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功能神外通讯
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微电极记录与影像技术联合应用对帕金森病脑深部电刺激最佳刺激治疗位置的研究

日期: 2017-4-7 16:16:57


文 | 郭松 庄平 李建宇 张宇清 李勇杰


郭松 医学博士,主治医师

2004年本科毕业于哈尔滨医科大学,2007年硕士毕业;2007-2008年在天津第三中心医院工作;2011年毕业于首都医科大学,获医学博士学位,至今在首都医科大学宣武医院功能神经外科工作。主要研究方向是运动障碍病的外科治疗。

帕金森病是一种进展性的基底节系统退行性病变疾病。主要的临床症状表现为:静止性震颤、肌僵直、运动迟缓,以及姿势不稳。帕金森病在病理上主要以黑质致密部的多巴胺能神经元丢失为特点,多巴胺能神经元丢失导致基底节环路功能的改变。通过DBS治疗可以有效缓解PD症状。我们在最近的一项研究中,通过微电极电生理定位技术和影像学技术联合应用,分析了STN-DBS最佳触点位置和STN边界位置的关系,以期为帕金森病的外科治疗和神经调控治疗提供依据。

STN是一个凸透镜样结构的核团,被大量有髓纤维包绕。STN的前面和外侧面毗邻内囊的纤维束,内囊纤维束在STN外侧面将苍白球和STN隔开;STN背外侧毗邻未定带和豆状束,部分未定带和豆状束将丘脑腹侧与STN隔开;STN的前内侧毗邻Forel氏区和Forel H区,以及下丘脑的后外侧,STN的腹外侧区域毗邻黑质和大脑脚。有一些纤维束沿着STN边缘走行,包括连接STN和苍白球的纤维束。通过DBS电极刺激STN背外侧区域,既可以刺激STN神经元的胞体部分,又可以刺激其投射神经纤维。DBS的治疗作用和刺激频率有很大的关系,主要的治疗频率是在100Hz以上的高频刺激。其治疗机制可能是高频刺激导致了细胞的去极化阻滞,以及突触抑制。同时,高频刺激阻断了异常的放电模式,从而改善了基底节运动环路功能。而刺激的脉宽决定了影响神经元的部位,较长的脉宽主要影响神经元的胞体部位,较短的脉宽主要影响轴突。

当前帕金森病模型假说提出,STN的过度活跃主要是因为间接通路中外苍白球对其抑制性投射减少。而一些研究发现并不完全支持模型假说,提示:在多巴胺明显减少的情况下,脑的其它区域(如大脑皮层和旁束核)可能也和STN的过度活跃相关。此外,引起帕金森症状的其它独立机制可能还包括STN放电形式的改变,异常节律性电活动的加强,以及同步化电活动;进而使黑质网状部、内苍白球、外苍白球以及脚桥核的电生理特点以及新陈代谢活动发生改变,扰乱了基底节系统正常的生理活动。通过DBS抑制异常的神经元电活动,可以明显改善帕金森病的运动症状。所以,通常情况下,我们将靶点位置选择为STN中心,这样各触点就能兼顾刺激STN背外侧部和Forels H区以及未定带等区域,通过DBS电极电刺激抑制神经元异常电活动,可以取得良好治疗效果。

我们在术中通过微电极记录技术进一步确认手术靶点。神经元的放电活动通过尖端直径从10到20μm,在1000Hz时阻抗从0.1到0.5 MΩ的钨电极记录。STN位于丘脑下方约1-3mm处,进入STN上边界时,神经元放电密度和背景噪音均迅速增加(见图示)。记录的过程中,当一出现这种背景噪音增加并且放电幅度增加的细胞放电特点时,可以确定为STN的上边界。当电极走出STN后,背景噪音变小,直到遇到黑质(SNpr)后,背景噪音再次增加。从离开STN到遇到SNPr这段距离约为0.5-3mm。在这段区域中,STN神经元的放电幅度和背景噪音是逐渐降低的,这段区域的中点被确定为STN的下边界。SNpr放电的特点和STN比较,可见其放电电压幅度低而放电频率高,而且很规则。微电极记录确定靶点后,将四个触点的脑深部电极(model 3389; Medtronic, Inc., USA)植入STN,并测试效果和副反应(测试频率185Hz,脉宽90μs)。手术电生理定位以及测试过程中,所有患者清醒并配合外科医生的指令。通过刺激测试获得满意结果后,在锁骨下植入刺激发生器。

术后复查CT,薄层扫描,将数据导入手术计划系统,和原MRI及安装定位框的CT数据融合,测量电极尖端坐标。通过测量电极尖端位置,电极针道角度,即可计算出每一个触点中心的位置。同理,针道经过的STN的边界也可以通过参照电极尖端的位置,以及术中电生理方法标记的STN边界的数值进行计算测得。帕金森病症状改善率为术前评分与术后评分的差值和术前评分的比值。在80个DBS电极中,最常用的触点为触点2(n=48)和触点1(n=32)。80个最佳触点中心的坐标如下X=11.7±1.3mm, Y=-0.4±1.4mm, Z=–1.1±1.4mm。60% (n=48)的最佳触点中心位于STN上边界的上方,40% (n=32)的最佳触点中心位于STN上半部(背侧部)。40例PD患者术后使用DBS单极刺激,疗效稳定,至少6个月没有改变刺激参数,平均电压 3.2±0.2V,平均脉宽71.6±14.5μs,平均刺激频率147.3±15.4Hz。术前和术后僵持和迟缓症状改善均有统计学差异。

我们的研究显示,治疗帕金森病运动症状的最佳DBS刺激触点位置位于STN上边界附近。在单极刺激,平均3.2V的电压下,刺激范围涵盖了STN上半部,及Forels H区和未定带。刺激的电压决定了电流的扩散,大约2mA的电流强度可以扩散约2-3mm的距离。在我们随访的40例患者(80侧DBS电极)中,平均刺激电压为3.2V,刺激范围基本涵盖了STN背外侧部分,Forels H区和未定带,通过本研究的结果,结合术中电生理定位技术,可以精确定位STN上边界,并精确埋置刺激电极,从而提高手术治疗效果。

本研究中,我们通过电生理定位技术和影像学定位技术相结合确定电极和STN的位置。在术中埋置电极的过程中,脑脊液的少量流失和颅内少量积气可能会使STN 产生少量的位移,位移主要是沿垂直于横断位的方向移动。所以,本研究除外了有脑萎缩的病例,一方面因为,脑萎缩的病例可能会存在STN 神经元的丢失,影响数据的分析;另一方面,脑萎缩会因为脑脊液的流失产生颅内积气,使STN 产生位移,影响STN 位置测量精确性。这样可以使本课题研究中的绝大多数STN 在垂直于横断位方向位移少于0.1mm,从而避免影响我们的结果。

本研究发现,埋置电极位置对于疗效至关重要,2mm 的误差就会决定手术的成败,最佳触点位置和埋置电极位置相关,良好的位置可以提高帕金森病人的DBS 治疗效果。

图示:微电极记录丘脑底核电生理信号,以及同时采集的肌电信号。
细胞外动作电位信号通过放大器(AlphaOmega Engineering, Nazareth, Israel)放大(×20,000-50,000),滤波在200 Hz-12kHz之间。信号的采样率为12kHz,储存在计算机硬盘上以便离线分析。