10mm，北京普莱森科技有限公司）。记录和刺激电极的电极丝尖端仅露出2mm，其余部分用聚乙二醇封装固定。记录和刺激电极线均覆盖3μm聚对二甲苯绝缘层，以进一步提高电极的生物相容性。
微丝阵列电极植入
假手术组（n=10）、PD组（n=10）和PD-DBS组（n=13）将刺激电极植入于左侧STN（AP−3.6 mm、ML−2.6 mm、DV−7.6 mm），PD组和PD-DBS组将记录电极植入于双侧M1区V层（AP2.5 mm、ML±3 mm、DV−1.6 mm）。由于6-OHDA损毁为单侧，PD组和PD-DBS组对侧半球可作为自身对照，因此假手术组仅在左侧M1区植入记录电极。在大鼠颅骨表面植入4颗不锈钢螺钉，用于缠绕固定接地线。用牙科丙烯酸酯和螺钉将电极固定在颅骨表面。术后连续3天肌肉注射青霉素、美洛昔康，预防感染、减轻疼痛。
旷场行为评估
为避免昼夜节律引起的活动差异，行为学测试每周保持在同一时间段进行，测试前30 min让大鼠适应测试室环境。实验大鼠通过小型饲养笼转移，尽可能缩短抓握动物的时间，减少因移动大鼠引起的恐惧应激反应。每次测试前后用清水和75%酒精清洗实验器械，清除前一只大鼠留下的粪便和臭味，待器械彻底干燥后再进行下一次大鼠实验。以大鼠术前行为学测试结果作为基线数据，后续实验仅对Sham组、PD组和PD-DBS组进行行为学测试。行为学测试时间表见图 1，所有测试及数据分析均由两名不知晓分组的实验者完成。
图 1
整个实验设计。第 1 天将 6-OHDA 或抗坏血酸注入 MFB。6 天后，通过阿扑吗啡诱导旋转进一步确定大鼠为半 PD 大鼠模型。在第 7、14、21、28 和 34 天对所有大鼠进行旷场行为测试。第 8 天植入刺激和记录电极。对于每次记录，我们在三个时间段（即早上、下午和晚上）提供不同活动状态下的电生理数据。从第 29 天到第 33 天对半 PD 大鼠进行 DBS 刺激。
旷场实验为评估大鼠在新环境中的一般行为和运动能力。实验装置由一块100 cm×100 cm底部的黑色亚克力板，四周由40 cm高白色亚克力板和铝合金框架组成。测试在安静、光线昏暗的房间内进行。将大鼠轻轻放置在装置中央，测试前5 min让大鼠自由探索装置。通过装置上方的高清摄像头记录运动，使用Tracking Master 3.0视频行为分析软件（上海凡比智能科技有限公司）计算运动量和时长。重复测试可能会使大鼠形成习惯，从而导致行为灵活性降低38 。为更真实地反映不同组间大鼠的行为差异，目前研究39 , 40每隔一周进行一次旷场实验。
DBS刺激参数设置及电生理数据记录
商业化DBS系统的效果在很大程度上取决于所施加刺激脉冲的参数，包括波形、脉冲宽度、频率和幅度41，42。就波形而言，单相脉冲可能通过电化学反应产生有毒产物43，而电荷平衡的双相脉冲可以防止电极触点周围脑组织发生不可逆的化学反应44，45 ，出于安全性考虑，通常用于临床DBS。就刺激频率而言，与低频刺激46，47相比，高频（>100Hz）刺激是治疗帕金森病运动症状的既定方法48。然而，高频刺激可能导致注意力和认知障碍，这可能是长期持续刺激的结果。
值得注意的是，人类的丘脑底核（STN）比大鼠的要大300倍49，由于体积上的巨大差异，使用与人类相同的刺激电流强度（幅度）可能导致电流波及到脑组织更大区域而影响其他核团的功能1,50 。因此，电流强度的选择要根据每只大鼠的反应而定。具体而言，当开启刺激时，大鼠会有轻微的不自主运动反应，表现为对侧口面部抽搐51,52 ，随着刺激电流强度的进一步增加，可出现对侧前肢严重的运动障碍，甚至对侧旋转53。因此，对于每只大鼠，选择刺激频率为130 Hz，脉冲持续时间为90 μs，初始电流强度设定为20 μA，每次增加5 μA。当观察到对侧颌面抽搐时,以相应的电流强度作为阈值,在随后的刺激中,连续5天将强度设置为低于此阈值5μA。
PD-DBS组大鼠连续5 d接受闭环STN-DBS刺激，将左侧M1-LFP信号中各频带的功率分析与随机森林算法相结合，建立闭环DBS控制模型，实现对大鼠状态的实时评估。随机森林算法设定树的数量为200，树的最大深度为默认（不断扩展节点，直至所有叶子节点都为纯节点）。由于non-REM睡眠状态54时高β波振荡活动并不明显，单纯以β波振荡功率作为长时间反馈信号无法实现对大鼠全天候的精准刺激。因此，我们从2~50Hz提取频带，初始频带为2~10Hz，移动大小为4Hz，共11个频带。以这11个频段作为随机森林模型的特征集，构建了可以解析PD状态的模型，为每只大鼠训练个性化模型，当模型判定大鼠状态为PD时，开启精心设计参数的刺激，反之，当所有频段均观察到正常功率表现时，关闭刺激。
同步记录闭环DBS下M1的电生理数据。OmniPlex神经记录数据采集系统可从宽带信号中滤除尖峰和LFP神经信号，带通滤波器分别设置为300~3000 Hz和0.5~300 Hz，并以40 kHz和1 kHz的采样率进一步数字化。宽带信号、尖峰和LFP数据文件均保存以供进一步离线分析（如图 2所示）。
图 2
数据集结构及格式。( a )所有电生理数据的存储格式，每个数据组（sham、PD、PD-DBS）包含按记录时间划分的子文件夹。每个记录时间段内，通道1至通道16为病变侧数据，通道33至通道48为对侧数据。( b )每个子文件夹中数据格式示例，从上到下包括LFP、宽带、尖峰信号。
通过上述刺激参数的设定及闭环建模，啮齿动物DBS的研究可为非人灵长类动物及人类的DBS临床前研究提供有价值的参考。
电极定位和免疫组织化学验证
实验结束后，所有大鼠用异氟烷处死，开胸暴露心脏，经心脏灌注生理盐水，再灌注4%多聚甲醛（PFA，0.1 M，pH=7.4，武汉赛维生物科技有限公司）。用4% PFA固定脑组织，脱水、包埋、切片后进行染色。尼氏染色确定电极位置，仅正确植入电极的大鼠电生理数据用于后续分析。对纹状体和黑质致密部（SNc）的病理切片进行酪氨酸羟化酶（TH，ab137869，abcam）免疫组织化学染色，以更好地评估多巴胺能神经元的丢失。使用光学显微镜（日本东京奥林巴斯光学有限公司）在 400 倍放大倍数下观察纹状体和黑质致密部的组织病理学变化。
数据记录
数据集以 G-Node 格式发布，可在https://doi.org/10.12751/g-node.lzvqb5 55下载。README.md 文件描述了有关存储库内容和结构的详细信息。整个研究期间收集了假手术组 8 只大鼠、PD 组 9 只大鼠和 PD-DBS 组 11 只大鼠的数据。'baseline' 文件夹包含 28 只大鼠的数据，'sham' 文件夹包含 8 只大鼠的数据，'PD' 文件夹包含 9 只大鼠的数据，'PD-DBS' 文件夹包含 11 只大鼠的数据。
我们将所有的电生理数据保存在文件夹“electrode dataset for hemi-parkinsonian rat”中，其中包含三个不同的组别（PD、PD-DBS、Sham）。不同活动状态下采集的数据分为情节1、情节2和情节3，对应不同的采集时间，即早上、下午、晚上。例如，“sham/sub-01/week-02/sub-01-wake-episode1.nex”是第二周早上记录的sham组第一只大鼠在清醒状态下的电生理数据，其中“.nex”文件包含原始宽带信号、神经元锋电位和LFP信号。“PD”子文件夹包含与“sham”文件夹含义类似的数据。'PD-DBS'子文件夹不仅包含了连续四周的数据，还包含了第29天至第33天闭环DBS的电生理数据。例如'PD-DBS/sub-05/stimulus/Day31/sub-05-sleep-episode1.nex'为第31天早上PD-DBS组第5只大鼠在睡眠状态下进行闭环DBS的电生理数据。
所有行为测试数据均保存在“行为测试”文件夹中，包括三个不同组别（PD、PD-DBS、Sham）的子文件夹和基线旷场数据。例如，“行为测试/sham/week-02/sub-01”为第1只大鼠在第二周旷场测试时高清摄像机录制的视频数据。
最后，我们提供了名为“artifacts_removal.py”的 Python 代码，可用于从宽带信号中获取干净的 LFP 信号，以及它们的功率谱分析，以简化这些演示的可重复性。
技术验证
组织学验证
单侧注射6-OHDA导致单侧纹状体和黑质密层内 几乎所有TH +多巴胺神经元丢失，而假手术组大鼠无明显差异（图3a）。植入电极的位置通过尼氏染色确认（图 3b），仅选取记录微线阵列电极位于M1层V层、刺激电极位于STN内的大鼠进行进一步的电生理数据分析，其中5只大鼠（假手术组n=2，PD组n=1，PD-DBS组n=2）因定位错误被排除。
图 3
组织学验证。（a）假手术和半 PD 大鼠的纹状体和黑质网状结构经 TH 染色的代表性冠状切片。假手术组患侧和对侧的TH +神经元没有显著差异，但在 PD 和 PD-DBS 组中未发现患侧的TH +神经元。（ b）Nissl 染色显示 M1 和 STN 中电极尖端（红色箭头）的位置。
行为验证
旷场实验中的自发运动方面，通过运动量和持续时间进一步验证了半侧PD与假手术对照组大鼠的差异。在注射药物前，大鼠运动距离和时间较长，且探索中心区域，与正常大鼠的结果一致（图 4a）。在注射药物后的第一次行为测试中，假手术组大鼠由于病灶实验的影响，运动量和持续时间略有减少，而PD和PD-DBS大鼠的运动减少明显，提示运动功能障碍逐渐出现（图 4b）。在第34天，PD大鼠的运动情况明显减少，在角落停留时间增加。而假手术组大鼠的运动较基线略有减少，在第34天仍然在中心区域活跃。令人惊讶的是，对于 PD-DBS 大鼠，在第 34 天，虽然中心区域没有活动，但周围区域的运动与 PD 组相比明显增加，这意味着长期闭环 DBS 可以增强 PD 大鼠的运动能力。使用单因素方差分析比较三组间运动持续时间的平均值，以P
图 4
旷场试验验证。( a )运动量。( b )运动持续时间。* P
动作电位波形（尖峰）排序
Offline Sorter TM软件（Plexon Inc）提供了不同的排序方法，包括谷底寻找算法、模板匹配排序和k均值。比较这些脉冲排序方法的研究表明，如果数据特别嘈杂，谷底寻找算法可以产生最准确的结果56。虽然会遗漏一些脉冲，但后续的人工分类可以提高分类的准确性，因此本研究采用了谷底寻找算法。研究表明，从植入M1第V层的微丝阵列电极获得的脉冲数据可以分类为假定的锥体投射神经元（PN）和中间神经元（IN ）40，57 。
图 5a为这两类神经元的锋电位信号，与假定的PN相比，IN的锋电位宽度更短（图 5b）。如图 5c所示，假定的PN数量多于IN，且锋电位间隔分布不如IN集中。通过主成分分析可以区分这两类神经元（图 5d ）。与正常状态相比，PD状态下锋电位幅度减小，锋电位宽度基本不变。与PD状态相比，闭环DBS对假定的IN的调制作用大于对PN的调制作用，IN的锋电位幅度大于PD状态58,59 。将分类后的神经元在数据集中标记为PN和IN，可进一步用于研究不同状态下锋电位速率和锋电位模式的变化。
图 5
从 M1 脉冲数据中分类的动作电位波形示例分析。( a ) 记录的两种神经元的脉冲数据。( b ) 两种神经元的脉冲波形。( c ) 两种神经元的脉冲间隔直方图。( d ) 基于 3D 空间中的主成分分析的神经元聚类。( e ) 基于假手术组、PD 组和 PD-DBS 组的脉冲宽度和平均发放率特征的假定 PN 和 IN 聚类。
LFP信号的功率谱密度
这里我们给出了利用LFP信号进行谱功率分析的示例。首先，通过建立适当的阈值线来确定宽带信号中每个刺激伪影峰值对应的时间点，并用线性插值替代所有受这些伪影影响的采样点，以消除PD-DBS组的刺激伪影。然后，对宽带信号进行四阶巴特沃斯带通滤波（0.5～300 Hz）和1 000 Hz下采样得到干净的LFP信号，并在50 Hz及其谐波处执行陷波滤波以消除电力线噪声。使用Welch谱功率分析方法对干净的LFP信号进行分析，通过反复试验选择窗函数为Hamming，窗长为3秒（3000个采样点），重叠率为50％。如图 6所示，PD 组的特征为 β 波段（12–40 Hz）震荡幅度较大，而假手术组这些震荡不明显，PD-DBS 组的增强 β 震荡受到抑制。
图 6
假手术组、PD组和PD-DBS组病变侧的功率谱密度比较，浅蓝色方块代表β波段（12–40 Hz）的范围。
睡眠、清醒和行走状态下 LFP 信号的频谱功率分析
对于大鼠的状态（睡眠、清醒和行走）而言，难点在于睡眠状态的判断。根据目前的研究，大鼠和小鼠进入睡眠状态时均采用低头的蜷缩姿势60。此外，在明亮的环境中，大鼠倾向于蜷缩并闭眼睡觉，而在黑暗的环境中，大鼠倾向于睁眼睡觉。睡眠状态通过身体蜷缩状态和实时记录的LFP信号频谱图来判断。在睡眠状态下，PlexControl软件（Plexon Inc）显示的实时LFP频谱图主要低于10 Hz61 。因此，我们实施了双专家方法对大鼠的状态进行分类，由一位专家通过视觉判断大鼠的行为，另一位专家专注于LFP的频谱图，然后两位专家共同审查他们的发现以达成共识。
同一天采集的3次发作在同一状态下的平均LFPs功率谱密度分析结果如图 7所示。PD组患侧睡眠状态下β范围内的功率谱密度低于行走状态下（图 7a ），但3种状态下PD组对侧（图7b）与假手术组（图 7c ）的功率谱密度均无明显差异 。为了进一步探究存在上述差异的原因，我们对单次发作的不同活动状态下进行了功率谱分析。
图 7
双侧 M1-LFP 数据在睡眠、清醒和行走状态下的功率谱密度示例分析。PD 组 ( a ) 病变侧和 ( b ) 对侧的功率谱密度。( c ) 假手术组的功率谱密度。每条线代表同一天收集的三集数据的平均值，阴影部分代表它们各自的标准差。
由于大鼠无法长时间维持同一状态，除少数记录事件外，大部分电生理数据的采集时间为300秒。图 8a显示在行走状态下，病变侧的β带振荡活动显著增加，而清醒状态下相应的β带活动与行走状态相比较低。令人惊讶的是，在睡眠状态下，大鼠偶尔会出现肢体抽搐等异常身体运动，病变侧在某些时段也表现出β带振荡升高，在图 8a中用红色虚线标记。此外，研究证明，在帕金森病患者的快速眼动（REM）睡眠期间，记录到的β带振荡活动与清醒状态相似甚至更高54。因此可以推断，PD大鼠在REM睡眠期间也存在较高的β波段振荡活动，SNpr核62中也观察到了类似的现象。这也表明皮层-基底神经节-丘脑回路不仅在解剖上存在功能上的联系，而且在神经振荡活动上也存在联系。PD大鼠对侧（图 8b）和假手术大鼠（图 8c）在三种状态下均未观察到明显的β波段活动。
图 8
双侧 M1-LFP 数据在睡眠、清醒和行走状态下的光谱功率示例分析。PD 组 ( a ) 病变侧和 ( b ) 对侧的光谱功率。( c ) 假手术组的光谱功率。( a )中的红色方块表示在睡眠状态下观察到的病变侧 beta 波段振荡活动异常增加。
5 天闭环 DBS 的 LFP 数据光谱功率变化
连续5天（第29天至第33天）应用闭环DBS，计算相应的病灶侧M1-LFP信号频谱功率。闭环DBS以M1-LFP振荡活动为基础进行，图 9a为病灶侧M1-LFP信号伴有刺激伪影，表明随着时间的推移，刺激间隔时间延长，刺激时长相对缩短。图 9b为这5天相应的频谱功率分析，闭环DBS的应用抑制了PD状态下升高的β带振荡活动。值得注意的是，虽然在第33天施加的刺激显著减少，但未检测到β带活动的重新升高。
图 9
同一时间段内 5 天闭环 DBS 的功率谱变化示例分析。5 天的损伤 M1-LFP 信号和 DBS 伪影（a），以及 5 天行走状态下相应的功率谱变化（b）。
值得注意的是，通过注射神经毒素或基因敲除构建的动物模型无法完全模拟帕金森病的临床特征。但现有的动物模型可以从不同方面模拟帕金森病的特征，有助于理解帕金森病的病理生理和DBS的机制。在动物模型上发现的潜在生物标志物仍需更多研究来验证其安全性和有效性，最终为表征帕金森病的不同状态提供更稳定、更准确的反馈。总之，从啮齿动物模型获得的结果可以进一步促进DBS治疗的优化，提高帕金森病患者的生活质量。
