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基于有限元-神经元模型的大鼠硬膜外脊髓电刺激仿真研究
临床研究证实,硬膜外脊髓电刺激(ESCS)能促进脊髓损伤后的运动功能恢复,但基本神经机制则需通过动物实验进行研究.在建立大鼠ESCS有限元-神经元组合模型的基础上,仿真L2节段单阴极刺激条件下脊髓组织内的电势分布,确定L1到S1节段背根、腹根纤维和不同深度背柱纤维激活阈值的变化规律,分析纤维位置和刺激脉宽对神经纤维激活阈值的影响.仿真结果发现,距电极近的背根纤维激活阈值低为0.41 V,浅层背柱纤维的激活阈值略高为0.47 V,近腹根纤维的激活阈值高为0.78 V,减小电极-纤维距离有利于脊髓纤维的选择性激活;不同深度背柱纤维的激活阈值随刺激脉宽增加而减小,但脉宽过大导致背柱纤维激活阈值的降幅变小,过长的脉宽使得激活阈值的降幅趋缓,合理选择刺激脉宽有利于激活深层背柱纤维,增加脊髓组织的激活区域,提高ESCS对于深层背柱纤维的募集能力.该仿真结果可为动物实验研究中合理选择刺激参数、提高刺激选择性能提供理论指导.
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脊髓硬膜外电刺激系统的设计与实验研究
目的:设计并研制适用于动物实验的脊髓硬膜外电刺激(ESCS)系统进行测定,为其进一步脊髓损伤(SCI)动物实验研究中的应用提供设备基础及参考参数.方法:健康SD大鼠6只,将设计并研制的ESCE电极置于其椎管内的不同节段,用针极肌电刺激脊髓后肢的肌电活动,以确定佳刺激部位和参数值;ESCS电极植入1周后开始每天1次ESCS,10 min.并观察大鼠的体重和行为学改变,共56 d.结果:ESCS的有效部位为脊髓L2节段,刺激强度(100±10)mV,波宽200 μs,频率20 Hz.大鼠在植入电极14 d后神经行为学(BBB评分)与术前比较差异无显著性意义;在术后14～21 d动物体重恢复至术前水平;实验过程中大鼠无不良反应.结论:研制的ESCE系统能满足临床进一步研究的需要,通过植入实验对其参数进行测定,其良好的人机接口提供方便可靠的操作方式,为ESCE机制的深入研究提供良好的实验仪器.
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硬膜外脊髓电刺激电压及频率变化对正常大鼠脊髓反射的影响
目的 研究正常大鼠麻醉状态下S_1脊髓节段不同电压及频率硬膜外脊髓电刺激(ESCES)所诱发的脊髓反射,探讨ESCES诱发脊髓反射的发生机制及来源.方法 选取成年雌性Sprague-Dawley大鼠10只,麻醉后手术将电极植入S<,1>脊髓节段,予以波宽200μs、电压强度分别为400,600,1200 mV的单脉冲ESCES;1200 mV时,频率分别为50,60,80,100 Hz的ESCES.以同心圆针电极记录大鼠后肢半腱肌肌腹的肌电信号,观察所诱导脊髓反射的特点.结果 能引起大鼠半腱肌反应的阈值为300 mV.3种电压强度的ESCES能诱导出2种潜伏期成分的脊髓反射,较低的400,600 mV电压强度可诱发出长潜伏期成分,潜伏期分别为(5.27±0.36)ms和(5.19±0.67)ms;较高的1200 mV电压强度可诱发出短潜伏期成分,潜伏期为(2.57±0.23)ms.4种较高频刺激均可诱发出脊髓反射,但刺激后期都出现了脊髓反射脱落后不规律出现,部分大鼠出现了较高频刺激后期脊髓反射完全消失.50 Hz频率的ESCES所诱发脊髓反射的潜伏期和波宽分别为(4.46±1.07)ms和(7.33±1.00)ms,与另外3种频率所诱发脊髓反射相比差异有统计学意义(P<0.05).结论 不同电压的ESCES可诱导出不同来源的脊髓反射.长潜伏期成分可能是兴奋脊髓背根传入神经后引起的单突触反射;短潜伏期成分可能是直接兴奋脊髓内的运动神经元或运动纤维后向下传导引起的肌肉兴奋电反应.4种较高频ESCES所诱发的不规律出现的脊髓反射,可能是一种单突触反射.较高频刺激时脊髓反射的小规律出现可能与较高频刺激的抑制作用有关.
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硬膜外脊髓电刺激结合减重跑台训练对脊髓损伤大鼠运动功能的影响
目的 探讨硬膜外脊髓电刺激(ESCS)结合减重跑台训练对脊髓损伤大鼠运动功能的影响.方法 共选取成年雌性SD大鼠24只,采用改良Allen打击法将其制作成T8-9脊髓损伤模型,将造模成功大鼠随机分为脊髓损伤组(简称模型组,术后未给予特殊处理),硬膜外电刺激组(简称电刺激组,术后给予硬膜外电刺激)、减重跑台治疗组(简称减重运动组,术后给予减重运动训练)和减重跑台训练结合硬膜外电刺激组(简称治疗组,术后给予减重运动训练及硬膜外电刺激).于术前及术后采用神经行为学评分(BBB评分)对各组实验大鼠运动功能恢复情况进行评定,并于术后8周时取各组大鼠脊髓损伤节段进行神经丝蛋白(NF200)免疫组化染色分析.结果 减重运动组和治疗组大鼠神经行为学评分(BBB评分)和NF200染色光密度值均显著高于模型组及电刺激组水平(P＜0.05);治疗组大鼠BBB评分显著高于减重运动组(P＜0.05),但治疗组和减重运动组NF200免疫组化染色结果间差异无统计学意义(P＞0.05).结论 ESCS及减重运动训练均对不完全性脊髓损伤大鼠步行功能恢复具有促进作用,且两者联用具有协同功效,其治疗机制可能与刺激脊髓损伤下位中枢模式发生器神经元有关.
