一种闭环式神经电刺激系统的设计

　　1 引 言

　　在各种神经系统疾病的治疗中，大脑深部组织电刺激正在逐渐成为药物无法控制的许多疾病的首选治疗方案之一，其应用前景越来越广阔。例如: 临床上已经利用植入大脑的电极控制帕金森氏症引起的震颤等运动障碍[1]; 难治性癫痫病的电刺激治疗也正在开展临床试验[2-3]; 电刺激在治疗抑郁症、舞蹈病、老年痴呆症等大脑疾病的研究也进展迅速[4]。另外，脑组织电刺激也广泛用于神经通路、神经系统药理、突触可塑性和大脑学习记忆机制等方面的科学研究[5-7]。

　　闭环控制是这类电刺激应用的一个亟待发展的方向，它可以根据大脑的电活动状态，在特定时间施加电刺激。例如，在控制癫痫发作时，如果通过监测患者大脑的神经电信号变化来预测即将发作的癫痫，就能够提高电刺激的抑制效果[8]。实际上，脑组织神经细胞的电活动包含各种不同的脑电节律，形成场电位，幅值可达 mV 级水平[9]。场电位不仅可以用于预测癫痫发生的预兆; 而且，在场电位节律的不同相位上施加电刺激，会产生不同的效果。例如，在大脑海马组织常见的 θ 节律( 2 ～7 Hz)场电位下，当电刺激分别施加在波峰和波谷时可以诱发出 2 种截然不同的突触传导的改变，分别称为长时程增强和长时程抑制，从而产生兴奋和抑制 2 种不同的效果[5，10-11]。因此，闭环式电刺激技术对于深入研究神经　　系统工作机制以及发展临床治疗新方法都具有重要意义[3]。

　　但是，目前各种电刺激器产品一般都无法根据脑电信号的变化状态来闭环式发生刺激信号。而且，脑电变化很快，不可能通过人工判断来实时地精确控制刺激信号的产生时间。例如，上述 θ 节律的波峰与波谷之间的间距小于 0.5 s。并且实际脑电记录的每个 θ 波的形状和周期都在不断变化，给特定相位的准确预测造成困难。本文利用美国国家仪器( National Instruments，NI) 公司的数据采集卡和 LabVIEW 开发环境，设计并实现了大鼠大脑海马区 θ 节律波峰和波谷的自动预测功能，可以根据用户的需求，在预期到来的波形相位上输出具备特定参数的刺激信号，提供了一种有效的闭环式电刺激方法。

　　2 方法设计

　　2. 1 刺激器系统的基本结构

　　如图 1 所示，整个刺激器系统的硬件组成包括: PC、NI 公司的 M 系列外置高性能 USB-6251 型数据采集卡、美国 A-M System 公司的 2100 型脉冲刺激器( 或者 2200型模拟刺激器、2300 型刺激隔离器) 和 1700 型四通道差分放大器( Everett，WA，USA) 。

　　系统在自行设计的 LabVIEW 程序控制下运行，如图中实线连接所示，记录电极检测的大鼠海马场电位信号经过放大器之后，经 USB-6251 型采集卡的 A/D 口采样，并经过实时分析，自动预测场电位节律的相位; 然后，根据用户的设置，在即将到来的特征时刻( 如波峰或波谷) ，经 USB-6251 的 I/O 口给出刺激脉冲触发信号，触发2100 刺激器产生恒压或恒流刺激脉冲; 该刺激信号经过刺激电极施加于神经组织的特定部位，如海马区的神经输入通路上，从而诱发神经元集群产生突触电位和动作电位。如果经 USB-6251 的 D/A 口输出模拟信号波形，并用于控制 2200 型模拟刺激器，则可以产生任意波形的刺激信号。