帕金森病是一种常见的神经退行性疾病，临床表现的特征是静止性震颤，肌强直，运
动迟缓，姿势步态障碍等运动症状。 脑深部刺激 (DBS)是目前治疗帕金森病的主要方法之
一， 优化 DBS 的靶点与参数， 对提升帕金森病的治疗效果具有重要意义。 本文基于
Matlab/Simulink 仿真数值计算工具， 从神经元模型与突触模型入手， 搭建了正常基底神经
节与帕金森病基底神经节的仿真计算模型， 结合现有研究的理论与模型计算结果， 探究了
基底神经节的功能， 阐述了帕金森病的机理。 最后， 利用仿真计算模型深入分析了 DBS
作用于基底神经节不同神经核团时的作用效果， 确定最优刺激靶点。
针对问题一， 首先引入了经典的神经元 Hodgkin-Huxley 模型，利用该模型由微分方程
和代数方程组成的特点， 基于 Matlab/Simulink 仿真平台搭建了神经元 Hodgkin-Huxley 仿
真模型； 其次， 为寻找其稳定平衡点作为仿真模型的初始参数，将 HH 模型转化为求函数
最小值的优化问题， 采用信赖域算法迭代求解， 并基于神经元 Hodgkin-Huxley 仿真模型验
证了解的正确性； 然后， 为定量评判神经元的电位发放特征， 阐述了电位发放的分类与特
征指标； 最后， 向神经元施加不同幅值的直流激励， 研究膜电位振幅、 频率等电位发放特
征与直流激励幅值的关系， 向神经元施加不同类别的交流激励， 研究膜电位振幅、 激活时
间等电位发放特征与交流激励的关系。
针对问题二， 首先对神经元间的突触进行建模， 详细分析了突触中各参数的物理意义，
并基于 Matlab/Simulink 仿真平台搭建了两类突触模型， 模拟了兴奋型突触的去极化效应与
抑制型突触的超极化效应， 证明了突触模型的有效性； 其次， 基于基底神经节经典拓扑，
以神经元 HH 模型与突触化学模型为基础， 构建了基于 Matlab/Simulink 的基底神经元仿真
计算模型； 最后， 向基底神经节模型中的丘脑神经核团分别施加不同的交直流激励， 研究
了基底神经节的电位发放特点， 并以交流方波激励为例， 结合现有研究， 详细分析了基底
神经节内部各关键神经核团膜电位与突触电流的特征与成因， 探究了基底神经节控制人体
运动机能的原理。
针对问题三， 首先总结了现有研究中 PD 基底神经节与健康基底神经节的区别， 以此
为理论基础，将健康基底神经节模型修改为 PD基底神经节模型；其次，基于 Matlab/Simulink
数值仿真， 模拟了 PD 基底神经节在丘脑接受单次脉冲激励、 直流阶跃激励与方波激励下
的输出电位发放， 展示了 PD 基底神经节中关键神经元膜电位、 突触电流等信息因子的传
递过程， 深入分析了 PD 基底神经节健康基底神经节间电位发放特征区别， 结果显示， PD
基底神经节无法将外界激励转化为正确的脉冲信号输入运动皮层； 最后， 本文结合现有的
理论研究， 进一步分析了 PD 基底神经节内部电位发放特征的产生机理， 尤其是丘脑和运
动皮层过抑制机理、 STN-GPe 回路的同步震荡机理， 揭示了帕金森患者运动迟缓、 肌强直
等症状的本质。
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针对问题四， 首先对 DBS 做了简要背景介绍；其次， 以施加于基底神经节内 STN 神
经核团的 DBS 为例，理论分析了 DBS 对基底神经节的影响，并在基于 Matlab/Simulink 的
数值仿真模型上进行验证，证明了 DBS 能够激励 STN 核团以固定频率去极化， 从而抑制
STN 神经核团异常兴奋， 恢复 PD 状态下基底神经节的信息传递功能，且不影响正常基底
神经节下的信息传递；然后，简要分析了 DBS 施加于 GPi/SNr 靶点时的作用机理，并基于
模型仿真，与施加于 STN 靶点的 DBS 进行对比，结果表明，两种 DBS 在协助基底神经节
响应相同参数的外界激励时，施加于 STN 靶点的 DBS 拥有更好的治疗效果，因此选择 STN
为最佳刺激靶点；最后， 考虑 DBS 实际应用时的鲁棒性和低功率需求， 优化确定了对 STN
靶点施加 100Hz、 幅值介于 130μA-150μA 的小电流时，含 DBS 的 PD 基底神经节对外界
激励参数的响应范围较广， 即 DBS 的恢复效果最好； 同时也可以相对较低的功率运行， 从
而延长 DBS 装置的工作时长。
针对问题五， 首先分析了基底神经节中各个可能作为 DBS 刺激靶点的神经核团， 确立
了 GPe 与 Striatum 两个神经核团为新靶点； 其次， 一方面， 在固定基底神经节激励电流的
条件下， 对各靶点输入不同参数的 DBS 激励电流， 分析 DBS 位于不同靶点时的效果； 另
一方面， 在固定 DBS 参数的条件下， 改变基底神经节激励电流的参数， 分析 DBS 位于不
同靶点时， 对不同激励参数的鲁棒性； 结果表明， 在 GPe 上施加 DBS 时， 能够恢复基底
神经节正常传输激励信号的功能， 并对不同激励参数具有最广泛的适应范围， 优于
Striatum、 STN 与 GPe/SNr 靶点。
关键词： 帕金森病， 基底神经节， 脑深部刺激， Matlab/Simulink， 数值仿真
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