小脑通过小脑-大脑连接性参与感觉运动、认知和情感功能。因此，小脑神经刺激可能影响皮质回路，正如使用小脑刺激通过调节额叶脑电振荡治疗神经系统疾病的研究所示。本研究采用AM Systems技术，探索不同频率小脑刺激对乌拉坦麻醉大鼠小脑和前额叶皮层振荡及相干性的影响。

研究人员在成年雄性斯普拉格-达利大鼠的右侧小脑外侧区（小叶I/II）和双侧前额叶皮层（额联合区）记录局部场电位。通过小脑蚓部（小叶VII）施加单脉冲刺激（0.2 Hz持续60秒）、1 Hz（30秒）、5 Hz（10秒）、25 Hz（2秒）和50 Hz（1秒）重复脉冲刺激。刺激效果受乌拉坦麻醉期间随时间变化的脑电初始状态影响：1 Hz刺激在慢波状态（阶段1）更有效，而单脉冲、25和50 Hz刺激在激活状态（阶段2）效果更强。

单脉冲刺激引起小脑δ和θ频段振荡功率增加，皮层部位在80 Hz以下频段均出现增强。1 Hz刺激导致右侧额联合区0-30 Hz活动降低，30-200 Hz活动增强。5 Hz刺激在阶段1降低高频功率，在阶段2呈现混合效应。25 Hz刺激在阶段2增强低频皮层功率，阶段1则提升高频段功率。50 Hz刺激在所有记录位点均增加δ频段功率，且小脑效应最显著、最快速。25和50 Hz刺激还诱导了高频段小脑-皮层和皮层-皮层相干性的状态依赖性改变。

展开剩余96%

研究表明，小脑刺激可通过频率依赖性方式驱动额联合区场电位活动的同步化，并调控小脑-皮层和皮层-皮层网络的同步化。这些效应凸显小脑蚓部在调节非运动性前额叶皮层神经网络大规模同步化中的关键作用。

一、介绍

近年来越来越多证据表明小脑参与认知与情感功能调控。研究表明其可能通过促进大规模神经网络同步化，经皮质-皮质下多通道投射调控跨小脑网络活动。尽管小脑回路具有区域异质性特征，但其广泛连接性可特异性调节运动控制、认知与情感相关神经网络。由于小脑功能障碍涉及多种神经系统疾病，且具备与外部结构的广泛连接，现已成为经颅磁刺激和经颅直流电刺激等非侵入性干预技术的重点靶区。

针对小脑最内侧结构蚓部的刺激可经额叶振荡调制产生认知改善与情绪调节效应。研究显示，大鼠大脑中动脉闭塞及慢性轻度应激模型中进行顶核刺激，不仅通过抑制小脑浦肯野细胞死亡实现神经保护，还可显著改善抑郁样行为。动物实验表明，高频顶核刺激可抑制麻醉猫前额叶皮层慢波节律，增强20-40Hz局部场电位振荡；低频刺激（1Hz）在大鼠癫痫模型中表现出抗惊厥作用，2Hz外侧小脑投射刺激可重建精神分裂症模型大鼠内侧额叶皮层δ节律活性。

影像学研究证实人类小脑与前额叶皮层存在功能连接，非人灵长类及啮齿类动物的神经解剖与电生理研究进一步揭示了其结构基础。在乌拉坦麻醉大鼠模型中，刺激内侧前额叶皮层（前边缘皮层）可在对侧蚓部（第七小叶）诱发响应，而顶核刺激可引发前边缘皮层诱发电位，证实二者存在长程双向交互。研究还发现，在自主运动与静息状态下，顶核与前边缘皮层theta频段（5-10Hz）局部场电位呈现同步化特征。

跨脑区节律性神经元群体活动的相干同步化，被认为反映了神经网络间通讯增强机制及多脑区协同参与感觉整合与认知功能的调控基础。当前研究聚焦于阐明小脑-皮层网络交互如何通过同步化机制调节高阶功能。背外侧前额叶皮层与小脑蚓部的功能异常已被证实与多种神经系统疾病发病机制相关。非人灵长类动物的神经解剖学证据与人类功能连接研究共同揭示，蚓部第七小叶与背外侧前额叶皮层之间存在明确的通讯通路。然而，关于何种频率活动能最有效诱导这些结构间局部场电位振荡的相干性，以及初始振荡状态对相干性诱导的影响机制仍不明确。

本研究系统探究小脑蚓部不同频率刺激对乌拉坦麻醉大鼠右侧小脑外侧区（小叶I/II）及双侧背外侧前额叶皮层（额联合区）局部场电位振荡功率与相干性的调控效应。研究表明，乌拉坦麻醉可维持节律性振荡活动，并引发类似于非快速眼动睡眠慢波期与快速眼动睡眠活跃期的周期性状态转换。基于现有神经连接理论，蚓部刺激预期可显著调控额联合区及小脑外侧区的局部场电位活动。通过小脑皮质表层施加刺激可激活投射至顶核的浦肯野细胞，进而经丘脑及平行纤维通路调控皮层与对侧小脑半球活动。理论预测低频刺激对慢振荡活动及相干性影响更显著，而高频刺激可能驱动皮层β与γ振荡。

本研究核心目标包括：1）建立小脑外侧区与双侧背外侧前额叶皮层局部场电位自发活动及网络相干性的基础特征；2）评估不同频率蚓部刺激对小脑-额叶网络功率与相干性的差异化调控效能；3）揭示麻醉慢波期与活化期对网络刺激响应的状态依赖性调节机制。研究结果将深化对小脑非运动功能神经环路工作机制的理解。

二、材料与方法

01.手术

本研究使用六只成年雄性斯普拉格-达利大鼠。麻醉流程参照研究人员的方法。简言之，通过5%异氟烷与95%氧气的混合气体诱导麻醉，随后于颈静脉置入导管，并通过静脉注射氨基甲酸乙酯（0.8克/毫升）维持麻醉。通过足部撤回反射消失确认麻醉深度。将大鼠固定于立体定位仪，使用恒温加热垫与绝缘毯维持体温约37°C。所有操作均符合加拿大动物护理委员会指南，并通过协和大学动物研究伦理委员会审批。

颅骨开窗后，在右小脑Crus I/II小叶上方枕骨处进行2-2.5毫米骨窗开颅。双侧前运动皮层与小脑蚓部VII小叶处钻孔。采用特氟龙涂层不锈钢双绞线（尖端直径125微米，双极间距1毫米）制作电极并固定于立体定位仪。刺激电极插入蚓部VII小叶（前囟-13.0；中线0；垂直3.3毫米），记录电极插入前运动皮层（前囟4.7；中线±1.8；垂直2.2毫米）。右Crus I/II记录电极以45度角自中线外侧3.2毫米插入小脑表面1毫米深（图1A）。立体定位仪接地，并于颅骨与颞叶表面间放置5毫米长裸不锈钢参考电极。每个位点采集单极双通道与双极差分信号。两种记录方式均可采集局部场电位，但需电极排列与偶极子对齐以获取最优双极信号。当信号幅值最佳时优先使用双极记录，其余情况采用单极记录。

图 1. 刺激与记录位置的示意图以及实验时间线。（A）右侧小脑和左右额叶关联区域的记录位置用黑点表示，小脑板内刺激位置用红点表示。箭头表示各位置之间的相关性。（B）在对动物进行麻醉后，手术过程中采用立体定位法插入电极，并记录了 2 分钟的基线期。每个 2 分钟试验开始时还有 30 秒的基线期（蓝色）。刺激持续时间取决于刺激频率，范围从 1 秒到 60 秒（深蓝色 = 60 秒，粉色 = 30 秒，绿色 = 10 秒，橙色 = 2 秒，虚线 = 1 秒）。针对五种刺激频率各进行了三次试验，试验结束后对动物进行安乐死处理。

02.记录流程

每只动物的记录以2分钟自发性基线局部场电位活动开始，采集右侧小脑与额叶关联皮层信号。局部场电位信号经0.01–500赫兹带通滤波后，经放大器（1000倍；AM Systems Model 1700）放大，并通过SciWorks软件以1024赫兹采样率数字化存储。额叶关联皮层双侧记录三只动物，左额叶关联皮层单侧记录一只，右额叶关联皮层单侧记录两只。每个含不同刺激频率的试验持续2分钟：30秒基线期后进行1–60秒刺激（时长取决于刺激频率），随后记录刺激后电位（图1B）。使用刺激发生器（AM Systems Model 2100）向蚓部输送双相方波脉冲（脉宽0.1毫秒）。除单脉冲条件（每5秒一次持续60秒）外，测试频率涵盖所有主要频段：1赫兹（持续30秒，δ频段）、5赫兹（10秒，θ频段）、25赫兹（2秒，β频段）、50赫兹（1秒，γ频段）。三只动物采用刺激频率递增模式（低频到高频），另三只采用随机顺序。测试顺序对功率与相干性指标无显著影响。每种频率以500、750、1000微安强度各进行三次试验（其中一只动物每个强度完成两次试验，见表1）。记录结束后，通过静脉注射过量氨基甲酸乙酯对动物实施安乐死。

表 1.记录地点、每种刺激模式下的试验次数以及每只动物所接受刺激模式的执行顺序。

03.信号处理与分析

记录数据导入MATLAB软件进行分析。采用FIR等波纹低通滤波器（截止频率250赫兹）通过零相位滤波函数进行信号处理。功率谱密度分析（短时傅里叶变换）使用512样本（0.5秒）窗口配合50%重叠的频谱图函数实现，最终获得0.25秒的时间分辨率以解析信号慢成分。构建的时频谱可呈现信号频域特征随时间的变化规律。

东莞市富临塑胶原料有限公司是AM Systems中国代理商，为中国客户提供电生理产品：记录系统、刺激器、膜片钳、电极、电极丝。

在相干性分析中，滤波信号按2秒时长分段。通过幅度平方相干性计算（mscohere函数）评估每对电极间信号（x与y）的频域能量关联度及相位关系一致性，其定义式为：

其中，Pxx(f)和Pyy(f)表示x和y的功率谱密度，Pxy(f)表示交叉功率谱密度。

每个双极记录电极为每个记录位点（RCb、RfrA、LFrA）提供两个单极通道和一个差分记录通道。每个记录位点选择一个通道进行分析。优先选择差分双极记录，但当单极通道相似性导致双极记录功率极低时，改用振幅最大的单极通道。利用所选通道计算RCb-LfrA（对侧Cb-FrA）、RCb-RfrA（同侧Cb-FrA）以及LfrA-RfrA（FrA-FrA）之间的相干性。

功率和相干值在各频段内积分：δ（0.01–3 Hz）、θ（3–8 Hz）、α（8–15 Hz）、β（15–30 Hz）、低γ（30–55 Hz）、高γ（65–80 Hz）、快速（80–200 Hz），并通过除以频段内的频率单元数量进行归一化。为避免60 Hz噪声干扰，剔除55–65 Hz的频率。通过检查频谱图和相干图评估刺激后的时间变化趋势，并将功率和相干值按6秒时段平均。最终得到5个刺激前时段（共30秒）、单脉冲刺激的4个刺激后时段，以及其他条件下8个刺激后时段。刺激后功率和相干值的相对变化均基于每个时段的刺激前均值计算。

新皮质约1赫兹（δ频段）的活动与乌拉坦麻醉下的慢波状态相关，而低幅高频皮质振荡则存在于激活状态。为探究麻醉期间状态变化的影响，我们根据刺激前期皮质通道δ频段功率值将实验划分为慢波状态（阶段1）和激活状态（阶段2）。所有实验的皮质δ频段功率Z值呈直方图分布（图2A），将处于60百分位数以上的实验归类为慢波状态，50百分位数以下的归类为激活状态，50-60百分位数间的视为过渡状态并排除于阶段分析（见示例图2B）。对每只动物建立的两种实验亚组用于验证麻醉阶段是否影响刺激的频率依赖效应。刺激效应通常不会超过2分钟的试验时长，该状态依赖性分析确保仅代表慢波或激活状态的实验被纳入各自分析。

图 2.对慢波状态和激活状态期间记录的试验进行分类。（A）在 30 秒基线期内，所有试验中皮质记录中δ频段功率的 z 分数的直方图。右侧的峰值表示慢波状态下δ功率更高，左侧的峰值表示激活状态下δ功率更低。红色线之间的区域被认定为过渡期，对应于分布的中位数和第 60 百分位数。第 50 百分位数和第 60 百分位数之间的试验被排除在基于阶段的分析之外。（B）在一只动物（大鼠 5 号）中，归类为慢波或激活状态的试验示例（左额叶关联区域的单极记录中绘制了δ频段的功率，并在 x 轴上标明了每次连续试验所测试的刺激频率）。处于阴影蓝色区域内的试验值被排除在分析之外，而位于阴影区域之上和之下的试验分别被分类为慢波或激活状态。SP，单脉冲。

04.统计分析

采用Tibco Statistica软件进行重复测量方差分析。刺激强度对功率无显著影响[某大鼠中每种刺激频率各强度获取2次试验：F(2,288)=1.92，p=0.15]，因此将不同强度的试验按刺激频率合并。刺激顺序对功率[刺激顺序主效应：F(1,230)=0.31，p=0.860；刺激×顺序交互效应：F(4,230)=0.485，p=0.747]或一致性[刺激顺序主效应：F(1,211)=0.008，p=0.927；刺激×顺序交互效应：F(4,211)=0.410，p=0.802]均无显著作用，数据由此合并处理。

初步分析中，以局部场电位（LFP）功率及LFP间一致性为因变量，刺激类型为自变量。针对LFP功率相对于基线的变化值，采用重复测量方差分析（频段分为7类，时间窗口包含1个基线期和4-8个后刺激期，具体数量依条件而定），固定因子为刺激类型（单脉冲、1Hz、5Hz、25Hz、50Hz）和记录位点（小脑右侧、额叶联合区左侧、额叶联合区右侧）。对一致性进行类似分析时额外引入记录位点对（对侧小脑-额叶联合区、同侧小脑-额叶联合区、额叶联合区间）作为固定因子。统计显著性阈值设为p<0.05。

为评估刺激响应的状态依赖性差异，分别对各刺激频率进行重复测量方差分析，检验特定频段内功率或一致性随时间和麻醉阶段（慢波或激活状态）的变化。LFP功率分析基于单个记录位点，一致性分析则针对记录位点对（位点或对比类型作为固定因子）。采用研究人员的事后检验（p<0.05）识别显著交互作用的差异成分。

三、结果

01.自发功率与一致性

在小脑节律性刺激效应评估前，先对各记录位点内的自发局部场电位（LFP）功率及位点间一致性进行分析。所有动物δ频段功率普遍最高，这与乌拉坦麻醉大鼠中观察到的慢波活动特征相符（研究人员报告）。所有位点的基线功率谱均在约2Hz处呈现δ频段峰值，该活动与叠加在慢波上的β、低伽马及高伽马频段活动共存。高频活动在功率测量中不显著，但在一致性分析中清晰可辨。图3A-C示例显示左右额叶联合区间δ频段与低伽马频段活动的同步性特征。

图 3.在右小脑（RCb）以及左、右额叶关联区域（LFrA、RFrA）的基线记录期间所观察到的自发振荡活动及相干性。（A）每个记录点（大鼠 4 号）的局部场电位（LFP）记录图。（B）（A）图中 LFP 信号的放大视图显示，在皮质部位存在慢波振荡活动之上有快速活动。相应的功率谱显示，在慢波活动期间，LFrA 和 RFrA 中的主要节律为 2 赫兹。（C）LFrA 和 RFrA 的相干图显示，在接近 2 赫兹的频率以及低伽马频段（30 - 50 赫兹）存在相干活动的周期。（D）RCb 和 LFrA 的 LFP 轨迹的另一个示例（大鼠 3 号，2 个记录点）。（E）相干图显示在 10 赫兹频率下，在θ/α频段，RCb 和 LFrA 之间存在相干性。 （F）RCb 和 LFrA 的放大 LFP 轨迹显示，在这两个部位都有明显的 10 赫兹活动（线条表示在 E 中记录所获取的时间点）。

局部场电位（LFP）记录还显示存在δ频段活动减弱的时段，此时功率分布更广谱，偶见8-10Hz频段功率与一致性增强。图3D-F示例显示小脑与对侧皮层在α频段（10Hz）的显著相干性，这与小脑及新皮质的电生理研究结果一致（研究人员报道）。新皮质部位慢波活动减弱、高频活动增强的时段符合研究人员提出的激活状态特征。

02.刺激效应分析

初步分析评估了不同刺激频率对所有记录试验中LFP功率及一致性的调控作用。时间×刺激频率交互作用显著[F(16,980)=2.28, p=0.003]，其中50Hz刺激对功率的效应更快显现，单脉冲刺激则呈现延迟效应。刺激类型×记录位点交互作用呈现边缘显著趋势[F(8,245)=1.84, p=0.071]，表现为小脑位点与皮质位点对刺激频率的响应差异；时间×位点交互作用显著[F(8,980)=2.44, p=0.013]，源于小脑位点较皮质位点对刺激的响应更早。整体分析中一致性指标无主效应或交互作用。

03.刺激效应的状态依赖性

初步分析表明小脑蚓部刺激对小脑及皮质LFP活动均存在频率依赖性效应，但慢波状态与激活状态的基线LFP活动差异显著。因此，我们将试验分为慢波（阶段1）与激活（阶段2）状态，采用方差分析分别评估各阶段中刺激频率对特定频段LFP功率及位点间一致性的具体影响。

总体而言，刺激模式对功率的影响强于一致性。1Hz刺激在慢波状态（阶段1）作用更显著，而单脉冲、25Hz及50Hz刺激在激活状态（阶段2）效应更强。图4展示了各刺激频率对所有位点不同频段功率的最大刺激后变化：左侧面板显示慢波活动期间的功率变化，右侧为激活状态变化。不同刺激模式的相对百分比变化数值详见补充材料。

图 4.不同刺激类型对不同频段功率的总体影响（按部位划分）。此处总结了在不同刺激频率下，小脑蚓部刺激所引起的每个频段平均功率的最大增加和减少情况。左侧的图示展示了在慢波状态下进行刺激时，每次试验中相对于刺激前基线的平均功率变化；右侧的图示则展示了激活状态下所引起的功率变化。每个面板右侧的色标表示相对于基线的功率相对变化的百分比；白色表示无显著变化。结果显示了右小脑（RCb；A、B）、右额叶关联区（RFrA；C、D）和左额叶关联区（LFrA；E、F）的局部场电位活动功率。请注意，小脑刺激所引起的功率变化模式取决于是否存在慢波或激活状态。SP，单脉冲；Δ，δ；θ，θ；α，α；β，β；γ，γ。

04.单脉冲刺激

单脉冲刺激（慢波状态：4只大鼠共10次试验；激活状态：3只大鼠共8次试验）对小脑与皮质位点功率产生多种影响，但对小脑-皮质或皮质间一致性无显著作用。总体而言，单脉冲刺激在激活状态（阶段2）对LFP功率的影响更为显著。阶段2的单脉冲刺激使小脑δ、θ频段功率增加，皮质位点则在更广频段（LFrA达低伽马，RFrA至高伽马）出现增强。相比之下，阶段1的单脉冲刺激对各位点功率的影响呈混合性变化，最大功率变化幅度为基线的5%-15%（见图4中Stim-SP部分）。

统计比较显示，δ[F(1,39)=11.21, p=0.002]、θ[F(1,39)=6.65, p=0.014]及β[F(1,39)=5.04, p=0.031]频段均存在状态主效应，且阶段2的变化更为显著。在阶段1，小脑及RFrA的δ功率降低；而在阶段2，所有位点的δ功率均上升。θ、β频段的状态主效应同样源于阶段2的功率增强（尤其是RFrA）。单脉冲刺激因此在激活状态下诱发最广泛的皮质功率增强（见图4D、4F）。此外，δ[F(2,39)=3.87, p=0.029]、θ[F(2,39)=4.80, p=0.014]及β[F(2,39)=3.75, p=0.032]频段存在位点主效应，其中RFrA变化最显著。总体而言，单脉冲刺激后RFrA功率增幅最大，且多集中于激活状态。

05.1 Hz刺激

1 Hz刺激对慢波状态功率的影响显著强于激活状态（图4中Stim-1 Hz部分）。阶段1各频段功率存在多重变化，但阶段2变化极少。一致性分析中未发现主效应或交互作用。

阶段1的1 Hz刺激使小脑右侧（RCb）α、β频段功率增加，但阶段2θ频段功率降低。LFrA在阶段1θ、α、β及高伽马频段功率减弱。RFrA低频段（δ、θ、α、β）功率降低，高频段（低伽马、高伽马及Fast频段）功率增强（见图4C），变化幅度从δ频段33%的降低至低伽马频段15%的增加。图5展示慢波状态（图5A、5C）和激活状态（图5B、5D）下1Hz刺激的LFP轨迹及功率谱示例，以及δ（图5E）与低伽马（图5F）频段功率相对于基线的平均百分比变化（慢波状态：4只大鼠7次试验；激活状态：6只大鼠14次试验）。这些状态依赖性效应得到统计支持：δ频段存在状态×位点交互作用[F(2,45)=5.31, p=0.009]，表现为阶段1 RFrA功率降低；θ频段交互作用[F(2,45)=3.52, p=0.038]则显示阶段1双侧额叶联合区功率减弱。总体而言，RFrA的跨状态变化最大，表明慢波状态下的1Hz刺激可将LFP活动向高频段迁移（0-30Hz活动降低，30-200Hz活动增强）。

图 5. 在慢波状态期间以 1 赫兹的频率进行 30 秒的刺激会降低右额叶关联区（RFrA）的δ波活动，并增加低伽马波活动。 （A、C）示例显示，在垂直红色虚线之间的 1 赫兹刺激后，右额叶关联区的慢波活动显著降低（A，大鼠 2），或者慢波活动有较为适度的降低（C，大鼠 6）。功率谱显示，从刺激前（预刺激，黑色线）到刺激后（刺激后，绿色线），δ频段的功率相应降低。 （B、D）在激活状态下，1 赫兹刺激对右额叶关联区的δ频段功率没有显著影响。示出了两个动物（B，大鼠 2；D，大鼠 4）的局部场电位轨迹及其对应的功率谱，这些动物在刺激后几乎没有变化。 （E、F）显示了相对于基线的平均功率变化百分比，该数据来自一组动物（慢波状态：4 只大鼠的 7 次试验；激活状态：6 只大鼠的 14 次试验），分别针对δ频段（E）和低伽马频段（F）在所有三个记录点进行测量。在刺激后的八个 6 秒时间窗口内（分别为 Post1 至 Post8）展示了相关结果。在快速眼动睡眠期（RFrA）中，δ波段的功率降低以及低伽马波段的功率增加仅出现在慢波状态期间（蓝色线条所示）。

06.5 赫兹刺激

5赫兹刺激（慢波状态：3只大鼠共8次试验；激活状态：4只大鼠共8次试验）在阶段1和阶段2均引发显著的功率变化，但一致性指标无主效应或交互作用。在阶段1，5赫兹刺激主要导致功率下降（皮质位点的高频段如β、低伽马、高伽马及Fast频段；小脑位点的高伽马及Fast频段）。阶段2中，不同位点各频段的功率呈现增减分化（见图4中Stim-5 Hz部分）。低伽马频段存在时间主效应[F(8,288)=2.47, p=0.013]，表现为Post4时间窗功率显著降低，即刺激后约25秒时30-55Hz振荡功率的快速衰减。β频段存在状态×时间交互作用[F(8,288)=2.12, p=0.034]，阶段2各时间窗（除Post3外）的β功率均高于阶段1。总体而言，慢波状态下5赫兹刺激降低了皮质位点的高频（15–200Hz）功率。

07.25 赫兹刺激

25赫兹刺激在激活状态下对功率及一致性的作用更强。阶段2中，所有位点的δ频段功率大幅增加（RFrA：66%，LFrA：13%，RCb：41%），LFrA的θ频段及RFrA的θ、α、β和低伽马频段功率也出现增强。阶段1的25赫兹刺激则降低了皮质高频段功率（LFrA：30–200Hz；RFrA：15–200Hz）。因此，25赫兹刺激对皮质LFP活动具有显著状态依赖性效应：激活状态下低频活动增强，慢波状态下高频活动抑制（见图4C-F中Stim-25 Hz部分）。图6进一步展示了这种状态依赖性效应：阶段1与阶段2的LFP轨迹及功率谱示例（图6A-D）显示，激活状态下δ（图6E）、θ（图6F）及低伽马（图6G）频段功率相对于基线平均百分比变化（慢波状态：4只大鼠7次试验；激活状态：5只大鼠7次试验）。

图 6.在皮质区域，以 25 赫兹的频率进行 2 秒的刺激会增加激活状态下低频带的功率，并降低慢波状态下低伽马活动的水平。 （A、C）在慢波状态下，右侧额叶关联区域（RFrA）（A）和左额叶关联区域（LFrA）（C）的局部场电位（LFP）轨迹和功率谱图显示出对 25 赫兹刺激没有明显反应（垂直红色虚线；大鼠 5 号）（因为高频处的清晰峰值很少可见）。 （B、D）在激活状态下，RFrA（B）和 LFrA（D）的 LFP 轨迹和功率谱图显示，刺激后在δ频段的功率有所增加（刺激后，绿色线）与刺激前（黑色线；大鼠 4 号）相比（E-G）。 对于基线的平均百分比变化，显示了该组动物（慢波：来自 4 只大鼠的 7 次试验；激活状态：来自 5 只大鼠的 7 次试验）在δ频段（E）、θ频段（F）和低伽马频段（G）的功率变化情况。 结果显示了刺激后 8 个 6 秒的时间窗口（Post1-Post8）。在激活状态下，δ和θ频段的功率有所增加（红线所示），而低γ频段的功率在慢波状态下有所降低（蓝线所示），这一降低更为明显。

25 赫兹刺激的状态依赖性效应体现在以下频段的状态主效应：δ [F(1,30)=13.81, p=0.001]、θ [F(1,30)=10.78, p=0.003]、β [F(1,30)=5.96, p=0.021]及Fast [F(1,30)=5.56, p=0.025]频段，且阶段2的功率增幅更大。δ频段的状态×时间交互作用[F(8,240)=2.21, p=0.028]显示，阶段2多个时间窗（Post3-6）的功率增强更显著，表明激活状态对25Hz刺激更敏感。β [F(8,240)=2.44, p=0.015]、低伽马 [F(8,240)=1.98, p=0.049]、高伽马 [F(8,240)=3.68, p=0.001]及Fast [F(8,240)=4.33, p=0.00007]频段存在时间主效应，表现为刺激后高频功率普遍下降。δ频段的时间×位点交互作用[F(16,240)=2.33, p=0.003]显示，小脑位点早期功率上升，而RFrA后期功率增强。

25Hz刺激对一致性的分析显示，β频段存在状态主效应[F(1,24)=6.61, p=0.017]，阶段2的一致性增幅更高。β频段的状态×对比类型交互作用[F(2,24)=4.84, p=0.017]表明，对侧小脑-额叶联合区（contra Cb-FrA）的跨阶段差异最显著。因此，25Hz刺激在激活状态下（尤其在contra Cb-FrA对比中）可显著增强β频段一致性（阶段2增加，阶段1降低），表明激活状态中25Hz刺激能够引导并同步小脑-皮质网络的β频段活动。

08.50 赫兹刺激

总体而言，50赫兹刺激（慢波状态：4只大鼠共9次试验；激活状态：5只大鼠共9次试验）对激活状态功率的影响更为显著，且功率变化仍比一致性更显著。激活状态下所有位点的δ功率均增加，阶段1小脑右侧（RCb）功率剧增80%。阶段1的LFrA在α、β及高伽马频段功率增强，而阶段2的3-30Hz频段功率降低（见图4中Stim-50 Hz部分）。

δ频段存在状态主效应[F(1,36)=6.47, p=0.015]，阶段2的功率增幅更大，提示激活状态在0-3Hz范围内响应最显著。δ频段的状态×时间交互作用[F(8,288)=2.11, p=0.035]显示，两阶段在Post1时间窗功率均上升，但阶段1随后小幅回落至基线以下，阶段2则持续升高。δ频段的时间×位点交互作用[F(16,288)=2.06, p=0.010]表明小脑位点受刺激影响更早且更强。低伽马频段的状态×位点交互作用[F(2,36)=4.18, p=0.023]进一步显示小脑功率变化幅度超过皮质位点，表明50赫兹刺激对小脑位点的效应具有最显著的状态依赖性差异。

一致性分析显示，高伽马频段存在时间主效应[F(8,248)=2.49, p=0.013]，表现为早期一致性上升后轻微下降。对高伽马频段的状态×位点×频率交互作用深入分析发现，50赫兹刺激后同侧小脑-额叶联合区（ipsi Cb-FrA）及额叶联合区间（FrA-FrA）一致性增强，而对侧小脑-额叶联合区（contra Cb-FrA）一致性减弱。

四、讨论

研究显示，小脑通过与前额皮质的相互作用在认知功能中发挥关键作用。慢波与快振荡节律均可能介导小脑与皮质的交互协同，而节律性小脑刺激已被探索作为部分疾病的治疗手段。本研究通过乌拉坦麻醉模型，系统评估了不同节律的小脑蚓部刺激对小脑及皮质局部场电位（LFP）的调控作用。结果表明：小脑刺激对LFP频谱特征的影响具有频率特异性，高频刺激（25及50赫兹）可增强小脑-皮质网络一致性；蚓部刺激的效应高度依赖网络初始状态，慢波与激活状态下的皮质响应模式差异显著。

小脑蚓部刺激在慢波与激活状态下对半球LFP产生不同作用：单脉冲与50赫兹刺激在两种状态下诱发δ频段功率反向变化（见图4A、4B）。低频刺激对慢波状态低频带功率影响多样，而高频刺激（5、25、50赫兹）可有效抑制低伽马及以上频段活动，此效应在慢波期最显著。此外，25及50赫兹刺激可同步增加δ频段功率。

蚓部刺激对前额叶皮层局部场电位的影响会因初始状态产生显著差异。在慢波状态下，5Hz和25Hz刺激会大幅降低双侧额叶关联区β至快速频段的功率。1Hz刺激同样效果显著：右侧额叶关联区δ-β活动降低，而低γ-快速活动增强。但在激活状态下，单脉冲及5Hz、25Hz、50Hz刺激会引起δ-β频段的整体功率上升。

01.刺激效果的态依赖性

本研究主要发现刺激效应受乌拉坦麻醉阶段影响。这凸显了初始振荡状态在决定目标结构对不同频段局部场电位振荡变化和夹带效应的敏感性方面具有重要作用。先前针对人类、猫类和啮齿类动物的蚓部刺激研究显示，低频刺激主要影响慢波活动，而高频刺激可增强快波频段活动。本研究通过多频段刺激实验，证实了基线振荡状态对刺激效果的调节作用。

0101.刺激效应的传导通路

小脑与前额叶皮层通过小脑-丘脑-皮质通路和皮质-桥脑-小脑通路形成双向解剖连接，但节律性小脑输出如何调节皮层活动仍未明确。针对小脑蚓部的刺激可能经由顶核投射至丘脑到达前额叶皮层。位于小脑最外层的浦肯野细胞激活可引起小脑输出信号改变，进而调节深部小脑核团活动。由于浦肯野细胞对深部核团的输入具有抑制作用，高频刺激引发的浦肯野细胞过度激活会抑制深部核团的紧张性活动，从而减少丘脑的兴奋性输入。但深部核团神经元可能表现出回弹兴奋现象，这种通过丘脑激活小脑外区域的过程可能是由核团内部的回弹兴奋所介导，该现象在丘脑、皮层和深部核团神经元中均有报道。

刺激初期抑制效应终止后，T通道激活引发的钙离子内流会导致缓慢性回弹动作电位。蚓部电刺激引起的顶核超极化可在超极化结束后100毫秒内引发深部核团的回弹脉冲簇。若这些脉冲通过混合阳离子电流（Ih）实现同步化，振荡便可形成并传导至丘脑-皮质通路。因此，不同振荡模式的产生不仅取决于刺激强度和频率，还与神经元内在兴奋性和节律性调节因素相关。当高频刺激通过回弹兴奋机制影响振荡时，神经元初始状态会显著改变输入效应，这与本研究发现的25Hz和50Hz高频刺激在激活状态下效果更显著、1Hz低频刺激对慢波状态影响更强的态依赖性特征相一致。

低频刺激则可能降低浦肯野细胞活性，减少对顶核的抑制性输入，从而增强丘脑的兴奋性驱动。研究发现小脑皮层单脉冲刺激可在刺激后约8ms内短暂提升神经元放电概率，但不改变深部核团神经元放电频率。尽管具体机制尚不明确，这种对放电时序的调控可在无回弹兴奋的情形下实现。

本研究中的蚓部刺激能有效调控小脑-皮层网络活动。然而，根据观察到的改变持续时间，这种刺激不太可能诱发长时程增强效应。现有研究表明，需在小脑皮层最表层的平行纤维施加高频刺激（100Hz、15脉冲/组、总计1500脉冲）才能诱导平行纤维与浦肯野细胞突触的长期增强。相比之下，本研究的脉冲总量尚不足以引发持久突触可塑性改变。

0102.皮层效应

研究结果显示刺激效应具有状态依赖性。在乌拉坦麻醉大鼠中，局部场电位活动呈现与睡眠周期相似的节律波动。慢波状态下施加5Hz、25Hz和50Hz刺激会显著降低快频段皮层功率，而激活状态下相同刺激则增强慢频段功率，不同状态间最受影响的频段呈现明显差异。脑初始状态对刺激效应的影响已在人类和大鼠研究中得到验证，相关实验采用经颅磁刺激或直接皮层刺激等干预方式。

1Hz与25Hz刺激可作为状态调控的典型案例。慢波状态下的1Hz刺激可增强30-200Hz频段功率，同时抑制0-30Hz频段活动，但激活状态下该频段刺激无显著皮层效应。1Hz刺激的作用机制可能与小脑皮层干扰丘脑介导的慢波活动生成有关，这种现象具有状态特异性。丘脑-皮层网络的δ活动源自丘脑与皮层振荡器的交互作用，光遗传学刺激显示1Hz是诱发皮层慢波的最佳频率。对精神分裂症模型的研究发现，2Hz小脑投射刺激可恢复内侧前额叶皮层δ活动正常水平，提示小脑调控皮层δ活动的阈值频率具有脑状态依赖性。

相反地，25Hz刺激在慢波状态下会削弱15-200Hz快频段功率，而在激活状态下诱发0-55Hz频段功率增强。该现象与高频顶核刺激诱发的皮层节律重构具有可比性：采用300Hz刺激可减弱慢波节律并增强额叶皮层20-40Hz活动。本研究虽未观测到高频刺激对慢波活动的抑制效果，但在激活状态下观察到β/γ频段功率升高。不同研究结果的差异可能与麻醉剂类型、物种特异性传导速度等因素相关。对中风模型大鼠的研究显示，30-50Hz小脑核团刺激可提升对侧皮层兴奋性，这与本研究25Hz刺激在激活状态下的调控效果具有一致性。现有证据表明，前额叶皮层网络具有产生β/γ节律的固有属性，这些频段活动可受小脑输出信号调控。

0103.小脑效应与最小化脑区同步改变

本研究通过多频段刺激验证了模式化刺激能否诱导小脑特异性频率节律。在慢波状态下，1Hz和50Hz刺激对小脑振荡活动具有更强调控作用：该频率刺激可显著增强8-30Hz频段功率（对应小脑颗粒细胞层基础振荡范围），此效应可能通过平行纤维等投射通路直接或间接介导。50Hz刺激还额外诱发δ频段功率激增，可能与刺激序列的短暂特性相关——当刺激时序与小脑慢节律上升相位同步时，可通过平行纤维对多小脑单元产生同相激活。在激活状态下，25Hz和50Hz刺激主要调控小脑0-8Hz频段活动，该现象可能与慢节律时相特异的兴奋性脉冲增强有关。此外，5Hz刺激可提升θ频段功率，可能影响小脑固有θ相关振荡模式。

研究结果显示刺激主要影响各频段功率参数，而对小脑-皮层同步性改变有限。多模态实验证据显示，小脑与感觉运动皮层在体感监控任务中呈现α/β频段同步活动，前额叶内侧皮层与小脑5-12Hz局部场电位同步性与眨眼条件反射的习得过程相关。杏仁核、海马、前额叶内侧皮层与小脑的协同作用对条件反射等习得行为至关重要。动物实验表明，γ频段同步性对感觉运动皮层信息传递具有重要作用：小脑失活会显著破坏该频段同步性。最新研究还发现浦肯野细胞简单放电时序与皮层节律振荡存在同步关联。

针对同步性效应未达显著水平的现象，首要考虑麻醉状态的影响。尽管乌拉坦麻醉保留神经网络振荡特性，但其大尺度振荡模式与清醒状态存在本质差异。本实验记录中同步活动广泛存在（见图3），慢波状态占比超过总时长的70%（见图2）。值得关注的是，强慢波背景可能掩盖同步性调控效应——深麻醉状态下丘脑皮层回路通过隔离机制维持皮层网络免受外部干扰的特性，可能与睡眠状态具有相似性。该机制或通过功能抑制过程优化神经计算效能，表现为同步活动对外界输入的滤波作用。

另一潜在制约因素是前额叶记录电极与小脑刺激电极的空间定位精度。通过诱发电位评估皮层最佳响应区域的空间配准方法，可能有助于优化电极阵列排布并提升同步位点的识别效率。

02.小脑刺激对前额叶皮层网络的调控机制

近数十年来，前额叶皮层参与的大脑-小脑环路研究持续深化。早期研究聚焦感觉运动环路内的大脑-小脑交互机制，同步开展的神经心理学测试则逐步证实小脑的认知功能属性。脑成像技术的进步揭示了小脑在认知功能中的重要作用，灵长类解剖学研究亦证实小脑与前额叶皮层存在精密功能连接，这些连接可能是认知相关大脑-小脑环路的物质基础。小脑-大脑多环路系统调控着感知、运动及思维过程。

尽管啮齿类前额叶皮层的功能定义尚存争议，但实验证实其具有执行功能等复杂认知属性。电生理学研究发现，前额叶内侧皮层刺激可诱发小脑诱发电位及细胞反应，顶核刺激亦可调控前额叶神经活动。此外，行为学实验观察到θ频段定向同步模式在主动运动期间尤为显著，提示该通路可支持小脑-大脑信息传递。本研究通过多频段刺激实验，进一步揭示了小脑节律对皮层网络振荡及同步活动的调控规律。

小脑刺激对大鼠小脑-前额叶环路活动的影响仍有待探索，其潜在的神经通路和机制可通过该模型进行研究。本研究发现，即使处于麻醉状态下，小脑-皮层网络的相互作用仍能通过小脑刺激进行调节。采用多部位多电极方法可通过诱发响应和/或单位放电来增强对神经通路时空特性的精细化定位。这种方法还能监测诱发突触响应与脑电节律及状态变化的关联，从而揭示振荡过程中突触通路的强度特征。未来研究可探讨觉醒状态下动物在行为或静息时小脑刺激的影响，这需要借助能追踪网络快速变化（如相位同步分析）的方法来研究更小时空尺度下的振荡与同步网络。初始振荡或激活状态预计会对刺激效果产生显著影响：在激活状态下，单脉冲或25 Hz重复脉冲的小脑刺激能最佳地提升δ-γ频段活动，这可能与皮层跨频段耦合同步现象类似。探索觉醒行为动物中跨频段嵌套节律的生理效应也将具有科学价值。鉴于小脑参与高级认知功能，理解小脑-大脑环路的运作机制及其对刺激的响应模式，不仅对揭示其生理基础至关重要，也为开发治疗多种疾病的新方法提供理论依据。

东莞市富临塑胶原料有限公司是AM Systems中国代理商，采购AM Systems电生理产品（记录系统、刺激器、膜片钳、电极、电极丝）请立即联系我们。

公司地址：广东省东莞市樟木头镇塑金国际1号楼810

发布于：河南省