機械性定量刺激在大鼠大腦皮質電位分布之研究
計畫編號：NSC 91-2213-E-002-119
執行期限：91 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日
主持人：趙福杉 台灣大學醫學工程研究所
兼任助理：簡嘉男、蔡曜至、鄧子塏
一、中文摘要
本計畫以定量之機械性刺激與電刺激施 加於大鼠尾部，並在其大腦皮質的體感覺 區進行場電位及其電流源密度之分析。 令人吃驚的結果是在大腦皮質上機械性 刺激的反應中心與電刺激的反應中心十分 吻合，這個現象與先前在視丘所得到的結 果不同，在視丘部位兩者之反應中心並不 一致，致於其原因則尚待更進一步地探 討。此外大腦皮質具有清楚的體感覺對 應，電流源密度分析所得之反應約略可以 一偶極來表示，這意味皮質的 SI 區之功能 是用來定位刺激之位置。 關鍵詞：場電位、電流源密度、機械性刺 激、電刺激Abstract
Quantitative mechanical and electrical stimuli were applied on the tail of the rat and the evoked responses in the somatosensory area of the cerebral cortex were recorded. Current source density of the FPs is used to find responsive regions.
The results show that the response centers obtained from mechanical stimuli match well to those from electrical stimuli. This
finding, although surprising, is quite different from the recordings in the thalamus. The reason is still under investigation. The somatotopic organization in the SI area is clearly shown from the data recorded. From current-source-density analysis a dipole could be used to represent the response of a
stimulus in the SI area. Hence, it is suggests that the function of SI in the cerebral cortex is to locate the stimulus. Keywords: field potential, current source
density, mechanical stimulus, electrical stimulus
二、前言
近年來本實驗室一直致力於體感覺神經 系統之研究，其目的不外乎希望能了解大 腦認知之奧秘。在先前的計畫中我們開始 以研究髓鞘神經纖維的反應為出發點，第 一次以自然型式機械性的刺激器來誘發觸 覺在大鼠視丘的反應，其結果証明了電刺 激無法替代自然型式的刺激，基於大腦皮 質是體感覺信號最高的處理中心，因此在 從事視丘及脊神經背根多年之研究後，我 們將領域拓展至大腦皮質，以期能連貫及 追蹤三級感覺神經信號之傳遞路徑與對傳 入信號之處理方式，並比較電刺激與定量 機械性刺激在大腦皮質誘發反應之差異。二、方法
整個計畫之動物實驗方法可參閱之前的 報告在此不再詳述。 以單根之玻璃微電極配合放大器在大腦 皮質的體感覺區內進行由表面至第六層 (layer Ⅵ)的記錄，並使用在各方向具有 10 µm 空間解析度的微推進器(micro manipulator)作為定位之工具，作三度空 間之掃描，目的是找出大鼠尾部的拓樸圖 (Topographic mapping)。三、結果
反應區域 實驗開始時須先找尋尾巴在大腦皮 質的代表區域，由初步實驗利用玻璃棒觸 碰的方式得知，尾巴在皮質的區域大約在2 AP 方向從 1.5 mm 至 2.0 mm 之間，而在 ML 方向則自 1.5 mm 至 2.0 mm 之間，且為了 代表性，場電位信號記錄於反應最大之平 面。比較不同平面的場電位波形可以發 現，大腦皮質表面以下 500μm 的信號反應 最大(參見圖 1)，因此固定此深度記錄場電 位 信 號 而 得 到 此 平 面 （ horizontal section）之場電位。 電刺激與機械性刺激反應的比較 在確定皮質區尾部之位置後便開始 進行三度空間逐點之記錄，至於電刺激與 機械性刺激所得到的場電位波形（經由 50 次平均）則如圖 2C 所示，可明顯的看出在 最大反應的時間上機械性刺激的反應有明 顯的延遲發生，機械性刺激的反應較電刺 激慢了約 7 ms。為了找出此延遲發生的原 因與位置，於是便進行機械性刺激器的儀 器校正及背根神經的記錄，主要記錄傳遞 觸覺信號的 Aβ纖維之神經複合動作電位。 扣除機械性刺激器因機電轉換所造成的延 遲時間(約有 2 ms)其間的時間延遲約有 5 ms。 電流源密度分析 電流源密度分析所得的結果如圖 3 所 示，右側為代表電流源密度強度之顏色對 照。圖 3 的電流源密度分析可以清楚的顯 示離子進出的位置，也就是反應的中心。 由圖可知，電刺激所造成之反應中心，汲 極（藍色）位於 AP 為 1.8 mm、ML 在 1.8 mm 及 2.0 mm 處，源極（紅色）位在 AP 為 1.9 mm 而 ML 在 1.8 mm 及 2.0 mm 處。而機械性 刺激的反應中心，汲極位在 AP 為 1.8 mm、 ML 2.0 mm 處，源極則位於 AP 為 1.7 mm、 ML 在 2.0 mm 及 AP 為 1.9 mm 而 ML 為 2.0 mm 之位置。 大腦皮質區體感覺之對應 圖 4 為分別刺激大鼠前肢與尾巴所得 之電流源密度分佈。在電流源密度分布圖 中前肢的反應位置大約在 ML 方向 3.0 mm 之後，而尾巴的反應位置大約在 ML 方向 2.5 mm 之前，也就是說，前肢較尾巴之反 應位置在 ML 方向遠離前囪門，這個結果與 已知之結果相吻合，並印證了大腦皮質體 感覺區有很好的體表映射關係。
四、討論
本研究是首次利用電流源密度分析 法探討大鼠尾巴的觸覺在大腦皮質的反應 而得到完整的 mapping。由機械性刺激和電 刺激所得的場電位波形之比較可知延遲時 間大約多了 7 ms，扣除機械性刺激器所造 成的 2 ms 的延遲時間，實際上信號經由體 表觸覺傳送到大腦皮質內所產生的延遲比 電刺激多了 5 ms。另外在 S3背根 Aβ纖維所 記錄到的 Aβ纖維神經複合動作電位的波形 也多了 3 ms 的延遲時間，此現象或許可以 證明兩信號經由同一個路徑傳遞，而延遲 時間的產生可能是因為在誘發神經信號 時，電刺激是直接提供電壓興奮神經纖 維，而機械性刺激則需要經由受器接收到 觸覺刺激後轉換成神經信號，所以需要較 多的反應時間所造成。 由電流源密度的分析結果得知，電刺激與 機械性刺激所產生的反應只有少部分區域 不大相同，大部分區域是相似的。經由右 邊的電流源密度之強度與顏色對照後可以 發現電刺激所誘發的反應較大，而機械性 刺激所誘發的反應較小。另外，在前肢與 尾巴之電流源密度分析的比較中可以發現 大腦皮質區具有明顯的體表感覺映射現 象。 經由本計畫之支持所完成的成果如發表 之資料所示，計有兩篇碩士論文[1]、[2]， 一篇 SCI 期刊已接受論文[3]，而另一篇也 已投稿至 Brain Research [4]，至於國內 研討會論文則有三篇[5]-[7]，在此十分感 謝國科會之支持。五、發表之資料
1. Y.-C. Tsai, Measurement systems for electrophysiological signals, M.S. thesis, National Taiwan Univ., Taipei, 2003 2. T.-K. Teng, Development of a recording
system for analyzing
electrophysiological signals in thalamus, M.S. thesis, National Taiwan Univ., Taipei, 2003
3. Y.-Y. Chen, T.-S. Kuo and F. -S. Jaw, “A laser micromachined probe for recording multiple field potentials in the thalamus,” J. Neurosci. Methods, in press.
4. Y-Y Chen, T-S Kuo and F-S Jaw Mapping of the tail in the thalamus of the rat
5. W.-L. Liao and F.-S. Jaw, “CO2 Laser
stimulates the rat’s tail and analysis of field potentials on the cerebral cortex,” Chinese biomedical engineering society annual meeting, December 2002. 6. Y.-C. Tsai, C.-N. Chien and F.-S. Jaw,
“Comparing responses of cortex evoked by electrical or mechanical
stimulation,” Chinese biomedical engineering society annual meeting, December 2002.
7. W.-L. Liao and F.-S. Jaw, “Analyzing noxious responses in the cerebral cortex of the rat,” Conference on Engineering Technology and Applications to Chinese and Western Medicine, September 2003.
4
圖 1. 最大反應深度之決定。(A)為每隔 20μm 之場電位波形，(B)為場 電位波形峰值與深度之關係。
A
B
C
圖 2. 在不同區域記錄電刺激(下方波形)與機械性刺激(上方波形)反應的比較。記錄 點分別為(A)薦髓背根神經，(B)視丘與(C)大腦皮質。
6
圖 3. 電刺激（A）與機械性刺激（B）之電流源密度分佈圖。
