脊髓電刺激對大鼠癲癇腦電高頻振顫活動的影響

矯健航，王 洋，楊利麗，任鵬飛，吳敏飛

（吉林大學第二醫院脊柱外科，長春 130041）

癲癇是中樞神經系統常見病，我國癲癇患者超過1 千萬，現有抗癲癇藥物治療對1/3 患者無效，家庭和社會負擔沉重[1]。隨著醫療技術的發展，功能電刺激在臨床藥物難治性癲癇的治療中收到了一定的效果[2-3]。現用于癲癇治療的主要刺激形式是迷走神經電刺激（vagus nerve stimulation, ⅤNS）和深部腦刺激（deep brain stimulation, DBS），經其治療后約半數患者癲癇發作次數減半[2]。這種新治療方法通過向特定靶器官發射脈沖對體內異常神經電活動進行調節，選擇不同的刺激部位會啟動不同調節機制。研究[4-5]發現臨床常用于治療頑固性神經痛的脊髓電刺激（spinal cord stimulation，SCS）同樣具有潛在的抗癲癇作用。癲癇發作是一種腦神經元病理性超同步放電現象，進一步探索SCS 對癲癇腦電異常超同步放電活動的影響將有助于加深其相關機制的理解，從而加速其臨床應用進程[6-7]。

高頻震蕩（high frequency oscillation, HFO）是頻率范圍在 100 ～600 Hz 的腦電活動，其出現反映了神經短暫性同步放電過程[8]。依據頻率范圍，HFO 可繼續劃分為漣波（ripple, 80 ～200 Hz）和快速漣波（fast ripple, 250 ～600 Hz）兩種成分。正如delta 波（1 ～4 Hz）與慢波睡眠有關，而α 波（8 ～15 Hz）與放松和思考活動有關。研究[9]發現 Ripple是生理性的腦電活動，反應了疊加的突觸后放電現象，與記憶、學習和深睡眠密切相關。fast ripple（FR）的出現反應了爆發式的錐體細胞病理性超同步化現象，與癲癇的發生和發展聯系在一起，是一種癲癇狀態下專有的皮層電勢活動[10]。隨著對 FR 探索的不斷深入，研究發現 FR 不但有助于理解癲癇發生機制，同時有直接的臨床應用價值。相比傳統的腦電圖發作間期棘波分析，FR 用于定位發作病灶具備更高的敏感性和專一性[8]。癲癇病灶切除術術后隨訪中也發現，切除應用FR 定位的癲癇病灶較傳統棘波分析定位的癲癇病灶療效更好[9-10]。動物研究[11]表明 FR 的量與癲癇發作的頻率和強度呈正相關。從癲癇患者的腦電分析中也發現， FR 的量隨抗癲癇藥物用量的增加而線性減少[12]，癲癇發作頻率高的患者其 FR 的發生率也隨之升高[13]。FR 因此被認為是理想的癲癇腦電生物標記物[8]。

盡管對電神經調節治療癲癇的機制仍不清晰，電刺激很可能對過度同步化的腦電活動產生去同步化效應[7]。考慮到 FR 也反映了局部場電勢的超同步化現象并直接相關于癲癇發作的強度[14]，神經電刺激治療癲癇的原理可能直接與其對 FR 活動的抑制作用有關。在一篇有關DBS 的報道中，JACOBS[15]指出50 Hz 皮層硬腦膜外電刺激導致 FR 活動廣泛減少。上述研究證實了神經電調節治療會影響 FR 活動，然而是否這樣的影響具有刺激參數依賴性仍然未知。前期研究中，基于戊四唑（pentylenetetrazol，PTZ）誘導的棘—慢波放電動物模型，我們發現ⅤNS 和 SCS會引起發作期腦電FR 活動改變，且改變與刺激參數相關[7]。在給予高頻率（如130 Hz）ⅤNS 和SCS 時FR 出現率顯著降低[7]。正如前述，FR 反映了病理性的超同步化現象，FR 發生率降低提示同步放電抑制[10]。前期工作證實了SCS 對棘—慢波發作的FR抑制現象，本研究將進一步探索SCS 對大鼠強直—陣攣（tonic-clonic, TC）發作狀態的影響，加深對SCS抑制癲癇病理性同步放電現象相關機制的理解。

1 材料與方法

本研究將16 只SD 大鼠（250 ～350 g）隨機分為SCS 組和對照組，各8 例。實驗在全程麻醉（氯胺酮45 mg 配伍賽拉嗪5 mg·kg-1）下進行。大鼠取俯臥位，頸后備皮，以第5 頸椎為中心行長約2 cm 正中切口，切開皮膚及皮下組織后顯露相應水平棘突和椎板，分離頸4/5 和頸5/6 之間的黃韌帶，將由透明薄塑料片（厚度＝0.5 mm）制成的SCS 電極經黃韌帶間隙放置于頸5 水平硬膜外腔，見圖1。連接電刺激裝置后將大鼠固定于立體定位儀，如圖1 所示，顱骨鉆孔后將用于接收皮層腦電圖（electrocorticogram，ECoG）的信號采集電極置于顱骨缺損處的皮層表面[16]。ECoG 電極植入完畢后連接信號接收裝置，開始進行ECoG 信號采集。

圖1 電極放置及信號采集

每只實驗大鼠共連續記錄25 min ECoG 信號，見圖2。在對照組，最初記錄10 min 基線腦電，接著經輸液泵注入PTZ，滴速設定為5 mg·kg-1·min-1，滴注總時間為10 min，總注射量為50 mg·kg-1，見圖2。連續10 min 的PTZ 輸注完成后再記錄5 min ECoG 活動，實驗全程不給予電刺激。在SCS 組，最初記錄5 min 基線腦電，接著開始給予130 Hz SCS，自SCS開始后5 m i n 啟動P T Z 輸液泵，滴速設定為5 mg·kg-1·min-1，滴注總時間為10 min，總注射量為50 mg·kg-1，SCS 持續至PTZ 輸注結束后5 min，見圖2，刺激電流強度為區域性肌肉反應閾值，全程采用雙向電荷平衡（100 μs/500 μs）脈沖。

離線分析階段，本研究通過對比對照組和SCS組中TC 發作期FR 出現的次數差異對結果進行闡述。從出現連續ECoG（1 ～4 000 Hz）棘波開始至終止視為1 次TC 發作，總FR 次數為1 只大鼠全部TC 發作期出現FR 個數的總和，見圖2。應用MATLAB 中的Findpeaks 功能對ECoG（250 ～600 Hz）中的FR 成分進行提取。一次FR 事件需滿足如下3 個條件：1）每一個高頻振顫波的波峰值＞3 倍基線水平的均值標準差；2）波峰間期需在2 ～4 ms 之間；3）滿足前2 點且為連續出現至少4 次的連續高頻振顫波活動[11]。實驗采用SPSS 23.0 進行統計學分析，采用兩獨立樣本t 檢驗，P ＜0.05 為差異有統計學意義。

圖2 皮層腦電圖（ECoG）

2 結果

基線記錄可見1 Hz delta 波，其發生與麻醉藥物作用相關，見圖2。在寬頻ECoG（1 ～4 000 Hz）信號中，隨著PTZ 劑量的增加（從0 ～50 mg·kg-1），可見頻率和振幅逐漸增強的棘—慢波放電活動，及以連續性棘波放電為特征的TC 發作活動，見圖2。在250 ～600 Hz 頻段的ECoG 信號中，可見與棘波活動對應的FR 活動，對TC 發作期的總FR 次數量化評估顯示，SCS 對TC 發作期的FR 活動抑制明顯。與對照組相比，SCS 使TC 發作期平均總FR 次數的均值減少40%[對照組（2 729.6±366.1）次，SCS組（1 635.1±262.7）次，P ＜0.001]，見圖3。

圖3 脊髓電刺激對總FR 次數的影響

3 討論

本研究探索了SCS 對大鼠TC 發作狀態下FR活動的影響，發現FR 活動和PTZ 誘導的棘波放電保持同步，相比對照組，SCS 可顯著降低FR 的發生次數。

此前研究已經表明FR 是一種病理現象，與癲癇發生與發展過程關系緊密，可視為一種癲癇專有腦電生物標記物[10]。進一步研究發現FR 有直接的臨床應用價值，可用于術前定位癲癇發作病灶[9-10]。本研究發現，FR 活動與代表病理性神經元同步放電的棘波保持高度一致性。

我們前期實驗發現FR 發生頻率與PTZ 的注射劑量呈現正相關，而PTZ 的劑量與誘發的癲癇發作強度呈正相關，可以認為FR 的量與癲癇發作強度保持一致[7]。相似的藥物抗癲癇動物[11]和研究[12]也發現了這種相關性，FR 的量隨抗癲癇藥物用量的增加而線性減少。基于這些事實，我們可以得出兩點結論，一方面戊四唑誘導的癲癇發作狀態可誘發出大量代表癲癇發作的FR 振顫波活動驗證了該模型的有效性，另一方面本研究中130 Hz SCS 顯著降低FR 發生的總次數提示了高頻SCS 有抗癲癇作用，且該作用與電刺激介導的去同步化機制相關。在前期研究[6-7]中，通過測試從30 Hz 到180 Hz 間不同頻率SCS 對大鼠棘—慢波發作的影響，結果發現130 Hz SCS 的抗癲癇作用最為顯著，因此將130 Hz SCS 繼續用于TC 發作模型研究中。

盡管多項研究[7,11]證實FR 活動與癲癇發作的相關性，但FR 活動僅可間接反應發作期皮層異常同步放電現象。在未來的研究中，應進一步尋找SCS 誘導皮層去同步化的細胞水平相關機制。另外，本實驗用到的急性發作模型無法對電刺激的累積現象進行評估，而這種累積作用客觀存在[4]，因此，本研究相關結果在臨床應用前需進一步在其他慢性癲癇模型中測試。