2022年5月16日

电路模型可以解释脑深部电刺激治疗帕金森病的症状

帕金森症患者和他们的医生面对许多未知,包括答案如何脑深部电刺激(DBS)运动症状减轻一些病人的经验。在一项新的研究中,波士顿大学的科学家们和Picower麻省理工学院学习与记忆研究所提出一个详细的模型解释底层电路动态,提供一个解释,如果实验证实,可能会进一步改善治疗。

事情中了解帕金森病是神经调质多巴胺与异常高的赤字beta-frequency节奏(脑电波的频率大约20 Hz)。DBS,包括高频电刺激的区域称为丘脑核(STN),明显抑制这些高β节律,恢复健康平衡与其他频率和节奏更好的运动控制。

新biophysically-based计算模型中所描述美国国家科学院院刊》上认为DBS起源于它如何中断的有益作用恶性循环促进之间的电路循环失控的βSTN和一个叫纹状体的区域。研究的共同作者米歇尔·麦卡锡,2011年研究助理教授数学和统计部,用数学模型来展示,在缺乏多巴胺、β可能出现失控的纹状体之间的过度兴奋striatum-dwelling细胞培养基棘神经元(msn)。

模型由Picower研究所博士后Elie亚当,建立在麦卡锡的发现。加入亚当和麦卡锡是合作者金刚砂n .布朗,爱德华罩塔普林麻省理工学院和医学工程和计算神经科学教授南希·Kopell威廉·费尔菲尔德沃伦波士顿大学的特聘教授数学和统计数据。四方的工作指出,在健康的情况下,有足够的多巴胺,纹状体的细胞称为fast-spiking中间神经元(FSIs)可以产生gamma-frequency节奏(30 - 100 Hz)调节msn的测试活动。但没有多巴胺,FSIs无法限制MSN活动和β控制整个电路的回路连接FSIs STN, MSN,其他地区然后回到STN。

“FSI保持MSNβγ是重要的,”亚当说。“当多巴胺水平下降,msn可以产生更多的β和FSIs失去能力产生伽马淬火,β,β是野生的。FSIs然后测试活动的狂轰滥炸,成为测试自己的渠道,导致其放大。”

应用于STN DBS高频刺激时,模型显示,取代了压倒性的βFSIs收到的输入和恢复他们的兴奋性。重新释放的β枷锁,中间神经元恢复产生伽马振荡(DBS刺激频率的一半,通常在135 Hz),然后抑制βmsn的活动。与msn不再生产太多的测试版,循环回STN然后FSIs的不再是由频率。

“DBS阻止β传播FSIs不再是放大,然后,由另外兴奋FSIs,恢复FSIs产生强烈的伽马振荡的能力,这将反过来抑制β源,”亚当说。

模型揭示了另一个重要的问题。在正常情况下,不同级别的多巴胺产生的γFSIs起到重要影响。但FSIs也收到来自大脑皮层。在帕金森病多巴胺和β缺席成为主导,FSI失去监管的灵活性,但在星展银行,与β优势中断,FSIs可以成为调制输入从大脑皮层与多巴胺仍然缺席。让他们提供一种节流γmsn,使和谐的表达β,γ和θ节律。

通过提供一个深基于生理的解释DBS是如何工作的,这项研究还可能提供临床医师线索如何使它适合病人,作者说。关键是找到最优伽马FSIs的节奏,从病人的病人可能略有不同。如果可以确定,然后调优DBS刺激频率,促进γ输出应该确保最好的结果。