一、简介
深部脑刺激（DBS）是治疗多种神经系统疾病的一种公认疗法。特别是，丘脑底核（STN）或苍白球内侧部（GPi）的深部脑刺激可缓解帕金森病（PD）的运动症状，包括运动迟缓、僵硬和震颤。这些运动症状与基底神经节中的病理性神经活动相关，这种活动会传播到丘脑皮质运动环路中。有效的深部脑刺激可调节基底神经节的神经活动，进而调节运动丘脑的神经活动，但这种调节的治疗机制尚不清楚。
在过去的二十年里，帕金森病中被认可的病理性神经活动模型已从仅仅基于兴奋和抑制驱动的放电率变化的模型，转变为基于放电模式变化的模型。在整个基底神经节 - 丘脑环路中，帕金森病患者大脑中的神经元更易出现爆发式放电和振荡。支持这种放电模式模型的变化，治疗性深部脑刺激可减少这些爆发式放电和振荡。和其他人一样，我们认为这种与帕金森病相关的病理性活动构成了严重的神经系统紊乱，并且深部脑刺激通过在计算方面、啮齿动物研究、非人灵长类动物研究以及人类研究中使神经活动正常化来缓解帕金森病症状。
神经元紊乱很容易被量化为放电模式熵，它限制并影响着神经元之间传递的信息。这种定向信息衡量一个细胞对另一个细胞的影响。如果紊乱的放电模式导致了帕金森病症状，我们假设它们是通过将病理性信息从基底神经节传递到丘脑皮质运动环路的下游结构来实现的。为了通过实验验证这一假设，我们使用了一种帕金森病啮齿动物模型，在健康和偏侧帕金森病（hPD）条件下，以及在存在具有行为治疗效果的丘脑底核深部脑刺激（STN-DBS）的情况下，研究从黑质网状部（SNr）的基底神经节传出纤维到丘脑腹前核（VA）的神经元信息传递情况。与对照组相比，在偏侧帕金森病组中，我们发现从黑质网状部（SNr）到丘脑腹前核（VA）的顺行（即向前的方向）信息传递以及从丘脑腹前核（VA）到黑质网状部（SNr）的逆行（即向后的方向）信息传递都大幅增加。这些与偏侧帕金森病相关的信息增加完全被治疗性的丘脑底核深部脑刺激所逆转。
展开剩余94%二、方法
所有的手术和实验程序均在某大学进行，经该大学机构动物护理和使用委员会批准，并符合相关政策关于实验室动物护理和使用的规定。
01. 实验程序
五只体重在225 - 325克的雌雄大鼠的实验方案时间线包括以下内容：手术植入，随后是两周的恢复期；至少间隔一天进行2 - 5次对照记录；注射6-羟基多巴胺（6-OHDA），随后是两周的恢复期；至少间隔一天进行4 - 8次实验记录；对于三只大鼠，进行终末灌注、固定和脑取出。
02. 手术程序
给大鼠口服一定量的某种药物，在其服用后，用2%的异氟烷进行麻醉。对手术部位进行剃毛，并用异丙醇和聚维酮碘进行消毒。将大鼠放置在立体定位框架中的加热垫上，切开一个切口并暴露至颅骨。根据特定位置测量并标记颅骨切开术的位置。将七颗钛骨螺钉通过颅骨上的钻孔插入，以便将最终的丙烯酸帽固定在颅骨上。将不锈钢接地线连接到其中两颗固定螺钉上。
神经植入物包括一个套管、一个4通道刺激阵列和两个16通道记录阵列。为了最终能够将针插入内侧前脑束（MFB），将一个23号不锈钢套管通过一个钻孔植入，该钻孔位于特定位置。一个4通道微刺激阵列——由2×2网格的特定电极组成，电极间距为400μm——垂直植入丘脑底核（特定位置）。内侧电极比外侧电极长500μm，以匹配丘脑底核的解剖结构。16通道微记录阵列——由4×4网格的特定电极组成，电极间距为400μm——被植入丘脑腹前核（VA）和黑质网状部（SNr）。丘脑腹前核（VA）阵列通过特定方式到达其目标位置。黑质网状部（SNr）阵列通过特定方式到达其目标位置。
在每个硬件元件植入后，涂抹一层牙科丙烯酸，将其牢固地固定在至少一颗固定螺钉上。在所有植入完成后，将记录阵列的接地触点与接地螺钉上的电线连接。将螺钉、套管和阵列包裹在一个厚厚的牙科丙烯酸帽中，构建得光滑，不包含尖锐的边缘或点。在丙烯酸头帽周围缝合切口，在伤口内外涂抹三重抗生素软膏以防止感染。通过腹腔注射给大鼠施用镇痛药，监测2小时，并在记录前让其恢复14天。
03. 单侧多巴胺损伤
在完成行为学和电生理学记录（见下文）后，用2%的异氟烷对大鼠进行麻醉，并在将其置于相同的立体定位框架之前，进行腹腔注射特定药物。将一根32号针通过倾斜的套管插入，到达内侧前脑束（MFB）目标位置。将针再插入0.5毫米，停留5分钟以形成一个囊袋，然后缩回0.5毫米。在腹腔注射30分钟后，将溶解在特定体积生理盐水中的特定量6-羟基多巴胺（6-OHDA）以特定速度注射。注射10分钟后，以不超过1.0毫米/分钟的速度拔出针。将大鼠送回它们的饲养笼中14天，然后在偏侧帕金森病（hPD）和丘脑底核深部脑刺激（STN-DBS）条件下进行记录。
04. 深部脑刺激
为了向丘脑底核（STN）提供深部脑刺激（DBS），用2%的异氟烷对大鼠进行短暂麻醉，并将一个4通道系绳连接到头部微刺激阵列的连接器上。在大鼠苏醒前迅速将其移至记录室，并将系绳的另一端连接到一个模拟刺激器上。通过微刺激阵列进行双极刺激，将两个内侧触点设置为阳极，两个外侧触点设置为阴极。刺激波形由对称的、100微秒的双相电流脉冲组成，以100赫兹的频率重复。在注射6-羟基多巴胺（6-OHDA）两周后，通过逐渐增加刺激幅度直至达到阈值来确定刺激阈值，该阈值以出现身体副作用为标志。与深部脑刺激相关的副作用包括非典型的胡须抽搐、其他肌张力障碍性面部收缩或与刺激对侧的重复旋转。对每只动物重复此过程三次，以确定真正的最小阈值。然后将治疗性深部脑刺激的幅度设置为最小副作用阈值的90%。虽然仅在深部脑刺激试验期间施加刺激，但在一些健康对照和偏侧帕金森病试验期间连接系绳，以确保系绳不会在行为或电生理活动中引起显著变化。
05. 行为学记录方案
在五只大鼠中的四只中，使用定制的大鼠跟踪系统量化身体左侧与右侧的不对称性。将大鼠置于一个特定尺寸的暗箱中，并从上方用红外摄像机记录60分钟。定制软件实时将大鼠的深色毛发与白色垫料区分开来，并计算大鼠在箱内的位置和方向。在健康和偏侧帕金森病试验期间，大鼠通常不系绳，但在深部脑刺激试验期间必须系绳。在行为学实验结束后，对包含大鼠位置和方向的数据文件进行分析，以量化大鼠在每次试验中向左和向右的转弯次数。
第五只大鼠在大鼠跟踪系统完成之前就完成了研究。对于这只大鼠，使用标准的某种诱导旋转方案来验证在每种条件下身体左侧与右侧不对称性的增加或减少。简而言之，在每种条件下，腹腔注射特定量的某种药物。将大鼠置于其饲养笼中，并手动计数30分钟内两个方向的完整旋转次数。当大鼠每分钟同侧旋转次数比对侧旋转次数至少多10次时，确定为偏侧帕金森病（hPD）条件；当大鼠每分钟同侧旋转次数比对侧旋转次数最多多6次时，确定为由丘脑底核深部脑刺激（STN-DBS）产生的偏侧帕金森病缓解条件。
06. 电生理学记录方案
用2%的异氟烷对大鼠进行短暂麻醉，并将其微记录阵列的连接器连接到一对16通道头部放大器以及与多通道刺激和记录系统相关的系绳上。对于丘脑底核深部脑刺激（STN-DBS）试验，如前所述，大鼠还通过一个4通道系绳连接到一个模拟刺激器上。在大鼠在移除盖子的饲养笼中苏醒10分钟后，开始电生理学记录，记录持续15分钟。局部场电位（LFPs）和跨越阈值的分段数据以经颅接地螺钉为参考，并同时从黑质网状部（SNr）和丘脑腹前核（VA）记录。选择分段数据阈值以包括动作电位轨迹，同时尽量减少噪声和低幅度多单位活动。
07. 组织学分析
在研究的五只大鼠中，有两只大鼠的头帽在完成目标数量的偏侧帕金森病（hPD）和深部脑刺激（DBS）试验（各五次）之前脱落，这些大鼠在未进行灌注的情况下被安乐死。其余三只大鼠用磷酸盐缓冲溶液进行灌注，并用4%的多聚甲醛固定。立即取出大脑并浸泡在相同的福尔马林中。24小时后，将大脑转移到磷酸盐缓冲溶液中，切成200μm的切片，并放置在载玻片上。干燥24小时后，对包含丘脑底核（STN）、黑质网状部（SNr）或丘脑腹前核（VA）的载玻片用甲酚紫按标准方法进行染色。大体解剖学分析证实所有电极位置都在黑质网状部（SNr）、丘脑腹前核（VA）和丘脑底核（STN）内。
08. 数据分析
分析在标准计算机上进行。单位脉冲分类在特定软件中完成，所有其他分析在特定软件中完成。
09. 行为学分析
行为学试验期间大鼠的位置和方向由定制的跟踪软件以特定速度记录。我们整合了每次60分钟试验中向右旋转的总度数（θR）和向左旋转的总度数（θL）。鉴于向特定部位注射6-羟基多巴胺（6-OHDA），偏侧帕金森病（hPD）的症状应出现在身体左侧，并且大鼠应向注射的同侧即右侧旋转。同侧旋转偏好计算为：100%×θR / (θL + θR)。
10. 脉冲序列分析
从跨越阈值前500微秒到跨越阈值后1500微秒提取电压跨越阈值的分段数据。使用标准技术在特定软件中分离单位波形 。大的跨通道事件和刺激伪迹，其幅度始终远大于神经元单位活动，被视为无效。计算剩余波形的主成分，并通过期望最大化将波形分类为不同的簇。当该算法未能识别出明显的单位簇时，通过谷值搜索算法对波形重新分类。手动移除其平均波形在性质上与典型的细胞外动作电位不同的单位簇。从未分类的噪声簇和所有其他单位簇中以0.05的显著性水平分离出来的单位被纳入后续分析。
图1. 实验方法。(A) 在向右侧内侧前脑束（MFB）注射6-羟基多巴胺（6-OHDA）两周后，采集的2分钟内不受约束的大鼠行为的示例动作。大鼠完成了多个顺时针圆圈运动，与注射侧同侧。(B) 6-羟基多巴胺（6-OHDA）注射和丘脑底核深部脑刺激（STN-DBS）的行为学效应，量化为向右旋转次数除以两个方向的总旋转次数，以百分比表示，平均值±标准误差。星号表示与50%相比有统计学显著差异（t检验，P<0.05）。受损的大鼠更倾向于向注射侧同侧旋转，因此被归类为偏侧帕金森病（hPD）。(C) 一个神经元脉冲单位（深灰色）与深部脑刺激（DBS）伪迹（浅灰色）分开分类的代表性示例，中心线显示了两个簇的平均波形。
由于刺激伪迹会在每10毫秒的约1毫秒时间窗口内阻止波形检测，我们对有和没有每10毫秒消隐1.0毫秒活动的数据都进行了分析。将在对照或偏侧帕金森病（hPD）条件下收集的数据与在丘脑底核深部脑刺激（STN-DBS）条件下收集的数据进行比较，在分析中包含或不包含消隐过程的信息度量在性质上的差异并不常见，并在结果部分进行了描述。一般来说，我们展示的是未进行消隐过程分析的数据的信息结果。然而，为了纠正由于每10毫秒中仅检测9毫秒的阈值跨越而产生的简单脉冲频率偏差，丘脑底核深部脑刺激（STN-DBS）试验中的放电率乘以九分之十。
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对于每个至少有500个脉冲波形的单位，计算其放电率。对于相同的单位，根据脉冲间隔（ISIs）的相对持续时间分布来估计放电模式熵，将其按对数方式分割为每十年五个区间。从每个脉冲间隔（ISIs）的分布y中，根据以下公式计算放电模式熵：H(y) = – Σi p(yi) log2 p(yi)，其中p(yi)是脉冲间隔处于区间i的概率，熵H(y)的单位是比特/脉冲。
计算所有同时记录的神经元之间的互相关。单位脉冲序列与一个标准差为25毫秒、单位面积的高斯核进行卷积。对波形进行均值减法处理，并与同时记录的其他单位的波形进行相关计算。比较这些互相关函数的最大值和周期性。
11. 神经元信息
对于每对同时记录的神经元，根据与脉冲间隔（ISIs）相同分箱的互脉冲间隔（CSIs）分布来估计定向信息。从每个互脉冲间隔（CSIs）的分布x中，从细胞x到y的定向信息如下：I(y:x) = H(y) – H(y|x)，其中条件熵H(y|x) = H(y, x) – H(y)，联合熵H(y, x) = – Σij p (yi, xj) log2 p(yi, xj)，其中p(yi, xj)是脉冲间隔处于区间i且同时的互脉冲间隔处于区间j的概率。从二维、连续的脉冲间隔（ISIs）和互脉冲间隔（CSIs）分布中估计的熵和信息，对于高放电率的神经元对，在性质上产生了相似的结果，但对于低放电率的神经元对，由于与过少的脉冲间隔（ISIs）和互脉冲间隔（CSIs）相关的采样不足问题，结果会有所不同。因此，我们仅展示一维的熵和信息估计。
我们将上述定义的信息标记为条件信息，Icond = Hnaive−Hcond。条件信息Icond必然是非负的，因为条件熵Hcond必须小于或等于朴素熵Hnaive。问题在于，对于给定有限数据集的两个完全不相关的脉冲序列，条件熵Hcond将小于朴素熵Hnaive，这确保了即使信号独立，条件信息Icond也将为正。为了纠正这种正偏差，我们将定向信息估计为：Idir = Icond−Ishuf，其中打乱信息Ishuf = Hnaive−< Hshuf >。平均打乱熵< Hshuf >是从100次模拟中计算的条件熵的平均值，在这些模拟中，脉冲间隔y保持相同的顺序，但互脉冲间隔x被随机重新排序）。
打乱信息量化了在细胞x和y真正独立的情况下，从脉冲间隔（ISIs）和互脉冲间隔（CSIs）分布中估计的平均信息。从条件信息中减去这个打乱信息，得到一个经过偏差校正的定向信息Idir。对于一组真正独立的神经元，经过偏差校正的信息分布将是均值为零的高斯分布。当将这个过程应用于我们的数据时，得到的分布几乎是高斯分布，在0比特/脉冲附近有一个显著的众数，但在正方向上有一个长尾。这个长的正尾包括了具有大量定向信息的神经元对，而负方向代表了真正独立的神经元对的零均值分布的左半部分。因此，将一条高斯曲线的左半部分拟合到经过偏差校正的分布的负方向上，如果所有的神经元对都是真正独立的，就可以得到预期的标准差。神经元对之间的定向信息至少比0高出1.645个标准差，因此极不可能是独立的，被认为具有显著的信息性（α = 0.05）。
12. 局部场电位
在四只动物中，场活动与单位活动同时记录，并在675赫兹以下进行低通滤波。通过标准方法计算所有局部场电位（LFPs）的功率谱密度。为了将局部场电位（LFPs）与单个单位活动共同分析，将脉冲时间转换为单位脉冲序列。根据标准方法，计算在相同通道上同时记录的局部场电位（LFPs）和脉冲序列的谱互双相干性。这种互双相干性表示局部场电位（LFPs）中所有频率与脉冲序列中所有频率之间的相位耦合强度，归一化范围从0到1。关于β-β互双相干性的定性效应在所有动物中相似，但由于在所有频率上的互双相干性显著较低，一只动物被排除在群体平均图（图4，右）之外。
图2. 单个单位放电模式活动。(A) 在偏侧帕金森病（hPD）和丘脑底核深部脑刺激（STN-DBS）条件下，从同一个丘脑腹前核（VA）神经元连续记录的四个15秒间隔的代表性光栅图，放电率分别约为8赫兹和3赫兹。(B) 在所有条件下，黑质网状部（SNr）和丘脑腹前核（VA）中单个单位的群体放电率，平均值±50%置信区间。单位放电率范围从约1赫兹到超过50赫兹，这种极大的变异性使得大多数条件之间没有统计学差异。然而，在丘脑腹前核（VA）中，丘脑底核深部脑刺激（STN-DBS）确实显著降低了与健康和偏侧帕金森病（hPD）水平相比的放电率（基于自助法的置信评估，P<0.001）。(C) 在偏侧帕金森病（hPD）和丘脑底核深部脑刺激（STN-DBS）条件下，一个黑质网状部（SNr）神经元的代表性精细（细线，每十年25个区间）和粗略（粗线，每十年五个区间）的脉冲间隔（ISIs）直方图。偏侧帕金森病（hPD）情况下的宽分布通过与100赫兹深部脑刺激的同步而变得规则，如在10毫秒及其次谐波处的脉冲间隔峰值所示，并且整个分布变窄。(D) 根据粗略（每十年五个区间）的脉冲间隔（ISIs）直方图估计的群体放电模式熵，平均值±50%置信区间。在偏侧帕金森病（hPD）条件下，黑质网状部（SNr）的熵有增加的趋势，但相对于健康（基于自助法的置信评估，P = 0.06）或丘脑底核深部脑刺激（STN-DBS）（基于自助法的置信评估，P = 0.07）条件，均未达到显著水平。
图3. 成对单位定向信息。(A) 当一个特定的黑质网状部（SNr）神经元在过去一秒内有（浅灰色）或没有（深灰色）放电时，一个丘脑腹前核（VA）神经元的脉冲间隔（ISIs）直方图示例。黑质网状部（SNr）细胞的一次放电改变了丘脑腹前核（VA）细胞的脉冲间隔（ISIs）直方图，这意味着丘脑腹前核（VA）的脉冲序列携带了关于黑质网状部（SNr）脉冲序列的信息。(B) 所有从黑质网状部（SNr）到丘脑腹前核（VA）的顺行方向成对的累积信息分布。对照和丘脑底核深部脑刺激（STN-DBS）的分布中位数可忽略不计（即，在零信息概率≈0.5处），并且平均值（虚线）在约1毫比特/脉冲处恰好重叠，这表明随机选择的细胞对不传递显著信息，然而，在偏侧帕金森病（hPD）条件下，该分布的中位数和平均值显著更大，表明许多细胞对确实传递信息。(C) 所有成对在两个方向上经过偏差校正的信息，平均值±50%置信区间。偏侧帕金森病（hPD）诱导使定向信息增加，而治疗性丘脑底核深部脑刺激（STN-DBS）使定向信息减少；显著性用黑色上划线表示（基于自助法的置信评估，P<0.05）。(D) 在每个条件下传递显著信息（量化为至少比0高出1.645个标准差，即P<0.05）的成对的百分比，百分比±50%置信区间。与其他条件相比，在偏侧帕金森病（hPD）条件下有更多的成对传递显著信息；显著性用黑色上划线表示（基于自助法的置信评估，P<0.05）。
图4. 局部场电位活动。（左）在所有条件下，黑质网状部（SNr）的代表性局部场电位（LFP）功率谱。丘脑底核深部脑刺激（STN-DBS）条件下的一个强100赫兹峰值反映了刺激频率。（右）在所有条件下，在黑质网状部（SNr）中同一电极上记录的单位活动和局部场电位（LFPs）之间的群体平均互双相干性。一个显著的峰值表明在单位和局部场电位（LFP）频率中，以约28赫兹为中心的强β-β互双相干性。相对于对照，在偏侧帕金森病（hPD）条件下，较高频率的互双相干性通常升高，这表明对较高频率突触活动的更强脉冲同步；相对于偏侧帕金森病（hPD）和对照，在丘脑底核深部脑刺激（STN-DBS）条件下，互双相干性通常受到抑制，这表明脉冲发放与较高频率突触活动相对独立。
13. 统计比较
当结果涉及统计显著性时——即图1B、2B、D、3C、D，相关的统计检验在文本中进行了缩写。近似高斯分布结果的汇总值表示为平均值加或减标准误差，平均值±标准误差。非高斯分布结果的汇总值是从100,000个有放回重采样的自助法群体中得到的，表示为跨越第25到第75百分位置信区间的平均值，平均值±置信区间。统计检验缩写：anova = 方差分析；t检验 = 学生t检验；bca = 自助法置信评估。
三、结果
以下包括五只出现偏侧帕金森病（hPD）症状且通过丘脑底核深部脑刺激（STN-DBS）得到缓解的大鼠的结果。
01. 模型验证
通过对1小时行为学试验中不受约束的运动进行视频分析来评估偏侧帕金森病（hPD）的运动症状（图1A）。在偏侧帕金森病（hPD）条件下，大鼠向同侧旋转的次数比对侧多（t检验，P<0.05），并且在对照或丘脑底核深部脑刺激（STN-DBS）条件下均未表现出方向偏好（图1B）。此外，条件存在行为学效应（方差分析，P<0.05），在偏侧帕金森病（hPD）条件下，大鼠向同侧旋转的次数比对侧多（t检验，P<0.05）。这些数据总结了五只大鼠中四只的反应；第五只大鼠通过在注射右旋苯丙胺后的自由旋转计数来量化症状，并且与通过视频跟踪系统评估的结果相似。
02. 单个单位活动
我们在所有条件下——健康、偏侧帕金森病（hPD）以及丘脑底核深部脑刺激（STN-DBS）——在不受约束的行为期间从黑质网状部（SNr）和丘脑腹前核（VA）进行细胞外记录，并离线分离单个单位动作电位（表1）。在所有条件下，两个解剖位置的单个神经元的放电率变化很大，标准差也很大（图2A、B）。在黑质网状部（SNr）中，各条件之间未观察到显著变化。然而，丘脑腹前核（VA）的平均放电率确实取决于条件（方差分析，P<0.05），相对于健康和偏侧帕金森病（hPD）条件，在丘脑底核深部脑刺激（STN-DBS）条件下显著降低（基于自助法的置信评估，P<0.001）。比较了偏侧帕金森病（hPD）和深部脑刺激（DBS）条件下每个单位的脉冲间隔（ISIs）分布（图2C）。在高时间分辨率（每十年25个区间）下，深部脑刺激（DBS）条件下的神经元在黑质网状部（SNr）和丘脑腹前核（VA）中均表现出强烈的多峰分布（图2C，细线），在10毫秒及其次谐波（即20、30毫秒等）处有峰值。这种规律性源于神经元活动与100赫兹深部脑刺激的同步。然而，对于放电率较低的单位，15分钟的试验没有产生足够的数据来使用如此高的时间分辨率。为了在相同的分析条件下包括所有神经元，我们构建了所有分辨率较低的分布，即每十年5个区间（图2C，粗线）。在这个例子中，请注意10毫秒的间隔不再可见，但丘脑底核深部脑刺激（STN-DBS）的分布比偏侧帕金森病（hPD）的分布窄得多。
表1. 神经元单位和成对的数量
根据这些分布，估计了在所有条件下黑质网状部（SNr）和丘脑腹前核（VA）中所有神经元的放电模式熵。在丘脑腹前核（VA）中，各条件之间的放电模式熵没有显著变化。在黑质网状部（SNr）中，相对于健康（基于自助法的置信评估，P = 0.06）和深部脑刺激（DBS）条件（基于自助法的置信评估，P = 0.07），在偏侧帕金森病（hPD）条件下有熵增加的趋势；虽然不显著，但这些变化的幅度与先前发表的结果非常吻合。然后，如下面所述，使用这些相同的分布和熵估计来计算定向信息。
03. 成对单位活动
黑质网状部（SNr）和丘脑腹前核（VA）之间的神经元对的互相关在各条件之间没有产生统计学上的显著变化。为了测试神经元对是否真正独立，而不仅仅是不相关，我们计算了从每个神经元到所有其他同时记录的神经元的定向信息。
根据同时记录的神经元的脉冲时间计算脉冲间隔（ISIs）和互脉冲间隔（CSIs）的分布，并估计所有同时记录的成对的定向信息（比特/脉冲）。一个细胞对另一个细胞的定向信息可以量化为第一个细胞的放电活动对第二个细胞的活动的改变量（图3A）。在这个例子中，当一个黑质网状部（SNr）细胞（未显示）在过去一秒内没有放电时，一个丘脑腹前核（VA）细胞的脉冲间隔（ISIs）分布的众数约为40毫秒（深灰色），表明快速放电。相比之下，当那个黑质网状部（SNr）细胞在过去一秒内放电时，丘脑腹前核（VA）细胞的脉冲间隔（ISIs）分布的众数约为250毫秒（浅灰色），表明缓慢放电。因此，仅通过观察丘脑腹前核（VA）细胞的输出，就可以预测黑质网状部（SNr）细胞最近的活动；换句话说，丘脑腹前核（VA）细胞传达了关于黑质网状部（SNr）细胞的信息。
在纠正采样不足偏差后，可忽略信息的成对预计构成一个零均值、近似高斯分布。因此，不符合高斯曲线的高度正信息的成对（图3B，右侧尾部）不是来自零均值分布，因此传达了定向信息。区域之间的定向信息随条件而变化（方差分析，P<0.05），在两个方向上都是如此（图3C）。在健康和偏侧帕金森病（hPD）条件之间，从黑质网状部（SNr）到丘脑腹前核（VA）的顺行方向（基于自助法的置信评估，P = 0.005）和从丘脑腹前核（VA）到黑质网状部（SNr）的逆行方向（基于自助法的置信评估，P = 0.004）的定向信息增加。此外，应用丘脑底核深部脑刺激（STN-DBS）减少了顺行（基于自助法的置信评估，P = 0.003）和逆行（基于自助法的置信评估，P = 0.003）方向的定向信息。在健康和深部脑刺激（DBS）条件之间，定向信息没有显著差异为了仅分离出在α = 0.05水平上传达具有统计学显著水平信息的成对，我们计算了零均值高斯分布的标准差，并统计了传达至少1.645个标准差信息的成对比例（图3D）。与健康条件相比，在偏侧帕金森病（hPD）条件下，顺行方向（基于自助法的置信评估，P = 0.017）和逆行方向（基于自助法的置信评估，P = 0.008）上有更多的成对具有显著信息性。与偏侧帕金森病（hPD）条件相比，在深部脑刺激（DBS）条件下，顺行方向（基于自助法的置信评估，P = 0.006）和逆行方向（基于自助法的置信评估，P = 0.05）上具有显著信息性的成对更少。在健康和丘脑底核深部脑刺激（STN-DBS）条件之间，在任一方向上均无显著差异。
在健康和偏侧帕金森病（hPD）试验中，施加1.0毫秒的消隐期来模拟伪迹，并重复上述比较。无论有无消隐期，定性结果大多没有变化。唯一的例外是，从偏侧帕金森病（hPD）到丘脑底核深部脑刺激（STN-DBS），逆行方向上具有信息性的成对数量的减少在有消隐期时失去了显著性（基于自助法的置信评估，P = 0.16）。然而，通过从偏侧帕金森病（hPD）到丘脑底核深部脑刺激（STN-DBS）时丘脑腹前核（VA）到黑质网状部（SNr）的平均信息减少（基于自助法的置信评估，P = 0.03），丘脑底核深部脑刺激（STN-DBS）减少逆行信息这一结果在有消隐期的情况下仍然得到支持。
04. 单位-场相干性
局部场电位（LFPs）的功率谱密度在黑质网状部（SNr）或丘脑腹前核（VA）中都几乎没有显示出令人感兴趣的内容。特别是，20-30赫兹的β活动在各条件之间的变化并不显著。然而，在丘脑底核深部脑刺激（STN-DBS）条件下，在两个位置都观察到了预期的100赫兹及其谐波的场活动，这与丘脑底核（STN）的刺激一致（图4，左）。同样，在黑质网状部（SNr）和丘脑腹前核（VA）中从不同电极记录的局部场电位（LFPs）的互相关在各条件之间没有显著变化。
为了测试局部场活动是否与单位活动独立，我们计算了每个单位与从同一电极记录的局部场的互双相干性（图4，右）。单位-场互双相干性显示，在记录了局部场电位（LFPs）的所有四只大鼠中，偏侧帕金森病（hPD）条件下黑质网状部（SNr）中的高β频率之间存在显著的相互作用，但在任何一只大鼠的健康或丘脑底核深部脑刺激（STN-DBS）条件下都没有这种情况。虽然β功率不够强或持续时间不够长，无法在功率谱中体现出来，但神经元和局部场电位（LFP）的β活动之间的强相干性强调了25-35赫兹频率范围与偏侧帕金森病（hPD）条件的相关性。
四、讨论
帕金森病（PD）的典型运动症状是由基底神经节神经活动的改变所驱动的。早期的帕金森病模型聚焦于神经放电率，预测症状是由于基底神经节输出对丘脑的过度抑制所致。然而，基底神经节神经活动的放电率模型不足以解释帕金森病运动症状的严重程度，因为深部脑刺激（DBS）实际上会增加抑制丘脑的神经元的放电率。有几种疗法——特别是左旋多巴药物治疗、丘脑底核（STN）的立体定向消融以及丘脑底核或苍白球内侧部的高频深部脑刺激——可以缓解运动症状，但这些疗法对神经元活动的调节方式各不相同。
鉴于神经元对不同治疗干预的反应多种多样，帕金森病的运动症状源于放电模式的改变，而非仅仅是放电率的改变，也就不足为奇了。在这项研究中，我们最初假设这些放电模式的改变构成了神经元和神经核之间定向神经信息的改变。我们证明了损毁大鼠的黑质致密部（SNc）会增加黑质网状部（SNr）和丘脑腹前核（VA）之间顺行（即向前）和逆行（即向后）方向的信息传递，而丘脑底核深部脑刺激（STN - DBS）会将信息传递降低到与施用6 - 羟基多巴胺（6 - OHDA）之前相似的水平。
我们的研究结果支持这样的假设，即帕金森病的运动症状是由多余信息从腹侧基底神经节传递到丘脑中继神经元所导致的。神经元信息传递受到神经元放电模式熵的限制，计算研究表明，黑质网状部上游的苍白球熵增加会导致信息通过丘脑传递时出现错误。虽然此前一些研究聚焦于熵与帕金森病症状的协方差，但不同条件下所报告的熵变化较小，尤其是在黑质网状部或苍白球内侧部。在本研究中，熵的变化并不显著，尽管黑质网状部熵的总体趋势与上述报告一致。
然而，尽管熵的变化小且不显著，但信息传递的变化却很大且明显。与健康状态和接受丘脑底核深部脑刺激的偏侧帕金森病（hPD）状态相比，在偏侧帕金森病状态下，黑质网状部和丘脑腹前核之间的定向信息有所增加。从概念上讲，顺行信息传递的增加可能被认为对行为有益，但最近在非人灵长类动物上的研究表明，有效的深部脑刺激实际上会减少基底神经节的信息传递。此外，帕金森病的运动症状并无益处，因此与之相关的信息增加可能对健康有害。所以，这种额外的信息应被归类为病理性信息。
帕金森病状态下的病理性信息可能通过对丘脑活动产生有害调节来引发症状。然而，这种病理性调节的本质仍不清楚。来自基底神经节的信号可能属于以下两种情况之一：主动信息，即直接引发症状的指令；或者被动信息，即仅仅通过干扰丘脑或运动皮层的下游神经处理来产生症状。计算研究表明，基底神经节典型的帕金森病活动会驱使丘脑神经元出现中继错误，并且错误率会随着基底神经节放电模式熵的增加而上升。最近对人类深部脑刺激患者的研究支持了这样的假设，即这些丘脑错误是被动地干扰健康活动，而非主动地引发症状。特别是，分别向基底神经节或丘脑施加熵值逐渐增加的深部脑刺激，会加剧帕金森病或特发性震颤的症状。这些研究中的深部脑刺激信号是伪随机脉冲序列，因此不可能产生有意义的指令来主动引发症状。
本研究的分析存在一定局限性。我们在计算信息时仅使用了最近的脉冲间隔（ISI）和互脉冲间隔（CSI）。虽然这种方法考虑了诸如放电率变化等简单的统计变化，但可能会忽略整合过去几个互脉冲间隔所揭示的复杂依赖关系。然而，每增加一个脉冲间隔或互脉冲间隔都会增加信息空间的维度，从而显著增加估计所需的数据量。此外，虽然支持信息指标可用于区分有症状和无症状状态这一观点，但从临床人群中测量神经元信息将非常困难。为了改进深部脑刺激疗法，研究人员正在寻找能够实时测量的帕金森病症状严重程度的生物标志物。因此，我们将这项工作扩展到研究与信息处理相关的局部场电位（LFP）活动。
虽然在帕金森病动物的背侧丘脑底核和运动皮层中，β活动很明显，但β功率的强度高度依赖于行为状态。对人类患者的记录发现，β功率从背侧丘脑底核，经过腹侧丘脑底核，再到黑质网状部逐渐减弱。本研究的记录来自不受约束的大鼠，它们在运动和休息状态之间交替。我们在从黑质网状部或丘脑腹前核收集的场电位中未发现具有统计学意义的β功率。此外，即使在偏侧帕金森病状态下，单个神经元的动作电位也没有明显的β节律。
然而，黑质网状部中局部场电位与同时记录的单位活动之间的互双相干性显示，在偏侧帕金森病状态下出现了一个明显的β - β峰值。这一发现支持了此前的研究，即黑质网状部局部场电位中的一些β相干性（即我们互双相干性的对角线）可能是局部产生的。此外，治疗性丘脑底核深部脑刺激抑制了β - β相干性（图4）。这项研究支持了这样的观点，即整个基底神经节的β同步会引发帕金森病症状。由于局部场电位可能反映了空间突触活动的整合，我们观察到，即使β功率并不显著高于较低（如α）或较高（如γ）频率范围的功率，单位脉冲时间仍与β频率的局部突触活动相干。这些发现支持了与帕金森病相关的β同步倾向与定向信息增加有关的观点。这些观点将在未来的研究中进行深入探讨。
我们认为在健康和偏侧帕金森病状态下，不太可能记录到相同的神经元对。然而，鉴于定向信息显著增加，我们假设在健康状态下没有功能连接的神经元对，在偏侧帕金森病状态下会接收和传递具有相似信息内容的信号。如果不同区域的神经元与一个特别广泛的输入高度相干，就可能出现这种情况，正如我们在β活动中所观察到的。最近的一篇论文表明，在非人灵长类动物模型中，随着帕金森病严重程度的增加，β与250 - 350赫兹活动之间的相位 - 振幅耦合会增加。这些研究共同表明，帕金森病与通道独立性的丧失有关，这意味着在帕金森病状态下，从基底神经节到运动丘脑的平行投射携带了冗余信息。即使任意两个神经元之间的信息随帕金森病而增加，但如果该信息与其他神经元对之间的信息冗余，那么净信息可能会减少。
支持帕金森病与神经信号冗余大幅增加相关这一假设的是，顺行和逆行方向的定向信息相似。逆行信息可能反映了从丘脑腹前核通过壳核回到黑质网状部的连接，但更有可能反映了整体的冗余信息水平。最近的计算研究支持了这一解释，表明帕金森病中的不规则放电模式是皮质 - 基底神经节 - 丘脑 - 皮质环路的一种网络现象，而深部脑刺激通过顺行和逆行激活抑制了这些不规则放电模式。未来同时记录多个神经元的研究可以具体验证这一假设。无论是否存在冗余，偏侧帕金森病相关的定向信息增加以及深部脑刺激相关的定向信息恢复，都支持了在帕金森病状态下独立通道减少的观点。
基底神经节运动通路中通道独立性的丧失可能会限制帕金森病患者能够表现出的行为。例如，整个运动基底神经节都存在的躯体定位映射是由肌肉骨骼和解剖关系组织的。因此，与拮抗肌相关的基底神经节中的两条独立神经通路在解剖上是相邻的。拮抗通路中相邻神经元之间信息的增加会降低拮抗肌的独立性，就像帕金森病典型的震颤和僵硬症状所表现的那样。同样，通道独立性的丧失会降低基底神经节发挥其动作选择作用的能力，特别是当适当的动作被基底神经节试图排除的其他动作所干扰时。这种犹豫不决可能会导致帕金森病的运动减少症状。
在帕金森病的啮齿动物模型中，在帕金森病状态下，从黑质网状部到丘脑腹前核的信息传递增加，而功能性恢复性丘脑底核深部脑刺激可将其恢复到接近健康水平。这项研究支持了越来越多的将信息指标作为神经系统疾病有用生物标志物的研究。帕金森病基底神经节中产生的病理性信息可能会干扰丘脑和运动皮层的下游信号处理，从而引发帕金森病症状。我们假设神经元对水平上信息的增加反映了相邻运动命令网络之间通道独立性的丧失，以及帕金森病大脑中广泛存在的信息冗余。
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