用于治療難治性神經精神的神經技術的發展，取決于對大規模腦網絡中神經回路動態的理解和操控測繪器 。中腦邊緣通路在獎賞處理和情緒調節中起著至關重要的作用，該通路的紊亂是許多神經精神的基礎。在此，我們介紹一種定制的半慢性微驅動器陣列的設計，該陣列能夠精準靶向非人類靈長類動物（NHP）中腦邊緣系統和基底神經節系統的解剖結構。我們還介紹一種綜合實驗范式，利用該裝置對大規模神經回路進行映射和操控。該系統結合了電生理學、時空多位點模式化皮質內微刺激（ICMS）以及擴散束成像技術。我們認為，該系統為探索和識別神經特征提供了一個靈活的平臺，這些神經特征可作為神經精神臨床治療中閉環刺激的新靶點。
一、介紹
電刺激作為一種替代藥物治療神經精神（如難治性抑郁癥、焦慮癥和創傷后應激障礙）的手段正日益普及測繪器 。然而，現有技術無法提供精準、有效且個性化的治療方案。
神經精神常影響神經網絡中的大規模腦回路測繪器 。為了通過識別合適刺激靶點來建立穩定可靠的治療方法，需要開發新的神經技術。這些技術有助于深入理解大規模回路如何通信，并修正由神經系統引發的回路功能障礙。
本文提出了一種用于非人靈長類動物中腦邊緣系統和基底神經節系統大規模回路定位的半慢性微驅動陣列測繪器 。研究人員通過整合開環多部位模式化皮層內微刺激（ICMS）與彌散纖維束成像技術，建立了一種獲取詳細大規模功能連接圖譜的方法，并以側眶額葉皮層（lOFC）與尾狀核之間的功能連接映射與調控為例，展示了這種集成方法。
二、大規模微驅動系統設計
研究人員開發了定制化的大規模半慢性微驅動系統，用于同步實施皮層內記錄與微刺激，服務于大規模回路定位測繪器 。該系統根據獼猴個體的大腦結構、顱骨及腦血管特征（通過解剖磁共振成像及ABLAVAR?造影劑獲得的血管造影圖像）進行個性化設計，并與MNI Paxinos腦區標記體系進行配準。微驅動系統覆蓋中腦邊緣系統和基底神經節系統相關結構，包括OFC、腹內側前額葉皮層（vmPFC）、前扣帶回皮層（ACC）、丘腦、背側/腹側紋狀體、蒼白球，以及可能包括杏仁核與海馬（圖1）。
圖1.左圖：在基于磁共振成像（MRI）的三維重建大腦上對感興趣的皮質和皮質下區域進行解剖定位測繪器 。黑點間距為1.5毫米的微驅動器疊加電極網格。顏填充區域三個記錄組，其使用約0.1兆歐的鉑銥電極，目標是所有感興趣的大腦區域。右圖：微驅動器組件的三維示意圖，其中腔室由聚醚酰亞胺（Ultem）塑料制成，以保持與MRI的兼容性 。
該微驅動系統的螺桿傳動機構可沿單軸雙向獨立控制220根微電極（間距1.5毫米）的位置調節，調節范圍達32毫米，精度為125微米測繪器 。每個執行器由導螺桿、導電環氧樹脂固定于電極尾端的淚滴形黃銅滑座及壓縮彈簧構成，單電極定位精度約15微米。系統中配置兩類微電極：用于ICMS和皮層內記錄的鉑/銥電極（Microprobes，阻抗0.1-0.5 MΩ），以及用于皮層內記錄的玻璃絕緣鎢電極（阻抗0.8-1.2 MΩ，測試頻率1 kHz）。如圖1所示，鉑/銥電極可覆蓋中腦邊緣系統和基底神經節系統所有目標解剖區域。
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三、彌散加權成像在精準定位與連接研究中的應用
研究人員通過多殼層高角分辨率擴散成像（HARDI）纖維束追蹤技術實現與微驅動系統植入的配準測繪器 。該技術在建立中腦邊緣系統各節點刺激的個性化方案中具有關鍵作用，能夠確定個性化刺激靶點清單并分析靶點差異對刺激效果的影響。當發現有效刺激位點時，可解析其遠程解剖連接網絡以實施更復雜的因果性環路調控。
實驗中采用三維梯度方向數據（64個方向，空間分辨率1.2 mm2）采集白質纖維束信息，使用3-Tesla Allegra掃描系統配合四通道相控陣中的三個單元完成數據采集（TR=7000 ms，TE=110 ms，b值：0/750/1500/2250 s/mm2，層厚1.2 mm）測繪器 。為消除磁場不均勻性導致的幾何畸變，采用反向相位編碼技術獲取成對反向畸變圖像，并通過FSL的TOPUP工具估計場畸變參數生成校正圖像，隨后使用eddy工具校正梯度方向引起的渦流效應。
圖2展示了多殼層HARDI數據與高分辨率解剖掃描的精準配準結果，以及經過驗證的電極定位信息測繪器 。微電極以62.5-125 μm步進直至抵達目標解剖結構，隨后進行62.5 μm的精細調整以實現白質纖維束接觸。
圖2. （A）植入靶向腔室（藍）的動物的大腦表面重建圖測繪器 。（B）局部纖維方向的擴散加權推斷。疊加圖：從擴散加權成像矢量場推斷出的主要軸突束方向。每個主要擴散方向矢量根據方向分別用紅、綠或藍編碼：左右方向為紅，前后方向為綠，背腹方向為藍。底圖：各向異性圖顯示了高（白）和低（灰）擴散率的區域。高擴散率表明存在主要的、高度排列的白質束。（C）白質和灰質結構的解剖學分區。藍點表示在橫向切片深度2毫米范圍內的電極。綠點顯示用于雙極皮層內微刺激（ICMS）的一對電極。黑點疊加的微驅動電極網格 。
四、實驗動物準備與系統配置
01.動物準備
所有均符合國立衛生研究院實驗動物使用規范，并獲得紐約大學實驗動物倫理會批準測繪器 。實驗選用雄性獼猴（體重8.4 kg），采用影像引導立體定位技術實施左側額葉靶區開顱及硬腦膜減薄術，并安裝定制化大型記錄艙。該記錄艙通過牙科粘固劑與顱骨表面精準固定（配準誤差1 mm，標稱精度0.4 mm），隨后將半慢性微電極驅動系統植入并密封。
02.皮層內記錄與微刺激
實驗在黑暗的電磁屏蔽環境中進行，動物頭部固定于靈長類專用座椅測繪器 。雙相電荷平衡方波脈沖（Cerestim R96）通過鉑/銥電極對施加，同時采用后頂葉硬腦膜接地螺釘作為參考電極。神經信號經多通道同步放大與數字化處理（16位精度，30 kHz采樣率），并通過實時存儲系統持續記錄。為抑制共模誘發響應，采用局部3 mm內鄰近通道作為參考進行刺激觸發平均分析。
五、基于模式化開環皮層內微刺激的大規模回路定位
01.泊松簇刺激的回路定位
本研究通過多靶點記錄結合ICMS技術，系統性評估神經回路中不同節點的抑制/興奮響應特性測繪器 。研究人員采用彌散纖維束成像技術解析眶額葉皮層（OFC）1 mm直徑區域與鄰近皮層/皮層下區域的解剖連接，并基于電生理與影像數據實現微電極的迭代精確定位。實驗通過泊松單脈沖簇刺激（圖3A）實現側眶額葉皮層（lOFC）與尾狀核體的功能連接解析，并展示高頻強直刺激對其他腦區功能連接的可調控性。
圖3. （A）泊松爆發刺激序列由時長1秒的脈沖爆發和1 - 3秒的基線期組成測繪器 。（B）尾狀核體部一個電極（圖D中的藍點）相對于其相鄰電極（圖D中的紅點）的平均誘發電位（平均值±平均標準誤*，n = 497次單脈沖刺激），該誘發電位由眶額葉皮質（lOFC）中一對電極（圖D中的黃點和綠點）進行雙極爆發刺激所引發。（C）尾狀核體部記錄電極和參考電極（分別為圖D中的藍點和紅點）的平均誘發電位。（D）記錄電極（藍點）位于橫向切片深度2毫米范圍內層面的解剖學磁共振成像（MRI）。黑點為疊加的電極網格。*平均標準誤（sem）均值的標準誤差
泊松簇刺激采用雙相電荷平衡方波脈沖序列，參數設置為：脈沖幅度50 μA、單相脈寬100 μs、相位間隔53 μs、基礎頻率5 Hz（不應期200 ms）測繪器 。雙極刺激模式通過極性相反的電極對實現（圖3D中黃點為陰極，綠點為陽極）。
圖3B展示了lOFC靶點刺激引發的尾狀核體雙極平均誘發響應（通過藍/紅電極響應差分重建）測繪器 。圖3C的響應特征提示lOFC與尾狀核間存在功能性連接通路。該結果與彌散纖維束成像顯示的解剖連接路徑相吻合（圖3E）。
02.時空多維模式化預刺激-強直-探測刺激的回路定位
為深入解析lOFC-尾狀核功能連接特性，研究人員開發了包含200 Hz強直刺激的多維模式化ICMS方案（圖4A）測繪器 。該方案包含三個階段：1）預刺激（電極對A）探測網絡興奮節點；2）強直刺激（電極對B）調控目標區域；3）探測刺激（復用電極對A）評估節點興奮性變化。
圖4. （A） 多部位圖案化雙極強直前探測刺激框架通過兩對電極實現，其中在通過節點對2（圖E中的青點）進行強直刺激之前和之后，通過節點對1（圖E中的黃和綠點）進行單脈沖刺激測繪器 。（B） 以尾狀核體部的一個電極（圖E中的藍點）相對于其相鄰電極（圖E中的橙點）記錄的強直前刺激和探測刺激的平均誘發電位（n = 59次單脈沖刺激），其中強直前刺激間隔時間τpre = 500毫秒，探測刺激間隔時間τprobe = 20毫秒。（C） 和（D） 分別為來自記錄電極和參考電極（圖E中的藍和紅點）的強直前刺激和探測刺激的平均誘發電位（n = 59）。（E） 記錄電極（藍點）位于橫向切片深度2毫米范圍內層面的解剖學磁共振成像（MRI），圖上疊加有電極網格（黑點）以及通過擴散束成像估計的、連脈沖刺激位點（黃和綠點）與記錄位點（藍和紅點）的一條可能的神經束（紅） 。
預/探測單脈沖采用雙相電荷平衡方波（幅度30 μA，脈寬100 μs，相位間隔53 μs），強直刺激包含50個雙相方波序列（幅度20 μA，脈寬100 μs，相位間隔53 μs）測繪器 。雙極刺激模式通過反向極性電極對實現（圖4E中黃/綠電極）。
圖4顯示lOFC節點刺激（黃/綠電極）在尾狀核體引發雙極誘發響應（藍/橙電極），隨后在響應區附近施加強直刺激（青電極）測繪器 。結果顯示尾狀核體在強直刺激后出現單極（圖4D）與雙極（圖4B）誘發響應的同步抑制效應，證實lOFC-尾狀核功能連接具有高頻刺激誘導的可塑性特征。圖4E的彌散纖維束成像進一步驗證了該通路的解剖連接基礎。
六、討論
神經精神通常表現為跨多腦區協同功能障礙，這些區域通過直接或間接連接形成大規模腦網絡測繪器 。在環路水平深入解析此類的病理機制，將為開發治療方案提供理論基礎。本研究建立的非人靈長類整合性實驗平臺（電生理記錄-皮層內微刺激-彌散纖維束成像），實現了中腦邊緣系統與基底神經節皮層/皮層下結構的精準環路定位與功能調控。
實驗數據顯示，側眶額葉皮層（lOFC）單脈沖簇微刺激可在尾狀核體誘發興奮性響應，證實lOFC-尾狀核通路具有神經驅動功能測繪器 。進一步通過中時程高頻強直刺激（250 ms）可誘導通路興奮響應抑制效應，提示該環路具備活動依賴性可塑性調控特征。后續研究將重點探索臨床相關長時程強直刺激方案，并解析強直刺激終止至探測脈沖起始的時間間隔（τprobe）對神經響應抑制效果的影響，以建立標準化環路抑制干預策略。
本研究所提出的時空多維模式化皮層內微刺激框架（預刺激-強直-探測）具有高度可擴展性，可同步實現多靶點預/探測單脈沖刺激，用于分析跨腦區（如OFC、ACC、vmPFC、背/腹側紋狀體及蒼白球）節點間神經信號相干性特征，全面評估大規模神經網絡各節點的活動狀態測繪器 。
未來研究將結合行為學范式，進一步整合多維模式化皮層內微刺激技術測繪器 。通過同步記錄刺激過程中行為學參數與神經編碼特征，可深入解析中腦邊緣系統與基底神經節決策環路中關鍵節點的動力學調控機制。基于生理-功能映射構建的計算模型，將有效預測特定腦區刺激對神經功能調控的最優干預策略。
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