帕金森病患者僵直遲緩癥狀神經(jīng)元電活動特點研究

郭松 李建宇 胡永生 任志偉 張宇清 李勇杰 莊平

(首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院功能神經(jīng)外科，北京市功能神經(jīng)外科研究所，北京 100053)

·神經(jīng)損傷研究·

帕金森病患者僵直遲緩癥狀神經(jīng)元電活動特點研究

郭松 李建宇 胡永生 任志偉 張宇清 李勇杰 莊平*

(首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院功能神經(jīng)外科，北京市功能神經(jīng)外科研究所，北京 100053)

目的探討帕金森病(PD)患者僵直遲緩癥狀的神經(jīng)元電活動特點。方法25例僵直遲緩為主征的PD患者接受立體定向丘腦底核(STN)腦深部電極植入術(shù)(DBS)。術(shù)中通過微電極記錄技術(shù)采集神經(jīng)元電活動。應(yīng)用單細(xì)胞分析方法，峰間隔分析方法分析神經(jīng)元放電的頻率和形式，應(yīng)用功率譜分析方法分析神經(jīng)元放電周期節(jié)律。結(jié)果分析了180個信號穩(wěn)定的神經(jīng)元，平均放電頻率為(40.6±22.3) Hz；有35.6%(n=64)神經(jīng)元有周期節(jié)律性放電，放電周期節(jié)律在β節(jié)律內(nèi)。結(jié)論β節(jié)律的神經(jīng)元周期節(jié)律性電活動可能和PD僵直遲緩癥狀的病理生理改變有關(guān)。

帕金森病; 丘腦底核; 微電極記錄; 震蕩電活動

帕金森病(Parkinson's disease, PD)是一種基底結(jié)系統(tǒng)起源的運動障礙病。該病以黑質(zhì)致密部多巴胺能神經(jīng)元丟失為主要特點。盡管現(xiàn)在對基底結(jié)系統(tǒng)的解剖和生理方面的研究有了顯著的突破，但是，導(dǎo)致PD各種癥狀的病理基礎(chǔ)尚不清楚。隨著越來越多的研究顯示[1]，PD僵直遲緩癥狀似乎和基底結(jié)核團(tuán)內(nèi)異常的放電節(jié)律有關(guān)。最近的研究顯示[1-2]：丘腦底核(subthalamic nucleus, STN)神經(jīng)元β節(jié)律的周期性電活動的顯著增加與運動癥狀加重有密切關(guān)系。通過使用多巴胺類藥品或應(yīng)用STN腦深部刺激術(shù)都可以改變神經(jīng)元的β節(jié)律放電，從而緩解帕金森癥狀。但這種β節(jié)律的周期性電活動和帕金森病什么樣的癥狀有關(guān)，一直存在著爭論[2-3]，本研究選取了典型的僵直遲緩型PD患者，利用手術(shù)治療帕金森病的優(yōu)勢，研究僵直遲緩型PD患者STN神經(jīng)元的放電特點，以期為臨床治療提供依據(jù)。

對象與方法

一、一般資料

本研究對象為2010年1月至2015年1月，首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院功能神經(jīng)外科收治的資料較為完整的25例，男15例，女10例。以僵直遲緩為主征的原發(fā)性PD患者，平均年齡為(59.7±7.9)歲，平均病程為(8.1±3.5)年，術(shù)前Hoehn and Yahr評分為(3.6±1.0)分。

二、臨床表現(xiàn)

帕金森病診斷主要依據(jù)病史，查體和神經(jīng)?？茩z查，對左旋多巴或多巴胺能藥物的反應(yīng)，以及通過實驗室檢查和MRI檢查除外其它疾病。確定為僵直遲緩型患者主要依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報道方法[4-5]，即在“關(guān)”狀態(tài)下帕金森綜合評分量表(unified Parkinson's disease rating scale, UPDRS)運動部分(III)評分，其中僵直和遲緩部分條目至少有3項超過3分，并且震顫部分條目的評分應(yīng)為0或者1分。如果患者沒有震顫，僅有僵直遲緩癥狀也屬于僵直遲緩型患者。

本研究經(jīng)過首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院倫理委員會的批準(zhǔn)，所有患者簽署了知情同意書。

三、立體定向手術(shù)和微電極記錄

立體定向手術(shù)和微電極記錄 在術(shù)前應(yīng)用磁共振掃描，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入手術(shù)計劃系統(tǒng)(Medtronic Framelink)，術(shù)前12 h，患者停用藥物。在局麻下安裝立體定向頭架(CRW-FN, Radionics, Burlington, MA, USA)固定患者頭部。完成CT薄層掃描后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入手術(shù)計劃系統(tǒng)，與之前MRI數(shù)據(jù)融合，確定前聯(lián)合和后聯(lián)合的位置，和定位頭架的位置，確定手術(shù)靶點。

通過微電極記錄技術(shù)進(jìn)一步確認(rèn)手術(shù)靶點。神經(jīng)元的放電活動通過尖端直徑從10～20 μm，在1000 Hz時阻抗從0.1～0.5 MΩ的鎢電極記錄。STN位于丘腦下方約1～3 mm處，進(jìn)入STN上邊界時，神經(jīng)元放電密度和背景噪音均迅速增加。記錄的過程中，當(dāng)一出現(xiàn)這種背景噪音增加并且放電幅度增加的細(xì)胞放電特點時，可以確定為STN的上邊界[6-7]。當(dāng)電極走出STN后，背景噪音變小，直到遇到黑質(zhì)后，背景噪音再次增加。從離開STN到遇到黑質(zhì)這段距離約為0.5～3 mm。在這段區(qū)域中，STN神經(jīng)元的放電幅度和背景噪音是逐漸降低的，這段區(qū)域的中點被確定為STN的下邊界[6-7]。黑質(zhì)放電的特點和STN比較，可見其放電電壓幅度低而放電頻率高，而且很規(guī)則。

細(xì)胞外動作電位信號通過放大器(Alpha Omega Engineering, Nazareth, Israel)放大(×20 000～50 000)，濾波在200 Hz～12 kHz之間。信號的采樣率為12 kHz，儲存在計算機硬盤上以便離線分析。

微電極記錄確定靶點后，將四個觸點的腦深部電極(Model 3389; Medtronic, Inc., USA)植入STN，并測試效果和副反應(yīng)(測試頻率185 Hz，脈寬90 μs)。手術(shù)電生理定位以及測試過程中，所有患者清醒并配合外科醫(yī)師的指令。通過刺激測試獲得滿意結(jié)果后，在鎖骨下植入刺激發(fā)生器(37601或37612; Medtronic, Inc.)。在手術(shù)電生理定位以及測試過程中，所有患者要求清醒并配合外科醫(yī)師的指令。

四、數(shù)據(jù)分析

STN的單細(xì)胞放電通過軟件Spkie2(Cambridge Electronic Design, UK)的動作電位區(qū)分算法進(jìn)行鑒別[8]。同時，經(jīng)過經(jīng)驗豐富的神經(jīng)生理學(xué)專家的確認(rèn)。入選分析的標(biāo)準(zhǔn)包括，記錄的過程中沒有隨意運動或是被動運動，對動作電位信號信噪比大于2∶1的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。確定是單細(xì)胞的方法包括波幅和波形標(biāo)準(zhǔn)，主要檢查動作電位的波形和波幅在15～20 s內(nèi)是否一致。細(xì)胞和同時記錄到的肌電數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB (Version 7, The MathWorks, Natick, MA, USA)，進(jìn)行進(jìn)一步分析。

放電形式的分析方法包括測量放電峰間隔(interspike interval, ISI)的變異系數(shù)(coefficient of variance, CV)(CV=ISI的標(biāo)準(zhǔn)差/ISI的平均值)，并評估ISI直方圖樣式來確定放電形式。

細(xì)胞放電的功率譜分析主要應(yīng)用Welch方法[9]，主要參數(shù)包括：Hanning窗，窗寬2 s，50%重疊，分辨率0.5 Hz[9]?？尚艆^(qū)間的閾值設(shè)定為：計算得出的 30～70 Hz這一段頻譜平均功率標(biāo)準(zhǔn)差的5倍[9]；細(xì)胞放電的主要周期節(jié)律為所有超過閾值中的最大功率的節(jié)律。改善率為術(shù)前評分與術(shù)后評分的差值和術(shù)前評分的比值。

五、統(tǒng)計學(xué)分析

結(jié) 果

一、丘腦底核神經(jīng)元放電頻率和形式分析

本研究分析了50個STN針道中記錄的180個信號穩(wěn)定的神經(jīng)元，平均放電頻率為(40.6±22.3) Hz；有13.3% (n=24)的神經(jīng)元為緊張性放電，86.7% (n=156)的神經(jīng)元為不規(guī)則放電(圖1)。

圖1 β震蕩活動及非震蕩活動神經(jīng)元電信號
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.

圖2 通過功率譜分析神經(jīng)元的節(jié)律性震蕩活動
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、丘腦底核神經(jīng)元放電周期節(jié)律分析

通過功率譜分析，這180個信號穩(wěn)定的神經(jīng)元中有35.6%(n=64)的神經(jīng)元有顯著的周期節(jié)律性放電活動。周期的節(jié)律主要在β頻率范圍內(nèi)[10～30.5 Hz，平均周期節(jié)律為(17.9±6.1) Hz]。有周期節(jié)律性電活動的神經(jīng)元平均放電頻率為：(47.1±19.7) Hz，而沒有周期節(jié)律性電活動神經(jīng)元的平均放電頻率為：(38.2±21.6) Hz，其放電頻率要顯著低于有周期節(jié)律性電活動的神經(jīng)元放電頻率(P=0.001，Mann-Whitney rank-sum 檢驗)。圖2為對圖1中神經(jīng)元的功率譜分析，每一個功率譜密度在0～100 Hz內(nèi)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理。

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評分療效評估

25例僵直遲緩型患者術(shù)后使用DBS單極刺激，在術(shù)后，至少6個月后，通過UPDRS (Ⅲ) 量表評價“關(guān)”狀態(tài)下情況。相同參數(shù)下，每一個觸點的療效都經(jīng)過評估，只有療效穩(wěn)定，刺激觸點和參數(shù)沒有改變的患者納入本研究分析，患者術(shù)后平均電壓 (3.2±0.3) V，平均脈寬(72.1±17.9) μs，平均刺激頻率(147.9±19.4) Hz。術(shù)前和術(shù)后僵持和遲緩癥狀改善均有統(tǒng)計學(xué)差異(Plt;0.05，表1)。

討 論

本研究進(jìn)一步提供數(shù)據(jù)支持帕金森病癥狀和神經(jīng)元周期性電活動存在著一定的關(guān)系[1-3]，本研究主要發(fā)現(xiàn)為：僵直遲緩為主征的帕金患者STN神經(jīng)元主要的周期節(jié)律性電活動節(jié)律在β節(jié)律(8～35 Hz)范圍內(nèi)，僵直遲緩型帕金森患者STN沒有簇狀放電活動以及4～6 Hz的周期節(jié)律性神經(jīng)元電活動。通常4～6 Hz的神經(jīng)元節(jié)律性放電被認(rèn)為和帕金森病患者的靜止性震顫有關(guān)。本研究中心通過微電極記錄和肌電同步化記錄技術(shù)記錄，以及相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，靜止性震顫癥狀和4～6 Hz的神經(jīng)元節(jié)律性放電相關(guān)[6]。而本次選取的25例典型僵直遲緩型患者，在微電極記錄和分析過程中，并未發(fā)現(xiàn)4～6 Hz的神經(jīng)元節(jié)律性放電，僅有β節(jié)律的神經(jīng)元電活動，這和本研究選定的研究對象有關(guān)。本次研究將研究對象局限為單純僵直遲緩型患者，患者不存在震顫癥狀，從而，更具針對性的研究僵直遲緩癥狀的神經(jīng)元電活動。

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有β節(jié)律周期性電活動的神經(jīng)元占全部神經(jīng)元的35.6%，這一結(jié)果顯著高于其他研究小組的結(jié)果(Moran等[9]的研究結(jié)果為19.5%；Weinberger等[10]的研究結(jié)果為13.7%)。這種差別可能是研究對象選取不同所造成的，本研究選取的是僵直遲緩型帕金森患者，患者沒有抖動癥狀，而其他研究小組研究的對象是混合型帕金森患者，患者既有僵直遲緩癥狀又有顯著的肢體抖動癥狀。本研究發(fā)現(xiàn)僵直遲緩型患者的STN不存在簇狀放電形式這和其他研究小組的研究結(jié)果存在一定差異[9-11]，以及β節(jié)律周期性電活動的神經(jīng)元占全部神經(jīng)元的百分比差異[9-11]提示：不同的放電形式可能和帕金森病的不同運動癥狀有關(guān)。僵直遲緩這一癥狀可能和β節(jié)律周期性電活動有關(guān)。

一些相關(guān)的研究也發(fā)現(xiàn)β節(jié)律的周期性電活動有顯著的抑制運動的作用。Timmermann等[12]研究顯示使用10 Hz頻率DBS刺激STN可以使患者僵直遲緩的癥狀加重，運動會出現(xiàn)明顯的減少。Chen等[13]使用20 Hz頻率通過DBS刺激STN后，發(fā)現(xiàn)患者的運動明顯變得遲緩。Cassidy等[14]研究發(fā)現(xiàn)，在運動準(zhǔn)備期和運動過程中，STN神經(jīng)元的β節(jié)律性電活動顯著減少。這一結(jié)果同樣被Levy研究小組[15]和Kuhn研究小組[16]的研究結(jié)果所驗證。一些研究[17-19]發(fā)現(xiàn)：左旋多巴引起的β節(jié)律的放電活動減少和僵直遲緩癥狀的改善有一定的關(guān)系。這些數(shù)據(jù)都提示STN神經(jīng)元β節(jié)律的電活動在帕金森病僵直遲緩癥狀的發(fā)生中扮演著重要的角色。而我們的研究從嚴(yán)格定義患者癥狀分型入手，細(xì)化研究對象，進(jìn)一步印證了這一結(jié)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，主治醫(yī)師，E-mail:13581991953@139.com

*通訊作者： 莊平，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail: zhuangp@vip.sina.com

2016-06-12；

2016-09-25)