深部腦刺激（DBS）中常用的電脈沖高頻刺激（HFS）已在多種腦疾病的治療中取得良好療效。研究HFS期間刺激下游神經元動作電位發放及其與刺激脈沖之間關系的動態變化，對于揭示DBS的作用機制、開發閉環刺激等新型刺激模式都具有重要意義。為了直觀地展示HFS期間（尤其在HFS起始階段）神經元活動的動態變化，本文設計了一種二維光柵圖，將HFS期間神經元的動態活動圖示化，并研究了光柵圖分辨率的變化對圖示化效果的影響。研究發現，利用該光柵圖研究大鼠海馬CA1區軸突HFS的作用，能夠直觀地展現周期性脈沖刺激期間單個神經元動作電位（即鋒電位）的鎖相性和潛伏期等指標隨時間的動態變化。并且，還可以直觀地比較刺激啟動前、后的鋒電位發放變化，清晰地顯示緊隨HFS結束后的鋒電位發放靜息期等其他信息。此外，通過調整分辨率，該光柵圖可以適應發放強度不同的神經元活動的圖示化。與常規光柵圖相比，新設計的光柵圖提供的信息更多，圖像更清晰，為研究高頻腦刺激過程中神經元的活動提供了一種新工具。
目前，常規神經電刺激產品僅提供可預設參數的恒定刺激模式，而新型時變刺激模式是拓展神經電刺激產品臨床應用的重要研究方向之一。為了便于在動物實驗中施行時變的電刺激，本研究設計利用LabVIEW軟件，控制通用的數據采集卡和電刺激器，構建了可輸出各種實時變化的脈沖序列集成刺激系統。它可以產生具有均勻、正態、伽馬和泊松等特定分布的時變脈沖間隔（IPI）脈沖序列，也可以產生其他任意時變IPI脈沖序列。此外，脈沖幅值、脈寬、雙相脈沖相間延時和脈沖序列時長等參數可調。該刺激系統的性能測試結果顯示，其輸出脈沖序列各種參數的誤差均小于1%。利用此系統生成間隔在5~10 ms范圍內隨機時變的脈沖序列，并用于大鼠海馬腦區進行動物實驗。實驗結果顯示，即使平均脈沖頻率同樣為130 Hz左右，隨機變頻刺激對于神經元群體的興奮作用顯著強于恒定頻率刺激。總之，本文設計的刺激系統可為研究和開發新型神經電刺激模式提供有用的工具。
癲癇的典型特征是神經元群體產生異常同步發放，在記錄的神經電信號中呈現為癇樣棘波。為了定量分析癲癇發生時的癇樣棘波，本文設計了一種基于窗口的檢測法用于自動檢測大鼠海馬 CA1 區急性癲癇模型的棘波信號，即群峰電位（PS），并計算其特征參數。實驗結果表明，在鉀離子通道拮抗劑 4-氨基吡啶（4-AP）和 γ-氨基丁酸 A 型受體拮抗劑印防己毒素（PTX）誘導的癲癇模型中，該算法可直接從原始寬頻帶記錄信號中正確識別 PS 波。兩種模型中的 PS 檢出率分別為 94.2%±1.6%（n=11）和 95.9%±1.9%（n=12），且誤檢率分別為 3.5%±2.3%（n=11）和 4.8%±2.3%（n=12），遠小于普通閾值法的誤檢率。比較 4-AP 和 PTX 模型的 PS 波特征，結果顯示：4-AP 誘導的 PS 波具有較寬的波形，發放較分散，發放間隔主要分布于 100～700 ms 范圍內。而 PTX 誘導的 PS 則呈現爆發式發放，發放率較高，發放間隔主要分布于 2～20 ms 范圍內，使得每秒 PS 幅值之和顯著大于 4-AP 模型。因此，PTX 模型的神經元群體同步發放活動比 4-AP 模型要強烈。總之，該棘波檢測新算法可以正確識別和分析癇樣棘波，為癲癇發生機制的研究和癲癇治療新方法的評估提供了一種有用的數據分析工具。
臨床上，已將深部腦刺激（DBS）技術成功應用于治療多種腦部疾病。近年的研究推測，DBS 技術使用的電脈沖高頻刺激（HFS）可以改變神經元動作電位的病理性節律發放，這可能是 DBS 治療腦部疾病的重要機制之一，但是這種推測尚需實驗數據的證實。本文在已麻醉的大鼠海馬 CA1 區的輸入軸突束薛氏側支（Schaffer collaterals）施加時長為 1 min、頻率為 100 Hz 的 HFS，并分析刺激下游 CA1 區的錐體神經元和中間神經元的鋒電位，考察兩種神經元的節律性動作電位發放的變化情況。結果顯示，麻醉大鼠 CA1 區的場電位存在明顯的 θ 節律，且在頂樹突層尤其明顯，而神經元鋒電位與 θ 節律存在鎖相關系。與此基線記錄相比較，在 HFS 期間，錐體神經元的鋒電位與頂樹突層 θ 節律的鎖相值從 0.36 ± 0.12 顯著減小至 0.06 ± 0.04（P < 0.001，配對 t 檢驗，N = 8）；中間神經元鋒電位的鎖相值也從 0.27 ± 0.08 減小至 0.09 ± 0.05（P < 0.01，配對 t 檢驗，N = 8）。兩類神經元與胞體層 θ 節律的鎖相關系也有類似改變。此結果表明，對軸突束施加 HFS 可以消除下游神經元動作電位發放與場電位 θ 節律之間的鎖相關系，改變神經元的節律性發放模式。這種現象產生的機制可能是 HFS 誘導的軸突傳導障礙，此發現對于深入研究 DBS 的作用機制具有重要的意義。