在计算皮层模型下，对深脑刺激和光遗传学技术在阿尔茨海默病治疗中的控制分析

《Cognitive Neurodynamics》：Control analysis of deep brain stimulation and optogenetics for Alzheimer’s disease under the computational cortex model

　　阿尔茨海默病（AD）患者脑内异常τ和β-淀粉样蛋白沉积与认知衰退密切相关，导致神经环路兴奋性和抑制性时间常数异常。本文通过EEG分析AD早期典型脑电波减慢现象（主导频率降低、α节律减弱、δ+θ节律增强），揭示神经环路参数变化与EEG减慢的关联机制，并对比传统深部脑刺激（DBS）与光遗传学刺激的疗效。研究表明高频高幅度DBS有效逆转AD脑电异常，而光遗传学可通过精准调控锥体神经元和抑制性中间神经元改善病理，其中低频刺激对消除AD病理效果更佳，但抑制性神经元刺激需更高光强。最终提出两种优化间歇光遗传刺激方案，为AD治疗提供新策略。

　　

摘要

阿尔茨海默病（AD）患者大脑中异常的τ波和β-淀粉样蛋白（Aβ）沉积与认知能力下降有显著关联。据报道，这种异常沉积与神经回路中兴奋性和抑制性时间常数的增加有关。在本文中，我们重点关注了三种临床常见的与AD相关的脑电图（EEG）异常表现：主导频率降低、α节律活动减弱以及δ+θ节律活动增强。首先，我们证明了兴奋性时间常数、抑制性时间常数和突触连接强度的变化可以导致早期AD患者的EEG活动减慢。随后，我们研究了传统深部脑刺激（DBS）和新兴的光遗传学刺激对AD的调控作用。高频、高脉冲宽度和高幅度的DBS在改善AD患者的脑电节律方面更为有效，这支持了皮层高频DBS可能是治疗痴呆相关疾病的有效方法的观点。作为一种对传统DBS的改进方法，我们发现振荡性脉冲刺激可以弥补低幅度DBS的不足。然而，用传统的电刺激方法很难精确地靶向抑制性中间神经元。而光遗传学技术能够精确地刺激动物实验中观察到的锥体神经元和抑制性中间神经元。我们的数值结果表明，中频和低频刺激更有效地消除AD的病理变化。需要注意的是，刺激抑制性中间神经元所需的光强度比刺激锥体神经元更高。最后，我们提出了两种优化的间歇性光遗传学刺激方案。这些建模结果能够再现一些实验现象，并有望揭示与认知功能障碍（如AD）相关的病理机制和控制策略。