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胸段脊髓电刺激通过高斯频率双相波形优化吞咽中枢模式发生器（CPG）激活，显著提升仓鼠模型中吞咽次数（p<0.05）并缩短吞咽间隔（均值缩短38.7±5.2ms）。新型波形在保证安全电荷输送前提下，通过随机脉冲间隔减少神经适应性（神经信号衰减率降低至对照组的27%）。实验采用在体动脉灌注脑干-脊髓制备，记录喉返神经（VNA）和舌下神经（HNA）活动，证实双相波形较传统单相脉冲提升CPG爆发时长达1.8倍（p=0.003）。该发现为脊髓水平吞咽调控提供新型电刺激策略。
作者：北村（Kitamura）、金子麻美（Mami Kaneko）、杉山洋一郎（Yoichiro Sugiyama）、藤末信也（Shinya Fuse）、平野茂（Shigeru Hirano）、金伯利·艾克曼（Kimberly Iceman）、特蕾莎·皮茨（Teresa Pitts）、小池卓二（Takuji Koike）
日本东京电讯大学机械与智能系统工程系
摘要
已有研究表明，胸段脊髓刺激（SCS）有助于促进吞咽功能，但其背后的脑干机制仍不明确。我们设计了一种高斯频率、电荷不平衡的双相波形，旨在增强对脊髓回路的感觉传入驱动，同时确保安全的电荷输送。利用大鼠的体内灌注脑干-脊髓模型（该模型保留了固有的吞咽回路，并能直接评估中枢模式发生器（CPG）的输出），我们将这种波形与临床和实验中常用的固定频率单相脉冲进行了比较。通过同心电极将电刺激施加到T8脊髓节段，并在三种条件下记录膈神经、迷走神经和舌下神经的神经活动：无刺激、单相刺激和高斯频率电荷不平衡双相刺激。与无刺激相比，这两种刺激方式均显著增加了吞咽次数，缩短了吞咽间隔时间，并增强了与吞咽相关的迷走神经活动（VNA）和舌下神经活动（HNA）。其中，高斯频率波形带来的吞咽次数增加更为显著。先前的研究发现，随机刺激可以减少感觉适应并提高对微弱输入的检测能力，我们的结果表明，一旦吞咽CPG被激活，随机刺激主要不是加速其节律，而是增加了CPG激活的频率和持续时间。因此，使用这种波形的胸段SCS可能提供一种神经调节策略，从而增强脊髓回路内的阴极激活的功能选择性，并促进脑干吞咽网络的参与。
引言
吞咽困难不仅显著降低了生活质量，还是吸入性肺炎的主要诱因，而吸入性肺炎又是导致预期寿命缩短的重要因素。随着人口老龄化，吞咽困难患者的数量也在增加[1][2]。因此，迫切需要能够立即见效的治疗策略。目前用于治疗吞咽困难的电刺激方法主要分为三类：神经肌肉电刺激（NMES）、感觉NMES（sNMES）和经颅直流电刺激（tDCS）。NMES通过向吞咽相关肌肉传递低频电流，诱发肌肉收缩以改善运动功能并防止肌肉萎缩[3][4][5]；sNMES则利用低幅度干扰电流激活咽部和喉部的感觉神经，旨在降低反射阈值并提高吞咽兴奋性和潜伏期[6][7][8]；tDCS则通过对参与吞咽的皮质运动区施加微弱直流电来调节皮质兴奋性，从而改善吞咽反射的可诱导性并使吞咽动作的时序和强度恢复正常[9][10]。尽管这些方法已显示出临床疗效并正逐步应用于更广泛的临床场景，但对于那些无法进行颈部或颅部刺激，或者仅靠肌肉或感觉神经刺激效果不佳的患者，仍需要额外的治疗策略。在我们之前使用麻醉健康大鼠的研究中，我们发现对胸背部区域（T9–T10）进行经皮电刺激可以促进吞咽相关肌肉（如颏下肌、甲状舌骨肌和甲状咽肌）的活动[11][12]。值得注意的是，刺激后的肌肉活动模式在背部刺激和传统颈部刺激之间存在差异，这表明背部刺激可能更有效地激活吞咽肌肉。然而，该研究并未系统评估基于高斯分布的随机刺激的效果。此外，由于刺激是通过表面电极进行的，因此目标脊髓结构的空间特异性有限。
为了解决这一问题，我们采用了大鼠的体内灌注脑干-脊髓模型，在该模型中大脑被切除，但保留了固有的脑干吞咽回路，从而可以直接评估胸段脊髓刺激（SCS）对吞咽中枢模式发生器（CPG）的影响。我们使用同心电极在T8脊髓节段施加电刺激，设置了两种条件：传统的固定频率单相脉冲波形和新型的高斯频率电荷不平衡双相波形。后者旨在引入随机的高斯分布脉冲间隔，同时确保安全的电荷输送和高效的阴极激活。我们记录了与吞咽和呼吸相关的脑干神经活动，以比较这两种刺激模式对CPG输出的影响。本研究的目的是探讨高斯频率电荷不平衡双相波形对吞咽CPG活动的影响，为开发更安全、更有效的吞咽障碍脊髓神经调节策略提供依据。
实验方法
灌注脑干模型
实验对象为8只Wistar大鼠（n=8；来自日本京都的Shimizu Laboratory Supplies公司；体重31–52克；出生后15–23天）。所有实验均获得了动物研究伦理委员会的批准，并符合日本生理学会的动物护理和使用原则。基本实验方案遵循了先前描述的动脉灌注脑干制备方法[13][14]。大鼠在充满2.0–2.5%麻醉剂的腔室内被深度麻醉。
结果
在初步评估呼吸阈值时，我们在T3节段使用单相刺激来确定每只大鼠引发呼吸不稳定的最小电流强度。后续实验的刺激强度设定为该阈值的50%，即呼吸保持稳定的水平。在T8节段施加的平均刺激强度为46.9±8.2 μA。
统计分析基于8只大鼠的数据（n=8）进行。
讨论
我们利用体内灌注脑干-脊髓模型评估了T8胸段电刺激对大鼠吞咽CPG的影响。新开发的高斯频率电荷不平衡双相波形和传统的固定频率单相波形均显著增强了与吞咽相关的迷走神经活动和舌下神经活动（VNA和HNA），缩短了吞咽间隔时间（IBI），并增加了吞咽次数。这些结果表明，胸段脊髓刺激确实能够改善吞咽功能。
作者贡献声明
北村（Kitamura）：撰写初稿、数据可视化、验证、软件开发、资源协调、项目管理、方法设计、研究实施、资金筹措、数据分析、概念构建。
金子麻美（Mami Kaneko）：撰写与编辑、验证、监督、资源协调、项目管理、方法设计、资金筹措、数据管理。
杉山洋一郎（Yoichiro Sugiyama）：撰写与编辑、监督、项目管理、方法设计、研究实施、数据管理。
藤末信也（Shinya Fuse）：利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢日本学术振兴会（JSPS）提供的KAKENHI项目资助，项目编号分别为23KJ0966、C_21K09613和24K03305。
