亚毫米尺寸植入式多通道微磁刺激装置设计及其对海马区Schaffer-CA1突触可塑性靶向性协同调控机制的研究
批准号:
62071329
项目类别:
面上项目
资助金额:
56.0 万元
负责人:
郑羽
依托单位:
学科分类:
生物电子学与生物信息处理
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
郑羽
中文摘要
亚毫米尺寸多通道mMS作为一种新型的磁刺激技术,具有体积小、靶向性强和多点协同调控等优点,但其未在深部海马合团实现植入式应用,对学习和记忆的作用机制尚不清楚。本项目首先确定离体多通道mMS对海马PP-DG-CA3-CA1神经通路调控的最优靶点和磁刺激参数,结合有限元分析方法,设计线圈参数和阵列结构,解决其生物相容性、多路驱动控制、实验安全性等关键问题,通过研究不同阵列模板提高感应电场聚焦性,降低线圈功率耗散,实现一款活体植入式多通道mMS装置。然后研究其在活体大鼠海马神经合团的植入方法,解决携带可靠性和舒适性等问题,设计长时程磁刺激协议,研究多通道mMS单点和多点协同刺激对突触可塑性的调控规律。采用ICP-MS技术研究磁刺激对海马脑片离子含量变化的影响规律,揭示mT量级磁场对NMDA受体依赖的Schaffer-CA1突触可塑性作用机制。本项目对植入式多通道mMS装置未来应用具有重要意义。
英文摘要
As a new type of magnetic stimulation technology, the sub-millimeter-sized multi-channel micro-magnetic stimulation (mMS) has the advantages of small size, strong targeting, and multi-point coordinated regulation. Since it hasn’t been implanted in the deep hippocampus, the mechanisms of action on learning and memory affected by mMS are unclear. Firstly, this project determines the optimal target and magnetic stimulation parameters of in vitro multichannel mMS in regulating hippocampal PP-DG-CA3-CA1 neural pathway, and combines the finite element analysis method to design the coil parameters and array structure which could solve the key issues of biocompatibility, multi-channel drive control, and experimental security etc. Study on different array templates to implement a living implantable multi-channel mMS by improving the focus of induced electric field and reducing the coil power dissipation. Secondly, study on the method of implanting neural complexes in living mouse to solve the problems of carrying reliability and comfort, and to design a long-term magnetic stimulation protocol to study on the regulation of synaptic plasticity by multi-channel mMS single-point and multi-point coordinated stimulation. Finally, study on the effect of magnetic stimulation on changes of key ions such as calcium in hippocampal brain slices by ICP-MS technology, and to reveal the mechanism of mT magnitude magnetic field on NMDA receptor-dependent Schaffer-CA1 synaptic plasticity. This project is of great significance for the future application of implantable multi-channel mMS devices.
神经退行性疾病的脑功能损伤很多最初发生在海马区,海马区Schaffer-CA1突触可以诱导出稳定的LTP/LTD,是研究学习和记忆的重要模型。多通道mMS装置可实现海马区PP-DG-CA3-CA1神经通路多点、全范围的磁刺激,研究其对Schaffer-CA1突触可塑性的靶向性协同调控规律,对揭示mT量级弱磁场对学习和记忆的微观作用机制具有重要意义。项目针对大脑深部海马体神经合团,设计一款亚毫米尺寸活体植入式多通道mMS装置,解决其结构设计、植入方法、实验安全性和可靠性等关键问题,并研究了其对Schaffer-CA1突触可塑性的调控规律和作用机制。(1)在装置研制方面:首先针对离体海马脑片,从有线单点、有线阵列方式、无线单点和无线阵列等方面研制了不同类型的mMS装置,确定了最佳刺激靶点与刺激协议,并研制了一款多点协同刺激、控制灵活、靶向性强活体植入式多通道mMS装置,其为16通道,4×4正方形阵列结构,阵列电极长宽高尺寸为1.6 mm×1.4 mm×0.4 mm,并解决了该装置的安全性和可靠性设计、植入方法和实验验证等关键问题。(2)在多通道mMS对海马区Schaffer-CA1突触可塑性协同性调控规律上,mMS装置磁刺激离体海马脑片多个区域后LTP均具有上升的效果,由强到弱依次为:海马CA1/CA3/DG区,CA1/CA3区,CA1/DG区,以及CA3/DG区,多区域磁刺激LTP升高幅度优于单区域磁刺激,协同作用效果更优,在活体植入应用中,发现多点协同磁刺激在增强突触可塑性和调控钙信号活动方面具有显著效果,且具有时间累积效应。(3)在机制研究方面,通过药理学等方法对LTP产生和形成的膜受体(NMDA和AMPA)和离子通道进行了实验,结果初步确定了Ca2+是不同频率磁场调控LTP过程中的关键因子;无论胞内Ca2+库还是VGCC介导的胞外Ca2+内流,磁刺激都导致了[Ca2+]i水平升高进而调节了突触可塑性LTP;使用氯化镉及环孢素两种阻断剂对钙/钙调神经磷酸酶通路中的关键物质电压门控钙离子通道及钙调神经磷酸酶分别进行阻断后,磁场的作用也随之消失,这充分证明磁场对突触可塑性的作用是由钙/钙调神经磷酸酶通路所介导,并通过ICP-MS检测发现磁刺激后胞内Ca2+含量明显高于对照组。
亚毫米尺寸阵列式微磁刺激装置设计及其对海马区Schaffer-CA1突触可塑性调控机理的研究
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批准号:61871288
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项目类别:面上项目
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资助金额:16.0万元
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批准年份:2018
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负责人:郑羽
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依托单位:
国内基金
海外基金