(57)【要約】患者の電気活動を感知するように構成されるリード線に連結されるように構成されたプロセッサと、プロセッサに連結され、プロセッサによって実行されると、感知した電気活動における疼痛シグネチャをプロセッサに検出させ、検出された疼痛シグネチャに反応して処置プロトコールを決定させ、かつリード線を介して患者に処置プロトコールを送達させる、コンピューター読み取り可能な指令を含むメモリとを含むシステムを開示する。2013525029.tif 000003
2013525029.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者における電気活動を感知するように構成される、リード線に連結されるように構成されるプロセッサと、
プロセッサに連結された、コンピューター読み取り可能な指令を含むメモリであって、該コンピューター読み取り可能な指令はプロセッサによって実行されると、プロセッサに
感知した電気活動における疼痛シグネチャを検出させ、
検出した疼痛シグネチャに反応して処置プロトコールを決定させ、かつ
リード線を介して患者に処置プロトコールを送達させる、メモリと
を含むシステム。
【請求項２】
患者における慢性疼痛を処置するように構成された電気処置プロトコールを患者に提供するように構成されるプロセッサを含むシステムであって、電気処置プロトコールが、少なくとも約150Hz、約1から約3ボルト、約1から約3ミリアンペア、および持続が約0.25から約1秒である少なくとも1つの電気パルスを患者に提供する段階を含む、システム。
【請求項３】
刺激に対する誘発反応の上昇、律動性の後発射シグナリング、および自発的背景発火の増加を含むニューロン発火パターンを含む疼痛シグネチャを検出する段階を含む、慢性疼痛を含む対象を同定する方法。
【請求項４】
バースト発火の各バーストが、対照の非疼痛パターンと比較して少なくとも10倍のスパイク数を含む、バースト発火パターンを含む疼痛シグネチャを検出する段階を含む、慢性疼痛を含む対象を同定する方法。
【請求項５】
（a）バースト開始を意味する最大間隔（6 ms）；
（b）最大スパイク間間隔（9 ms）；
（c）バースト内のスパイク間間隔の最長の増加（2 ms）；または
（d）バースト内の最少のスパイク数（2）
を含むバースト発火を含むバースト発火パターンを含む疼痛シグネチャを検出する段階を含む、慢性疼痛を含む対象を同定する方法。
【請求項６】
請求項3、4、または5記載の対象を同定する段階、ならびに少なくとも約150Hz、約1から約3ボルト、約1から約3ミリアンペア、および持続が約0.25から約1秒である少なくとも1つの電気パルスを対象に投与する段階を含む、疼痛知覚を予防または低減させる方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
背景
1100万人を超えるアメリカ人が、有意な障害として慢性の疼痛を報告している。慢性疼痛の財政負担は、アメリカだけでも生産性の喪失および医療費を含めて年間1000億ドルを超えると推定されている。世界全体で見ると、疼痛管理のための投薬および／または治療をまだ受けていない大きな集団が存在する。
【０００２】
慢性疼痛は典型的に、6ヶ月より長く持続する疼痛として分類され、一般的に3つの主なタイプ、すなわち侵害受容性、精神性、または神経障害性（たとえば、神経の損傷による）に分けられるが、これらのタイプの区別は曖昧でありうる。特に、慢性の神経障害性疼痛に当てはまるのが、オピオイドおよび非ステロイド性抗炎症剤（たとえば、COX阻害剤）を含む現在の治療の選択肢が、しばしば無効であるか、禁忌であるか、または有意な消化管および心臓副作用、鎮静、呼吸抑制、嗜癖、および薬物乱用に関連する点である。薬物療法、外科的切除、および体外に適用される非薬物治療（たとえば、経皮電気神経刺激および鍼）は全て、患者および医師の望ましいレベルよりはるかに下で限界に達していると広く考えられている。このように、疼痛の研究には新規アイデアが必要である。
【発明の概要】
【０００３】
本発明は、臨床疼痛の正確な同定およびそのような疼痛を軽減するための信頼できる治療介入に関する長年の問題に対する解決策を提供する。慢性的な臨床的疼痛は、直接の神経損傷、切断、化学療法、糖尿病、HIV感染症またはAIDS、多発性硬化症、帯状疱疹、座骨神経圧迫または損傷のみならず、脊柱の手術に関連する疼痛などの神経障害性疼痛を含む。
【０００４】
したがって、慢性疼痛、たとえば慢性神経障害性疼痛を有するとして特徴付けされる対象を同定する方法は、正常なニューロン発火パターン、たとえば疼痛を有しないとして特徴付けされている対象または対象のコホートから得られたパターンと比較して、ニューロン発火パターンを含む疼痛シグネチャを検出することによって行われる。発火パターンは、1つのニューロンまたは複数のニューロンから得られる。慢性疼痛を有する対象の脳は、疼痛シグネチャを保存している。パターンは、刺激に対する誘発反応の上昇、律動性の後発射シグナリング、および／または自発的背景発火の増加を含む。疼痛およびニューロン発火パターンは、損傷が治癒した後でも存在するか、または刺激、たとえば損傷、もしくは刺激の程度に対して完全に無関係である。1つの例において、疼痛シグネチャは、バースト発火の各バーストが対照の非疼痛パターンと比較して少なくとも10倍、50倍、100倍またはそれより多くのスパイク数を含む、ニューロンのバースト発火パターンを含む。例示的な疼痛シグネチャは、以下の測定可能なパラメータの1つまたは複数を特徴とするバースト発火パターンを含む：（a）バースト開始を表す最大間隔（6 ms）；（b）最大スパイク間間隔（9 ms）；（c）バースト内のスパイク間間隔の最長の増加（2 ms）；（d）バースト内の最少スパイク数（2）。異常なパターンまたは疼痛シグネチャは、長いエポックの自発的高周波律動性振動をさらに特徴とする。
【０００５】
疼痛知覚を予防または低減させる方法は、先に記述した基準を用いて対象を同定する段階、および対象に少なくとも約100、150、または200 Hz、約1から約3ボルト、約1から約3ミリアンペア、および約0.25から約1秒の持続である少なくとも1つの電気パルスを投与する段階を伴う。異常に発火するニューロンを回復パターンに戻るように刺激することよりむしろ、少なくとも約100 Hzの電気パルスは、疼痛回路を起源レベルで妨害するかまたは停止させる。診断および／または処置される対象には、ヒト患者のみならず、コンパニオン動物（たとえば、イヌ、ネコ）などの動物ならびに家畜および作業を行う動物（たとえば、ウマ、ウシ、およびその他）が挙げられる。
【０００６】
本発明は、たとえば経皮磁場または長期間埋め込んだ電極を用いて、特異的な脳の領域の神経調節を達成するための解剖学に基づくおよび神経工学指向性の疼痛治療システムを含む。全般的に、1つの局面において、本発明は、患者の電気活動を感知するように構成されるリード線に連結されるように構成されるプロセッサと、プロセッサに連結されたメモリであって、プロセッサによって実行されると、感知した電気活動における疼痛シグネチャをプロセッサに検出させ、検出された疼痛シグネチャに反応して処置プロトコールを決定し、かつリード線を通して患者に処置プロトコールを送達させるコンピューター読み取り可能な命令を含むメモリとを含むシステムを提供する。
【０００７】
一般的に、もう1つの局面において、本発明は、少なくとも約150 Hz、約1から約3ボルト、約1から約3ミリアンペア、および持続が約0.25から約1秒である少なくとも1つの電気パルスを患者に提供する段階を含む、患者の慢性疼痛を処置するように構成される電気処置プロトコールを、患者に提供するように構成されるプロセッサを含むシステムを提供する。
【０００８】
一般的に、さらなる局面において、本発明は、刺激に対する誘発反応の上昇、律動性の後発射シグナリング、および自発的な背景発火の増加を含むニューロン発火パターンを含む疼痛シグネチャを検出する段階を含む、慢性疼痛を含む対象を同定する方法を提供する。
【０００９】
一般的に、なおもう1つの局面において、本発明は、バースト発火の各バーストが、対照の非疼痛パターンと比較して少なくとも10倍のスパイク数を含む、バースト発火パターンを含む疼痛シグネチャを検出する段階を含む、慢性疼痛を含む対象を同定する方法を提供する。
【００１０】
一般的に、なおもう1つの局面において、本発明は、（a）バーストの開始を表す最大間隔（6 ms）；（b）最大スパイク間間隔（9 ms）；（c）バースト内のスパイク間間隔の最長の増加（2 ms）；または（d）バースト内の最少スパイク数（2）、を含むバースト発火を含むバースト発火パターンを含む疼痛シグネチャを検出する段階を含む、慢性疼痛を含む対象を同定する方法を提供する。
【００１１】
一般的に、なおさらなる局面において、本発明は、対象を同定する段階、ならびに少なくとも約150 Hz、約1から約3ボルト、約1から3ミリアンペア、および持続が約0.25から約1秒である少なくとも1つの電気パルスを対象に投与する段階を含む、疼痛知覚を防止または低減させる方法を提供する。
【００１２】
本発明の様々な局面は、以下の能力の1つまたは複数を提供しうる。神経刺激のために用いられるデバイスの効率、バッテリーの寿命、およびデバイスの寿命を、先行技術に対して改善することができる。先行技術と比較して、より生理的に関連する脳の構造を標的とすることができる。先行技術と比較して、副作用を低減させることができる。送達される電流の時間的および全体的な量を、先行技術と比較して低減させることができる。長期間の変化および副作用を引き起こすと考えられている過剰な組織露出の可能性を、先行技術と比較して低減させることができる。先行技術と比較して、併用薬物治療介入の必要性を低減させることができ、またはおそらくなくすことができる。慢性疼痛を経験的に診断することができる。
【００１３】
本発明のこれらおよび他の能力は、本発明そのものと共に、以下の図面、詳細な説明、および特許請求の範囲を検討した後、より十分に理解されるであろう。本発明の他の特色および長所は、その好ましい態様に関する以下の説明および特許請求の範囲から明らかとなるであろう。本明細書において引用される全ての参考文献は、参照により本明細書に組み入れられる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】脊髄視床路（STT）を説明する古典的な「疼痛経路」のダイアグラムであり、および侵害受容情報が、どのようにして後根神経節（DRG）を介して末梢から視床の後外側腹側（VPL）核を含む中枢構造および大脳皮質（Cc）まで伝達されるかを説明する。
【図２Ａ】深部脳刺激（DBS）システムのダイアグラムである。
【図２Ｂ】疼痛の診断プロトコールを示すフローダイアグラムである。
【図３】CCIとナイーブ対象とのあいだのシングルユニット記録の比較の代表的な例のグラフ表示である。各グラフは、1つのWDRニューロンの発火（mV）の時間経過およびそのデータの対応する刺激周囲時間ヒストグラムを示す。記録のために用いたVPLニューロンはいずれも後足に受容野を保有した。CCIモデルラットは、自発的背景発火の増加（黄色で示す）、圧およびピンチ反応の上昇（緑色）、および律動性後発射シグナリング（青色）を示す。
【図４】群1（CCI）および群2（ナイーブ）の全てのラットに関する平均誘発反応頻度の比較を示す棒グラフである。自発活動および後発射のみならず誘発された圧およびピンチ反応の統計学的に有意な増加を示す（*P＜0.05）。
【図５】行動学試験の際に測定した座骨神経損傷と同側および反対側の後足のラット退避反応潜時の比較を示す折れ線グラフである。損傷した後足の退避反応潜時（ピンク）は、6および7日目ではベースラインより有意に低い（*P＜0.05）。
【図６】イソフルランおよびペントバルビタール麻酔の比較の代表的な例を示すグラフである。動物1例におけるシングルVPLユニットの活動を、イソフルラン（2％）麻酔の20分後にペントバルビタール（静脈内、40 mg/kg/時間）麻酔を行う条件下で記録する。自発的または誘発活動の主要な差は認められない。
【図７】HFS前およびHFS後の状態での機械的刺激に対する電気生理学的反応を示す棒グラフである。HFS後の群5のラットのVPLニューロンは、ブラシ、フォンフライ毛、圧、およびピンチによる機械的刺激に対して、初回のベースライン記録時より有意に反応性が低い（P＜0.05）。
【図８】HFS前およびHFS後の状態での背景の電気生理学的比較を示す棒グラフである。HFS後の群5のラットのVPLニューロンは、有意により低いレベルの後発射（機械的刺激後20秒）を示すが、背景発火レベルは比較的一定のままである（*P＜0.05）。
【図９】深部脳刺激（DBS）の群6のラットの同側後足の退避反応潜時を示す折れ線グラフである。神経刺激の5分以内に、退避反応潜時は有意に増加して、効果は0.5から2時間持続する。
【図１０】CCIと反対側のVPL（すなわち、損傷した脚およびインプラントからの疼痛入力を受ける）におけるCCI動物およびCCI＋DBS動物のOX-42抗体染色の比較を示す棒グラフである。DBS対象は、無処置CCI対象と比較して有意に高いレベルのOX-42抗体染色を示した（*P＜0.05）。反映される差は、VPLの顕微鏡写真画像の平均グレースケール値の変化として測定され、HFSの生理学的局所効果を示している。
【図１１】CCIと反対側のVPL（すなわち、損傷した脚およびインプラントからの疼痛入力を受ける）におけるCCI動物およびCCI＋DBS動物のGFAP抗体染色の比較の棒グラフである。測定されたGFAP染色の差は、統計学的に有意ではなく、大膠細胞症、組織瘢痕形成、またはHFSに対する顕著な神経炎症反応がないことを示唆している。
【図１２】様々な刺激、たとえばブラシ、フォンフライ毛、圧、およびピンチに反応したバースト特徴を示す一連の棒グラフである。
【図１３】CCIの1週間後に損傷した後足に受容野を有する視床（VPL）におけるシングルユニットからのニューロン活動を示すグラフ表示である。CCIに関連する明確な発火パターン、およびピンチ後に長いエポック（〜）の自発的な高周波律動性振動が出現することに注目されたい。高い自発的発火頻度は、上部胸椎レベルでの脊髄の背側表面にリドカイン（4％）を直接適用することによってごく短時間中断され、ブラシおよびピンチに対する誘発反応は消失する。リドカインの適用後数秒以内の持続してより上昇した自発的発火に注目されたく、脊髄からの末梢入力または尾側入力とは無関係な（すなわち、脳内に固有の）現象であることを示している。
【図１４】先端が視床のVPL核に位置する微小電極を脳に埋め込んだ齧歯類の図および写真である。これらの電極（RE）から生成されたシグナルを、動物の頭蓋に固定したヘッドステージを介してデータ獲得システムに中継した。神経障害性疼痛を行動学によって測定し、神経障害性疼痛は、脚からの知覚入力を受けてVPLに投射する中枢神経系（CNS）回路に接続する「混合」神経である座骨神経の慢性絞扼性神経損傷（CCI）によって誘導される。熱侵害受容を誘発するために、測定可能な潜時の退避行動を誘発するために後肢足底にレーザービームをあてた。
【図１５】改変微小電極設計の写真である。電極部分をエポキシ樹脂と共に融合させて、DBS試験の際のそれぞれの陰極および陽極を形成した。テフロンコーティングを切除して、各電極上で銀線0.5 mmを露出した。陰極および陽極の先端を、示されるように互いに1 mm離す。
【図１６】記録セットアップの写真である。開頭後、適切なVPLユニットが記録のために単離されるまで、微小電極を深さ5〜6 mmまで低下させた。
【図１７】VPLに対する両極刺激電極の相対的位置およびいくつかのモデリング試験（本文を参照されたい）に基づく刺激（影をつけた部分）によって直接影響を受ける領域の図解である。
【図１８】図18Aは、折れ線グラフであり、図18Bは棒グラフである。図18Aは、ナイーブおよびCCI状態での2つのユニットにおける緊張性発火の代表的な例を示す。自発的発火、ならびに圧（Pr）、ピンチ（Pi）によって誘発される発火頻度、および後発射（AD）が、ナイーブラットと比較してCCIラットにおいて増加していることに注意されたい。図2Bは、ナイーブラットおよびCCIラット（n＝9〜11匹/群）のVPLニューロンの2つの群における平均発火頻度を示す。
【図１９】図19A〜Bは折れ線グラフであり、図19Cは棒グラフである。図19Aは、自発的律動性振動（灰色の影）の代表的な例を示し、これは完全な脊髄離断（矢印、星印は離断後にブラシに対する反応がないことを示す）後に消失した。律動性振動は、CCIラットのニューロン9例中3例（33％）において観察された。図19Bは、正弦波曲線に適合させた律動性振動の際の位相ヒストグラムを示す（脊髄離断前、左のパネル）。かなり低い増幅の正弦波によって反映される離断後の振動の消失に注目されたい（右のパネル）。図19Cは、振動を位相ヒストグラムに適合させたニューロンの正弦波パラメータを示す。
【図２０】図20A〜Bは、CCIラット2匹における2つのVPLニューロンの発火頻度に及ぼすHFS（100 Hz）およびLFS（25 Hz）の効果の代表的な例を示す折れ線グラフである。HFSは、全ての誘発活性および後発射を減弱させたが、自発的発火は不変のままであった。LFSを用いて顕著な効果がなかったことと比較して、電圧を段階的に増加させると効果が増加したことに注意されたい。図20C〜Dは、各ユニットに関する刺激前ベースラインと比較したHFS（n＝9ユニット）またはLFS（n＝5ユニット）後の発火頻度の％変化の平均値を示すグラフである。HFSは、有意な効果を有しなかったLFSとは対照的に、CCIラットから記録されたユニットにおいて自発的活動を除く全ての誘発反応および後発射を有意に阻害した。
【図２１】末梢のブラシ刺激の際のナイーブおよびCCI状態でのバースト発火の例を示すグラフ表示である。各パネルの上の軌跡は、バースト活動を表し、対応するスパイク活動を下の軌跡に表す（影をつけた挿入図は、灰色の区間における活動期間の拡大させた時間尺度を表す）。CCI後のバースト事象の増加およびバースト当たりのスパイク数の増加に注目されたい。
【図２２】ナイーブラットと比較してCCIラットにおいて有意に異なるパターンを示すバースト発火の詳細な分析を示す一連のグラフ表示である。誘発されたバースト活性は、ナイーブおよびCCIラットに起こった（自発的バーストは、ナイーブラットでは非常にまれであったが）。バーストパラメータは、CCIラットでは異なり、全ての発火モダリティに関するバースト数および％スパイクの一貫した増加を示したが、バースト間の間隔は、一貫して減少した。HFSは、これらの変化を「正常」に近いまたはナイーブ値に逆転させた。
【図２３】HFSの前、あいだ、および後の局所細胞外電位（上の軌跡）を示す一連のグラフ表示であり、対応するパワースペクトル（下のパネル）は10〜20 Hzで顕著なピークを示す（β活動に対応する；矢印）。HFSは、このピークまたは自発的発火の際の500 Hzまでの全体的なパワー分布に対して効果を示さなかった（刺激周波数にマッチする200 Hzでのピークの出現および400 Hzでのその倍音に注意されたい；矢印の先）。
【図２４】図24Aは、棒グラフであり、図24B〜Cは折れ線グラフである。図24Aは、CCIの前後での平均退避反応潜時を示す（ラットn＝5匹）。CCI前の値は、両方の後足において有意差がなかった平均退避反応潜時を表すが、CCI後の潜時は、反対側（非損傷）の後足と比較して同側（損傷）の後足において有意に減少し、熱痛覚過敏を示している。図24Bは、同側および反対側の後足の退避反応潜時に及ぼすHFS（矢印）の効果を示す（矢印の先は、偽条件、すなわち電圧を印加することなく刺激器に刺激電極を接続することを指す）。図24Cは、HFSの5分前ならびにHFSの5分および10分後の平均退避反応潜時を示し、HFSの5分後では潜時の有意な増加を示し（ラットn＝4）、痛覚過敏が減弱されたことを示唆している。
【図２５】ナイーブおよびCCIラットの2群（n＝9〜11匹/群）からの後足を除く受容野を有するVPLニューロンにおける平均発火頻度を示す棒グラフであり、ブラシによって誘発された発火を除き、発火頻度に差を示さなかった。
【図２６】図26A〜Bは、CCIおよびナイーブ状態下での2群におけるVPLニューロンの発火頻度の％変化の平均値を示すグラフ表示である。図26Aは、比較的「中等度」の微小刺激（100 Hz、0.5 V、1秒持続のパルス）によって、圧およびピンチによって誘発される発火のみならず後発射の有意な減少が起こったことを示している（ニューロン9例中4例）。図26Bは、HFSがナイーブラットにおける発火頻度を減少させて、最も弱いフォンフライフィラメント刺激（0.6 g）および後発射（n＝6ユニット）を除き、全ての発火モダリティに関して有意水準に達したことを示している。
【図２７】HFSの5分前ならびにHFSの5分および10分後でのCCIラットにおける損傷とは反対側の後足における平均退避反応潜時を示すグラフ表示であり、潜時の有意でない変化を示している（ラットn＝4匹）。
【図２８】一連の写真および棒グラフである。長期の微小電極インプラントは、刺激電極先端の近傍でのOX-42またはGFAP免疫蛍光強度の平均比に対して効果を有さず、神経膠細胞の活性化または反応性神経膠症が限定的であるかまたは存在しないことを示唆している（ラットn＝4匹）。
【図２９】一連の表（表1、表2、表3、表4）である。
【図３０】慢性疼痛を有する覚醒患者における視床のニューロンの発火の代表的な記録を示すグラフである。ニューロン活動を持続的に記録しながら疼痛を繰り返し誘導した（左上から右下）。破線は、触覚によって誘発される疼痛を活性化させるために手をたたくことを示す。実線は疼痛が患者から口頭で報告されたことを示す。
【図３１】バースト事象を説明するために脊髄損傷疼痛を有するラットの視床におけるユニットの代表的な記録のグラフである（図30と比較）。発火活動の60秒間のあいだに、2つのバーストエポックは、「a」および「b」として同定される独自の期間を交互した。これらの2つのエポックは、低い発火活動のエポック間間隔によって離れて自発的に交互に反復して、律動性の振動発火パターンを示す。
【図３２】自発的活動のスペクトル分析を示す折れ線グラフである。複合性局所疼痛症候群（CRPS）患者（赤色）および正常対象（黒色）の平均パワースペクトルは、疼痛患者において脳の活動がより低い周波数へとシフトしていることを示す。
【図３３】CCIと反対側のVPLから記録された局所細胞外電位（LFP）のグラフ表示である。自発的活動の後に、損傷を受けた足の受容野のブラッシングによって誘発される活動の増加が起こる（t＝19〜40秒）。
【図３４】自発的活動および反対側の足のブラッシングに反応した活動を示す一連のグラフである。スペクトルパワーを、両側のVPLから記録されたシグナルのFFT分析を用いて計算して、各VPLに関して標準化した。広いピーク（1〜15 Hz）が、CTにおける自発的条件下で観察され、これはCCIではより顕著に左側にシフトした（1〜3 Hz）。誘発反応の際に、5 Hz付近のピークはCTと比較してCCIにおいてより顕著であり、高周波数（5〜15 Hz）領域においてより広いパワー分布を示した。全体的なパワーは、ブラシに対する誘発反応の際に両側で増加した；しかし、この増加は、CCIではおよそ3倍高かった（CTにおける1.16からCCIにおける3.05までのエリアパワーの誘発／自発比の増加に注目されたい）。赤色のプロットはガウスデータ適合を表す。
【図３５】6群のLFP記録を描写する一連の図である（Gr、n＝8/群、全体でラット48匹；Exp：実験、Ct：対照）：- Gr1：SCSの前／後で体性感覚皮質（SI）において、最初にCCIに対して同側（Ct）で、次に反対側（Exp）でLFPを記録する。- Gr2：SCSの前／後でSIにおいて、最初にCCIに対して反対側（Exp）で、次に同側（Ct）でLFPを記録する。- Gr3：SCSの前／後で、VPLにおいて、最初にCCIに対して同側（Ct）で、次に反対側（Exp）でLFPを記録する。- Gr4：SCSの前／後で、VPLにおいて、最初にCCIに対して反対側（Exp）で次に同側（Ct）でLFPを記録する。- Gr5：SCSの前／後でナイーブラットのSIにおいてLFPを記録する。- Gr6：SCSの前／後でナイーブラットのVPLにおいてLFPを記録する。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
詳細な説明
慢性疼痛は、病理生理学、診断、治療、および社会的負荷に関して重大な難題である。ヒトおよび実験動物での研究により、難治性疼痛と、視床および皮質領域での異所ニューロン活動とのあいだに関係があり、それによって脳の「疼痛ネットワーク」の接続の機能障害が起こることが示唆されている。このネットワークに寄与するのは、視床と皮質モジュールとの密な相互接続であり、その相互作用は方向性および時間的動態に関して現在研究されている。ヒトにおいて、頭蓋内電極記録から、慢性疼痛患者ではこれらのネットワーク内でのニューロン活動が変化していることが証明されている。単細胞電気生理学および脳磁図（MEG）試験はさらに、複合性局所疼痛症候群患者における視床-皮質脳波律動異常（TCD）という仮説を支持しているが、興味深いことに、画像試験は、慢性疼痛状態での皮質の薄化を示している。動物の疼痛モデルを用いて類似の生理学的結果が見いだされ、このようにしてより詳細な機序の分析が可能となり、それによって一連の研究が視床-皮質-視床回路の病理生理学の妥当性を確認している。
【００１６】
疾患プロセスの症状であることよりむしろ、慢性疼痛はそれ自身が疾患プロセスである。慢性疼痛は、容赦がなく自己制御できず、先に述べたように、初回損傷後何年ものあいだ、何十年もさえ持続しうる。処置しなければ、慢性疼痛は、不安、恐怖、抑うつ、不眠、および社会的相互作用の障害を引き起こしうる。慢性の非悪性の疼痛は、本質的に主に神経障害性であり、末梢または中枢神経系のいずれかに対する損傷を伴う。
【００１７】
侵害受容および神経障害性疼痛は、異なる神経生理学的プロセスによって引き起こされ、それゆえ、異なる処置モダリティに反応する。侵害受容疼痛は、皮膚、骨、結合組織、筋肉、および内臓に存在するA-デルタおよびC-線維上の受容体によって媒介される。これらの受容体は、侵害性の化学刺激、熱刺激、および機械的刺激の位置を特定するために生物学的に有用な役割を果たす。侵害受容疼痛は、本質的に体性または内臓性でありうる。体性疼痛は、鋭く、痛い、ずきずきする、または激痛として記述される非常に限局的な絶え間ない疼痛である傾向がある。一方、内臓痛は、分布があいまいで本質的に発作性であり、通常、深く、痛い、搾り取るような、および疝痛様として記述される。侵害受容疼痛の例には、術後痛、外傷に関連する疼痛、および関節炎の慢性疼痛が挙げられる。侵害受容疼痛は、しばしばオピオイドおよび非ステロイド性抗炎症剤（NSAIDS）に反応する。神経障害性疼痛は、侵害受容疼痛とは対照的に、本質的に「焼けるような」、「電気的な」、「刺すように痛む」、および「撃たれるような」として記述され、損傷などの刺激とは無関係でありうる。神経障害性疼痛の例には、単神経根症、三叉神経痛、帯状疱疹後神経痛、幻肢痛、複合性局所疼痛症候群、および様々な末梢神経障害が挙げられる。神経障害性疼痛は、オピオイド治療に対する反応性がごく部分的である傾向がある。
【００１８】
先に考察したように、慢性疼痛は、有意な臨床問題である。最も強力な処置はオピエート誘導体である；しかし、これらの薬物は、重篤な副作用に関連している。その上、慢性疼痛の1つのタイプである神経障害性疼痛（神経系（末梢神経、脊髄、または脳）に対する直接の損傷による）は、通常、処置に抵抗性である。末梢の神経障害性疼痛の際に、疼痛の程度はしばしば、神経損傷部位での組織障害の程度とは無関係である。臨床データは、慢性疼痛患者において、特に感覚情報の主要な中継核である感覚系視床（後外側腹側核；VPL）において異常な活動パターンを示している。
【００１９】
末梢神経損傷後の慢性的な異常な感覚（知覚神経障害）は、脳の活動パターンの長期間の変化によって引き起こされる。知覚神経障害および異常な脳のパターンは、深部脳刺激（DBS）による脳への直接介入によって逆転可能である。
【００２０】
本明細書において記述されるデータは、当技術分野において認められている末梢神経障害（慢性絞扼性神経損傷、CCI）の前臨床ラットモデルを用いて生成した。調べた脳の領域は、感覚情報の主要な中継核である感覚系視床（後外側腹側核；VPL）であった。脳の片側のVPLは、体の反対側からの感覚入力を受ける（CCIと反対側のVPLのニューロンを調べた）。VPLの1つのニューロンからのニューロン活動を、深麻酔下の生存動物において細胞外活動電位として記録した。記録されたニューロンパターンは、体の対応する受容野での刺激によって誘発されたか、または自発的であった（受容野での刺激なし）。感覚神経障害を、覚醒状態の非拘束非麻酔ラットにおける熱刺激に対する熱感受性の標準的な行動学測定（中等度の侵害性の熱に対する退避反応の潜時）を用いて試験した。異常な活動パターンを逆転させるために、DBSを記録の際に深麻酔下でVPLに送達した。熱痛覚過敏を逆転させるために、DBSを覚醒状態の非拘束非麻酔ラットのVPLに送達した。
【００２１】
神経障害性損傷を有するラットでは、異常なニューロン活動がCCIとは反対側のVPLにおいて記録された（類似の結果は、脊髄神経結紮；SNLによる末梢神経障害のもう1つのモデルにおいて確認された）。全てのラットにおいて神経障害によって誘導される異常活動は、誘発反応の過剰興奮性、高い自発的発火の出現、および誘発された異常なバースト（何例かのラットにおいて時折の自発的な律動性の発火に加えて）を含んだ。異常なニューロン活動は、脚に受容野を有するニューロン（損傷した座骨神経によって供給される）に限って起こった。損傷した脚を超えて受容野を有するVPLから記録されたニューロンの活動と、後内側腹側（VPM）核群から記録されたニューロン活動（顔面からの主要な入力を受ける）は、ナイーブラットのニューロン活動と差がなかった。神経障害ラット（死後）から採取した組織は、CCIとは反対側のVPLにおいて局所神経炎症を示した。DBSは、VPL（神経障害ラットにおいて高いままである自発的発射を除く）におけるニューロン活動の全ての異常なパターンを、副作用なく逆転させた。DBSは、神経障害ラットにおける熱痛覚過敏を副作用なく逆転させた。
【００２２】
疼痛シグネチャ
疼痛シグネチャを構成するニューロン活動パターンは、2つの主要なカテゴリー、すなわち自発的および誘発に分類することができる。自発的活動は、さらにベースライン活動（明白な体の刺激の非存在下で持続する自発的発射）と後発射（侵害性の体刺激の中止直後に持続する自発的発射）とに分けられる。誘発活動は、さらに侵害（たとえば、痛みを伴う強い圧力またはピンチ）または非侵害刺激（たとえば、優しく触れるまたはブラシ）に反応した活動に分けられる。「シグナル」（すなわち、感覚がそれを信頼可能に検出するための）を利用するために、シグナルは、自律性の「厳格な」様式（予めプログラムされた固定のパラメータの組を有するデバイス）、自律性の「柔軟な」様式（「学習」することができる、すなわち正確に検出する信頼性を改善するために誤差の修正能を有するデバイス）、または外部観察者による認識（実験者、保健従事者、またはバイオフィードバックの形での本人）のいずれかによって検出されうる。
【００２３】
客観的または経験的にシグネチャを定量する1つの方法は、個々のニューロンの発火頻度（すなわち、一定時間での活動電位の数）をコンピューターによって計算することである。データは、たとえば疼痛状態でピンチ刺激を与えた場合の発火頻度が正常と比較して高いことを示している。考慮すべき1つの点は、たとえば疼痛状態で圧刺激を与えた場合の発火頻度が、正常状態でピンチ刺激を与えた場合の発火頻度と比較して低いという点である。このように、正常状態と疼痛状態とを区別するために発火頻度のみに依存することは、刺激状態の進行またはリアルタイムの知識が得られなければ、自動検出器をプログラムするために十分ではないであろう。バースト特徴は発火頻度とは異なるパラメータに基づくが（たとえば、バースト数、平均スパイク／バースト）、同じ議論が同様に当てはまる（自発活動と誘発活動のデータは重なり合う）。
【００２４】
これらの明らかな制限にもかかわらず、1つの代替法は、実在の例を検討することである。誘発される侵害事象は、慢性疼痛を有する個体を含む個体の日常活動を通してまれである。そのような事象は通常、転倒または発射物によって受ける頻繁でない損傷の結果である。それゆえ、侵害刺激によって誘発される活動のカテゴリーを無視することができる（侵害性の熱、およびその後の後発射を含む）。昼間のあいだの活動の主要なカテゴリーは、服を着る、手でたたく、「感触」等などの優しい接触に二次的な軽い接触によって主に誘発される。第二の主要なカテゴリーは、自発的活動である。注目すべきは、疼痛状態で圧およびピンチによって誘発される活動は、正常または疼痛状態での他の任意のタイプの活動より極めて高く、プログラミングに関する「安全域」を構成する。侵害事象が本当に起こる場合、それらはいずれにせよ「痛みを伴う接触」の既定の限界を超えるとして解釈され、後発射の期間は治療期間ウィンドウ内に入り、それゆえに防止されるであろう。さらに、自発的活動と圧またはピンチ誘発活動の差は、極めて大きく、それゆえに、それぞれ「正常」または「疼痛」と呼ばれる活動の2つの別個のゾーンの設定が可能となる。
【００２５】
発火頻度に基づいて疼痛シグネチャを検出するために閉回路デバイスを設計するためのもう1つの選択肢は、接触、圧力、およびピンチ刺激などの力学的エネルギーのみならず、温／冷表面などの熱エネルギーを検出することができる体の罹患領域（皮膚の表層部）上の機械的感知プローブにデバイスを連結させて、この情報を脳シグネチャの主なニューロン検出器と同時に閉回路デバイスに中継することである。そのような設計は、ニューロンの活動のタイプ（すなわち、自発的または誘発）を分類するための観察者または対象からのフィードバックの必要性を弱めながら、自動反応を可能にするであろう。
【００２６】
他のタイプのニューロンの活動も同様に、シグネチャの検出のために想定される。これらは、他のタイプの撮像技術および脳のスキャン（たとえば、磁気共鳴画像、MRIおよびfMRI、ならびに陽電子断層撮影法またはPET等）に加えて、フーリエ型分析、新しいスペクトルピークの非存在または出現を用いてパワースペクトルのシフトを検出する局所細胞外電位（LFP；すなわちニューロン集団からのサンプリング）、脳波（EEG）、脳磁図（MEG）のレベルで直接または間接的に記録されたニューロン活動を含む。
【００２７】
センサーの設計
疼痛管理のための閉回路デバイスのセンサー部分または疼痛診断のための開回路センサーデバイスは、センサーがニューロン活動（血流または体積などの代用測定を用いて直接または間接的に1つのニューロンまたはニューロンの集団から）を記録する能力に依存する。そのような疼痛シグネチャは、ニューロンの活動が脳におけるニューロンの特異的集団によって生成され（よって、電気シグナルを特異的に検出するためには、プローブが非常に近位に存在することが必要である）、およびその活動パターンまたは変化が主にミリ秒または秒の次数で起こることから、高い時間的および特殊な解像度を明らかに示す。現在の技術は、埋め込み可能な微小電極を用いてそのような高い時間的で特殊な解像度を可能にするが、他の「センサー」技術、特に非侵襲性のEEG機能的画像を用いることは有用である。
【００２８】
設計戦略は、脳の1つの領域または構造から記録するまたは脳の複数の領域もしくは構造を個々に探す可能性のみならず、慢性疼痛患者では脳内のネットワーク接続性が変化していることが公知であることから、正常および病的または疼痛状態でこれらの領域間の相互作用を調べる可能性を考慮することがより重要である。ネットワーク接続性の機能障害は、先に考察した記録または検出レベルのいずれかでの、1つより多くの脳の領域または構造におけるニューロン活動の複合的な時間および空間的分析によって明らかとなるであろう。
【００２９】
刺激の設計
閉回路デバイスは、疼痛シグネチャを検出して、およびそのようなシグナルの検出時に、シグネチャを逆転させる目的で治療を送達するコマンドをオペレーターに送るよう操作するようにプログラムされる。たとえば、このデバイスは、状態の重症度および必要性に応じて、覚醒状態ではオンにして睡眠時にオフにされるであろう。さらに、デバイスは任意で、周期的または間欠的（たとえば、2時間毎）に治療パルスを送達するように設定される。
【００３０】
臨床応用
鎮痛（既存の疼痛を減少させる）のために用いられることに加えて、デバイスは、特に麻酔薬または鎮静剤が禁忌である場合の侵襲性技法または外科技法の際に麻酔のために用いられる。より重要なことは、デバイスの診断局面は、対象または患者が非協力的である場合、反応することができない場合、認知機能障害である場合、言語の壁に直面している場合、または単なる口頭での報告が信頼できない場合（たとえば、小児集団または成人薬物乱用者の場合）には有用である。
【００３１】
深部脳刺激
本発明の態様は、慢性疼痛を軽減するために、たとえば深部脳刺激（DBS）を用いて、永続的な疼痛に関する安全で、有効で、および長期間の処置戦略を開発するための技術を提供する。技術は、ある疼痛シグネチャが存在するか否かを決定するために、患者の脳の電気活動を測定する段階を含むことができる。これは、たとえば患者の脳に埋め込まれた電極を用いることを伴うことができる。技術はまた、たとえば既定の時間、周波数、電圧、周期性、および電流で患者の脳に治療的電気刺激を提供する段階を含むことができる。電気刺激は、閉回路設計で患者の既定の疼痛シグネチャの存在の検出に反応して提供することができ、または開回路システムにおいて周期的に提供することができる（たとえば、1〜2時間ごと）。他の態様は、本発明の範囲に含まれる。
【００３２】
ある態様は、たとえば疼痛事例に関連する（または直前の）異常なニューロン活動の検出によって神経刺激を誘発させることができ、このようにして「正常な」脳の活動を妨害することなく、異常なニューロン活動を逆転させて、疼痛を減弱させる（または予防さえする）ことができる閉回路設計を用いることを含む。さらなる利益はまた、副作用が報告されていない、ニューロン発火を遮断する（または「妨害する」）高周波電流（たとえば、＞150 Hz）の送達でありうる。
【００３３】
解剖学的に、上行性の感覚情報に対する主要な中継地点は、好ましくは、神経障害性疼痛の動物モデルの視床から記録されたパターンに緊密に類似する、覚醒している神経障害性疼痛患者の視床から記録された特徴的なバースト発火パターンを示す経験的証拠に基づいて、視床を標的とする。このため、1）麻酔したラットにおける神経障害性疼痛に関連する視床のニューロン活動パターン（「疼痛シグネチャ」）が同定されている；2）疼痛に関連する視床の発火を逆転させる最適な刺激プロトコールが決定されている；3）神経刺激による疼痛関連行動の逆転が達成されている。
【００３４】
一連の刺激プロトコールを試験して、送達される電流の持続および強度に関する最少量によって疼痛関連ニューロン活動の逆転を最善に達成するいくつかのプロトコールが同定されている。高周波刺激（たとえば、＞150 Hz）は、神経回路を「妨害」することができ、それによって可逆的である「病変」効果が得られる。標的とされる脳の回路は、好ましくは直接的に疼痛回路、主に感覚系視床であろう。データは、高周波数の短いパルス列が、慢性疼痛に関連する視床ニューロンにおいてニューロンの過剰興奮性を典型的に有効に減弱させて、疼痛行動を減弱させることを示している。
【００３５】
ニューロン活動パターンは、慢性疼痛に関連する視床ニューロンにおいて特徴付けされている。視床のニューロンを選択する根本原理は、視床感覚ニューロンが典型的に、脊髄損傷疼痛の状態で明確な可塑性変化を受けること、および薬物処置によるこれらの可塑性の変化の逆転が、疼痛行動の逆転に関連することを示す試験に、少なくとも部分的に基づいている。これを支持して、データは、損傷した座骨神経（神経障害性疼痛モデル）の皮膚感覚帯において受容野を有する視床感覚ニューロンが、末梢刺激に対する過敏反応を含む明白な変化を受けて、自発的発火を増加させて、後発射の確率を増加させることを示唆している。加えて、これらの実験は、覚醒非麻酔ラットにおいて有効であることが確認されており、ラット慢性疼痛モデルにおける侵害受容行動に及ぼす神経刺激の抗侵害受容効果を試験している。
【００３６】
正常な侵害受容の際に（たとえば、図1）、刺激の位置および強度に関する情報は、正確な活動電位発火パターンにおいて暗号化される。個々のニューロンは、1つのスパイク、バースト（たとえば、タイミングおよびパターン形成の差を考慮して、多様な様式で構成することができる）、紡錘波、および「エポック」と呼ばれるスパイクモチーフ列などの多数の個別の発火モードを生成して、そのあいだを動的に切り換わる。発火パターンは、直接配線局所神経回路および広域分散神経回路におけるニューロンの産物（および影響）である。そのような回路の1つの要素である視床は、より高等な皮質回路への重要な感覚中継地点として役立つ。
【００３７】
視床のゲインの全体的な増加は、視床皮質シナプスでの伝達効率の増加に関連しており、これは疼痛感覚に関係する皮質回路をより強力に活性化するために役立つ。他の脳の領域、たとえば視覚系では、バーストの情報量は典型的に1つのスパイクより多い。海馬では、少なくとも1つのシナプス後スパイクを生成する確率は、1つのスパイクよりバーストのほうが高い。視床の侵害受容ニューロンは、正常なヒト対象およびラットにおいて自発的発火活動を受けて、定義された共振周波数で明確なニューロン律動性（振動）を与える。そのような活動パターンが皮質活動と時間的に一致することにより、感覚経験を特徴付けする機能的状態が媒介される。いくつかの神経疾患が、この時間の一致を覆すことができ、異常な視床の活動は、慢性的に痛みを伴う状態に関連している。たとえば、脊髄損傷によって誘導される疼痛行動は、振動発火パターンを有するニューロン数の増加に加えて、視床の後外側腹側核（VPL）における自発的バースト発火のより高い発生率に関連している；バーストの間隔はより規則的であり、事象間の間隔はより長く、バースト事象はより多くのスパイクを含む。
【００３８】
視床における律動性のネットワーク振動は、視床の事象および外部シナプス入力によって修正可能である。ちなみに、皮質視床に加えて視床皮質中継ニューロンの軸索は、神経系に対する損傷後に再構成されうる周辺の網様核フィードバック回路からの調節を受ける。不安定なまたは異常に処理された侵害受容入力によって、侵害受容情報の異常な生成または増幅が起こる。それゆえ、神経刺激による神経調節は、慢性疼痛を処置および／または管理するために有効な戦略である。
【００３９】
このように、前述を考慮して、治療システムは以下を含む：1）異常な脳の活動を検出および低減させるために閉回路デバイスの中の刺激器に連結され、このように疼痛を自動的に減弱させる検出器；2）慢性疼痛に対して特異的な生物学的適合性の閉回路神経刺激デバイス；3）デバイスの外科的脳埋め込みおよび試験；ならびに4）慢性疼痛を処置するための臨床応用。
【００４０】
図2Aを参照して、患者10に用いるための深部脳刺激（DBS）システム5を示す。好ましくは、DBSシステム5は、パターン認識システム15、プロセッサ20、シグナル発生器25、アナログ-デジタル変換器30、およびデジタル-アナログ変換器35を含む。DBSシステム5は、個々の個別のブロック（たとえば、15、20、25、30、および35）を含むように図2Aに示されるが、他の構成も可能である。たとえば、ブロック15、20、25、30、および35の1つまたは複数の機能を1つのデバイスおよび／またはルーチンの中に組み合わせることができる。さらに、図2Aは、多数の個別のブロック（たとえば、15、20、25、30、および35）を含むが、構成によってはあるブロックを省略してもよい（たとえば、非閉回路システムではパターン認識システム15およびアナログ-デジタル変換器30を省略することができる）。
【００４１】
アナログ-デジタル変換器30は、リード線40および／またはニューロン活動を測定することができる任意の他のデバイス（たとえば、機能的スキャナ）を介して患者10の脳からのシグナルを受けるように構成される。リード線40は、患者10の脳の頭蓋内に埋め込むように構成されうるが、リード線40は、他の領域（たとえば、VPL、海馬、および／または脳幹）で患者10の電気活動を測定するように構成することができる。好ましくは、リード線40は、患者10の脳内の広作動域（WDR）ニューロンに付着するようにおよび／または非常に近位に存在するように構成されるが、他のニューロンを用いることができる。好ましくは、患者10が感じる慢性疼痛の機能的または心理学的相関物としてWDRニューロンが選択される。たとえば、選択したWDRニューロンは、患者10が慢性疼痛を感じる体の部分に対応することができる（たとえば、右脚に慢性疼痛を有する患者の右脚に対応するニューロン、技術的に「受容野」として定義される）。リード線40は、患者10の脳の電気活動を検出するように、および感知した情報をシステム5に中継するように構成される。好ましくは、リード線40からの感知情報を受けると、アナログ-デジタル変換器は、パターン認識システム15によって望ましい形状にシグナルを変換する。
【００４２】
パターン認識システム15は、慢性疼痛（たとえば、本明細書において記述される例示的なデータにおいて同定される疼痛シグネチャ）に関連する特異的ニューロン活動の有無を決定するために、リード線40によって提供されるシグナルをモニターするように構成される。たとえば、パターン認識システム15は、自発的な背景発火の増加、外部刺激（たとえば、圧またはピンチ）によって誘発される発火頻度の増加、律動性後発射シグナリング、律動性振動、異常なバースト等を検出するように構成することができる。好ましくは、リード線40は、患者10の脳の感覚系視床（後外側腹側核、VPL）におけるニューロン活動（たとえば、疼痛シグネチャ）を検出するように構成される。パターン認識システム15は、少なくとも2つの異なる主要なタイプのニューロン活動、すなわち自発的および誘発活動を検出するように構成することができる。自発的活動は典型的に、明白な刺激もしくは同定可能な原因の提示とは無関係であるか、または時間的に関連しない。自発的活動は、ナイーブ／正常と比較して疼痛対象における自発的活動頻度の増加として最もよく記述することができる。誘発活動は典型的に、明白な刺激または同定可能な原因に相関する活動である。誘発活動は、ナイーブ／正常と比較して、末梢に適用された侵害および非侵害皮膚刺激に反応した疼痛対象における誘発活動頻度の増加として最もよく記述することができる。加えて、異常なバースト活動は、ナイーブ／正常と比較して疼痛における自発的および誘発発火の両方の際に起こりうる。
【００４３】
パターン認識システム15は、プロセッサ20と通信するように構成され、ネットワーク接続（たとえば、パターン認識システム15がプロセッサ20から離れている態様では、バスまたはネットワーク接続）によって既定のフォーマットでプロセッサ20に情報を提供するように構成される。パターン認識システム15は、患者10が感知したシグナルに対して様々なシグナル処理機能（たとえば、周波数分析、フーリエ変換、逆フーリエ変換、フィルタリング、ノイズ除去、閾値分析、スパイク間間隔分析、バーストサイクル期間の分析、バースト内スパイク分析等）を行うように構成することができる。
【００４４】
プロセッサ20は、適切な反応を決定するためにパターン認識システム15によって提供される情報を調べるように構成することができる。たとえば、プロセッサ20は、パターン認識システム15が認識することができる様々なパターンを識別して、適切な応答を決定するように構成される。プロセッサ20は、多数の認識されたパターンを識別することができ、たとえばルックアップテーブルを用いて適切な反応戦略を決定することができる。適切な反応は、全くないことがありえて、またはリード線45を介して患者10の脳に電気シグナルを提供させることができる。
【００４５】
プロセッサ20は、神経刺激（またはより正確には、神経調節）を用いて患者10の脳における疼痛シグネチャを逆転させるように構成することができる。たとえば、神経調節は、既定の電圧、周波数、電流、および持続の電気を患者10の脳に適用する段階を含むことができる。好ましくは、患者10の脳に適用される神経調節は、患者10のニューロン活動を「妨害」する（すなわち、さらに刺激するのではなく）ように構成される。好ましくは、この神経調節は、高周波数電流（たとえば、150〜200 Hz、1〜3ボルト、1〜3 mA、および実質的に0.25〜0.75 msの矩形パルスを1秒間の持続で（組織のインピーダンスが1000Ωであると仮定して））を提供することによって達成される。好ましくは、低圧の短時間の高周波数パルスを、疼痛刺激に選択的に反応するニューロン構造に送達することによって、疼痛シグネチャを「正常」に戻るように一過性に逆転させることができる。加えて、神経調節プロトコールを、それ以外では接触過敏症を保持しながら、疼痛対象の疼痛行動をナイーブ／正常のレベルまで一過性に減弱させるように構成することができる。電気処置は、深部脳、VPL、および／またはWDRニューロンに提供される。
【００４６】
1つの例示的な処置プロトコールは、周期的な電気パルスを用いる患者10の脳の電気刺激を含む。たとえば、間欠的なパルス（たとえば、1パルス、1〜3時間毎）を、患者10の疼痛回路に沿ういずれかの場所に、好ましくは脳のVPL核に提供することができる。好ましくは、パルスの各々は、短い（たとえば、1秒間）持続、高周波数（たとえば、150〜200 Hz）、および低圧（たとえば、1.5〜2 V）を有した。好ましくは、これらの電気パルスの各々は、本明細書において特徴付けされる時間プロフィールに基づいて、患者10の脳における過活動回路を「妨害する」ことができる。たとえば、電気パルスを提供した後、2〜3時間のあいだ、疼痛症状を一時的に軽減させることができる。
【００４７】
システム5は、開回路および／または閉回路でありうる。開回路態様において、システム5は、パターン認識システム15およびアナログ-デジタル変換器30を用いることなく、既定のプロトコール（たとえば、周波数、持続、電圧、アンペア）に従って電気治療を提供するようにプログラムすることができる。開回路の態様では、処置プロトコールを、プロセッサ20に接続されるメモリに保存することができる。閉回路態様では、システム5は好ましくは、たとえばパターン認識システム15およびアナログ-デジタル変換器30を介して受けた情報を用いて、本明細書において記述される疼痛シグネチャの特徴付けにより、認知、感情、および情動的神経状態を処置する。本明細書において記述される閉回路システムは、患者10の脳に埋め込まれたリード線40を用いることを考察するが、他の構成が可能である（たとえば、fMRIまたはPETスキャンからの診断情報を受ける）。加えて、個別のリード（たとえば、リード40、45）が考察されているが、そうではなくて1本のリードを、電気シグナルの感知および提供のために用いることができる。加えて、システム5は、手動で制御することができる（たとえば、ボタンを作動させることによって、または遠隔接続を介して）。
【００４８】
疼痛シグネチャの電気生理学的測定：
慢性絞扼性神経損傷（CCI）ラットにおける広作動域（WDR）視床ニューロンの電気生理学的測定は、律動性後発射シグナリングのほかに圧およびピンチ刺激に対する誘発反応の上昇、ならびに異常なバーストのほかに自発的背景発火（図3および4）の増加を示している。CCIの後に熱行動学試験を行ったラットの群（n＝10）は、1週間のあいだ、同側の後足退避反応潜時の統計学的に有意な（P＜0.05）減少を示し、同側および反対側の後足の退避反応潜時は顕著に分離した（図5）。処置の効能を、この公知の効果の逆転に基づいて部分的に評価した。
【００４９】
麻酔：
イソフルランガス麻酔と比較して、静脈内に投与したペントバルビタールナトリウムの下でのニューロンの活動に有意差は認められなかった（図6）。この理由から、動物をイソフルランガスのみによって試験して、多様な麻酔法を用いる実験に対して普遍化が適用されうる。
【００５０】
深部脳刺激：
CCI動物の深部脳刺激によって、後発射の統計学的に有意な減少のほかに、全ての型の機械的刺激に反応した平均発火頻度の減弱が起こった（図7および8）。さらに、群6の覚醒DBSラットの行動学試験により、高周波数DBS後に退避反応潜時が対応して増加することが明らかとなった（図9；データは、FHS前またはベースライン100％に対して標準化した値を表す）。
【００５１】
組織学：
CCI対照動物と比較したこれらのラットの死後の組織学的分析は、VPL Ox 42抗体染色が統計学的に有意に（P＜0.05）両側性に増加するが、GFAP抗体染色レベルは一定のままであることを示している（図10および11）。
【００５２】
図12は、様々な刺激に反応したバーストの特徴付けを示す。バーストの定義の必要条件は以下のとおりであった：
・バーストの開始を表す最大間隔（6 ms）
・最大スパイク間間隔（9 ms）
・バースト内のスパイク間間隔の最長の増加（2 ms）
・バースト内の最少スパイク数（2）
【００５３】
以下の方法を用いて本明細書において記述されるデータを生成した。
【００５４】
CCI：慢性絞扼性神経損傷（CCI）をデータ獲得の7〜9日前に誘導した。動物をイソフルラン（2.5％）によって麻酔した。外科技法は、Bennett and Xieによって設計された当初のルーズ結紮モデルの改変からなった。プロセスは、大腿二頭筋の鈍器による切開により座骨神経を単離した後、神経の分岐上の3カ所で1 mm離して5-0ゲージのクロムガット結紮糸による一側性のルーズ結紮を伴った。結紮は炎症反応を開始して、それによって神経のクロムガット絞窄が起こる。術後、その上の筋肉および皮膚を4-0ナイロン縫合糸により閉じて齧歯類を回復させた。CCIに起因する熱痛覚過敏症は、損傷後5〜27日間にわたって比較的一定のままであることが見いだされている。
【００５５】
電気生理学：シングルユニット発火-ユニット記録（すなわち、1回に1つのニューロン活動のサンプリング）を、深麻酔（1.5％イソフルラン）下で記録した。細胞外シングルユニット記録は、0.005"5 MΩテフロンコーティング銀微小電極（A-M Systems, Carlsborg, WA）によって行った。DBS動物に、以下に示されるように（図14、15、16）改変電極を埋め込んだ。各対象を定位フレームに入れて、限局的開頭によって、VPL内の記録部位の頂部の脳表面を露出した[ブレグマ（-3.3；-2.5）；外側（2.8；3.6）；頭頂（5.4；6.4）]（図16）。電気シグナルを、増幅して3000 Hzでフィルタリングして、CEDマイクロ1401データ獲得システムおよびSPIKE-2ソフトウェア（Cambridge Electronic Design, Cambridge, England）によって処理した。
【００５６】
自動テンプレートマッチングを用いて波形を選別して、シングルニューロンの活動を抽出した。神経組織の中への全ての垂直な電極穿通のために、油圧式マイクロポジショニングデバイス（Kopf Instruments, Tajunga, California）を使用した。微小電極を推定される領域まで下げると、電極の先端の位置での興奮が電流の変化により測定されるまで、麻酔した対象を軽くたたく、ブラッシングする、皮膚をつまむまたは脚を操作することにより疑われる体性感覚受容野を刺激することによって、1つの「ユニット」またはニューロンを単離することができる。このプロセスを、座骨神経によって支配されるVPLユニットを同定するために用いた。次に、自発的活動を測定した後、受容野内の機械的刺激に対する誘発反応を測定した。6回の機械的刺激を各記録セッションの際に適用した：（i）ブラシ（BR）；（ii〜iv）強度が増加するフォンフライフィラメント（0.6 g、8 g、および15 gの力）；（v）圧（PR）；（vi）ピンチ（PI）。機械的刺激のそれぞれに対する反応に基づいて、広作動域（WDR）視床ニューロンを特異的に標的とした。
【００５７】
代替麻酔薬の調製：予備試験の際に、動物の追加のコホートに、1.2％〜2％イソフルランを投与するための気管挿管、またはペントバルビタールナトリウム（40 mg/kg/hr）を投与するためのIVカニューレ挿管のいずれかを行った後、電気生理学記録を行った。これらの群の目的は、VPL発火活動に及ぼす麻酔のタイプおよびレベルの最小の効果を確立することであった。
【００５８】
DBS：自発的および誘発活動を記録する少なくとも2回連続シリーズの測定後、電極を記録装置から外した。単離したパルス刺激器の陰極を電極に接続して、陽極を、ラットの頭部基底部の皮膚に接続して、体の接地とした。予備的な幅0.5 msの矩形パルスを周波数100 Hz、0.5 Vで1秒間適用した。刺激の直後、電極を刺激器から外して、記録器に再度接続して、記録を再開した。背景活動を40秒間記録して、先に記述した漸増性の機械的刺激を、それぞれの間隔を40秒間あけて各20秒間適用した。任意の所定のユニットに関して活動の明白な変化がない場合、刺激の強度（1.0 Vまたは1.5 Vに）、周波数（100 Hzから200 Hzに）、または刺激の回数（3秒ごとに5回）を増加させて、電気刺激を再度適用した。最大の刺激は、全5回のパルス事象に関して200 Hz、1.5 Vで1秒間の刺激を3秒ごとに繰り返すことであった。少なくとも1つの機械的刺激に対する反応の明白な阻害が存在する場合、DBSを中止して、一連の自発的および誘発活動の連続的電気生理学的記録を10分ごとに試験した。
【００５９】
行動学試験：異痛症および痛覚過敏の存在を確認するために、CCIラットの行動学試験を熱および機械的刺激に関して行った。各動物を、馴化させるために、上昇したガラス板の上に置いたプレキシガラスチャンバーの中に試験の30分前に入れた。熱行動学試験は、放射熱源（4.7 amps）を、ラットの後脚の足底表面にガラス床を通して集中させ、それによって退避行動が起こることからなる。測定された退避反応潜時は、レーザー光線曝露の開始で始まり、床表面からラット後足が動くと終了するとして定義される。5分間あけて5回の刺激パルス事象を各後足に関して平均して、所定のセッションに関する退避反応潜時として報告した。覚醒齧歯類に及ぼすHFS治療の有効性を試験するために、1群の動物にDBS処置レジメンのあいだを通して行動学的試験を行った。DBS電極を歯科矯正用樹脂によってその場に固定して、行動学試験の際には、微小電極リードを頭蓋基底部に外科的に埋め込んだ小さいプラスチック容器の中に保存した。DBS行動学試験の動物は全て、術後6〜8日以内に1.5 Vおよび200 Hzの初回刺激を受けた。初回神経刺激の1日前に始まるベースラインの術前行動学データを、分析のために記録した。DBS事象後、行動学試験を処置後5分および30分で繰り返した。
【００６０】
組織学および画像分析：電極留置を確認することに加えて、補助的な死後組織分析を用いて関心対象領域における神経膠細胞の活性化レベルを同定した。これは、神経膠細胞の瘢痕形成に関連する小膠細胞症および大膠細胞症を評価するための機会を提供した。その後の分析のための画像を得るために、動物を麻酔して（5％イソフルラン）、抗凝固剤である硫酸ヘパリン10 USP単位を添加した氷冷リン酸緩衝生理食塩液（PBS）を心臓内に5分間（10 ml/分）灌流した後、冷却した4％パラホルムアルデヒド（PFA）のPBS溶液を5分間（10 ml/分）灌流した。この固定プロセスは、神経組織を分解から保護するために用いられた。小動物用ギロチンによる断頭後、頭部をPFA中で終夜保存した。次に脳を摘出して、完全に浸透するまで冷30％スクロース中で保存した。ホルマリン固定脳を所望の方向でブロックして、組織抱埋培地（O.C.T. Compound 4583、Tissue-Tek）の中に入れた。脳を華氏-80度で保存して、ミクロトームによって30μmの切片に切断した。これらの切片（ブレグマ-2.12 mmから-4.16 mmの範囲）をスライドガラスに載せて、乾燥させ、小膠細胞または大膠細胞のさらなる分析のためにそれぞれ、OX-42またはGFAPによって染色した。組織学的画像は全て、蛍光顕微鏡（X-cite 120 EXFO蛍光照明を有するEclipse 80i, Nikon）により獲得した。写真を高感度デジタルカメラ（Retiga Exi Fast 1394, Q Imaging）により撮影した後、アップロードして、IP LABソフトウェア（バージョン3.94r4、Scanalytics Inc.）を用いてデジタル分析した。定量的比較のために、各画像に関する500×500ピクセルの関心対象領域の平均グレースケール値を細胞密度のおおよその測定のために用いた。
【００６１】
本明細書において記述される目的物は、本明細書において開示される構造手段およびその構造的同等物、またはそれらの組み合わせを含む、デジタル電子回路において、またはコンピューターソフトウェア、ファームウェア、もしくはハードウェアにおいて実行することができる。本明細書において記述される目的物は、情報担体（たとえば、機械読み取り可能な保存デバイス）において明確に具体化される、またはデータ処理装置（たとえば、プログラム可能なプロセッサ、コンピューター、または多数のコンピューター）によって実行するためもしくはその操作を制御するための伝搬シグナルにおいて具体化される、1つまたは複数のコンピュータープログラムなどの1つまたは複数のコンピュータープログラム産物として実行することができる。コンピュータープログラム（同様にプログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーション、またはコードとしても知られる）は、コンパイル型言語またはインタプリト型言語を含む任意の形状のプログラミング言語で書くことができ、スタンドアロンプログラムとして、またはモジュール、成分、サブルーチン、もしくはコンピューター環境において用いるために適した他のユニットとしての形状を含む任意の形状で利用することができる。コンピュータープログラムは、必ずしもファイルに対応する必要はない。プログラムを、他のプログラムまたはデータを保持するファイルの一部に、当該プログラム専用の1つのファイルに、または多数のコーディネートファイル（たとえば、1つまたは複数のモジュール、サブプログラム、またはコードの一部を保存するファイル）に保存することができる。コンピュータープログラムは、1つのコンピューターにおいて、または1つのサイトでの多数のコンピューターにおいて実行されるように、または多数のサイトを越えて配布されて通信ネットワークによって相互接続されるように配置することができる。
【００６２】
本明細書において記述される目的物の方法の段階を含む本明細書において記述されるプロセスおよびロジックの流れは、入力データにおいて操作して出力を生成することによって、本明細書において記述される目的物の機能を行うために1つまたは複数のコンピュータープログラムを実行する1つまたは複数のプログラム可能なプロセッサによって行うことができる。プロセスおよびロジックの流れはまた、特殊な目的のロジック回路としてたとえばFPGA（現場でプログラム可能なゲートアレイ）またはASIC（特定用途向け集積回路）として実行することができ、および本明細書において記述される目的物の装置は、特殊な目的のロジック回路として実行することができる。
【００６３】
コンピュータープログラムを実行するために適したプロセッサには、例として全般的および特殊な目的のマイクロプロセッサ、ならびに任意の種類のデジタルコンピューターの任意の1つまたは複数のプロセッサの両方が挙げられる。全般的に、プロセッサは、指令を受け取って、読み出し専用メモリまたはランダムアクセスメモリまたはその両方からのデータを受けるであろう。コンピューターの必須要素は、指令を実行するためのプロセッサならびに指令およびデータを保存するための1つまたは複数のメモリデバイスである。全般的に、コンピューターはまた、データを保存するための1つまたは複数のマスストレージデバイス、たとえば磁気、磁気光学ディスクまたは光学ディスクを含むか、またはそれらからのデータを受けるもしくはそれらにデータを転送するように機能的に連結される、またはその両方であろう。コンピュータープログラムの指令およびデータを具体化するために適した情報担体は、例として半導体メモリデバイス（たとえば、EPROM、EEPROM、およびフラッシュメモリデバイス）；磁気ディスク（たとえば、内部ハードディスクまたはリムーバブルディスク）；磁気光学ディスク；および光学ディスク（たとえば、CDおよびDVDディスク）を含む全ての型の非揮発メモリを含む。プロセッサおよびメモリは、特殊な目的のロジック回路によって補足されうる、または組み入れられうる。
【００６４】
ユーザーとの相互作用を提供するために、本明細書において記述される目的物は、情報をユーザーに表示するためのディスプレイデバイス、たとえばCRT（ブラウン管）またはLCD（液晶ディスプレイ）モニター、ならびにそれによってユーザーがコンピューターに入力を提供することができるキーボードおよびポインティングデバイス（たとえば、マウスまたはトラックボール）を有するコンピューター上で実行することができる。他の種類のデバイスを同様に、ユーザーとの相互作用を提供するために用いることができる。たとえば、ユーザーに提供されるフィードバックは、任意の型の感覚フィードバック（たとえば、視覚的フィードバック、聴覚的フィードバック、または触覚フィードバック）でありえて、ユーザーからの入力は、聴覚、言語、または触覚入力を含む任意の形で受けることができる。
【００６５】
本明細書において記述される目的物は、バックエンド成分（たとえば、データサーバー）、ミドルウェア成分（たとえば、アプリケーションサーバー）、またはフロントエンド成分（たとえば、グラフィカルユーザーインターフェースを有するクライアントコンピューター、またはそれを通してユーザーが本明細書において記述される目的物の実行と相互作用することができるウェブブラウザ）、またはそのようなバックエンド、ミドルウェア、およびフロントエンド成分の任意の組み合わせを含むコンピューターシステムにおいて実行することができる。システムの成分を、デジタルデータ通信の任意の形または媒体、たとえば通信ネットワークによって相互接続することができる。通信ネットワークの例には、ローカルエリアネットワーク（「LAN」）またはワイドエリアネットワーク（「WAN」）、たとえばインターネットが挙げられる。
【実施例】
【００６６】
実施例1：神経障害ラットの視床の後外側腹側核におけるシングルユニット生理学
神経損傷に副次的な神経障害性疼痛はしばしば、慢性的であり、知覚不全を伴う。これは、末梢神経および脊髄において十分に記述されているが、脳では比較的理解されていない神経可塑性として知られる神経生理学の長期間の変化に関連している。薬物療法の最近の進歩にもかかわらず、神経障害性疼痛はなおも管理が不十分なままである。
【００６７】
異常な視床生理学の初期臨床評価が報告されたが、これは後に神経原性疼痛、中枢求心路遮断疼痛のみならず、末梢神経障害性疼痛を有する患者の視床髄板内核群、視床内側核群および腹側核群に存在した。これらの痛みを伴う状態において、シングルユニット活動は一般的に、より高い自発的発火確率、誘発発火頻度の増加、異所バースト生成、および律動異常活動に関して記述されている。
【００６８】
慢性疼痛において異常に発火する視床ニューロンの臨床証拠は、動物モデルからのデータによって確証されている。脊髄損傷後の中枢性疼痛を有するラットでは、視床の後外側腹側（VPL）核のニューロンは、より高い自発的発火確率、後発射、増加した誘発反応、および特徴的なバースト生成パターンを明らかに示す。これに対し、中枢性の病変を伴わない末梢神経障害損傷後のVPLニューロンの緊張性またはバースト発火の変化についてはほとんどわかっていない。
【００６９】
VPLにおける侵害受容ニューロンは、主に脊髄視床路ニューロンからの上行性の投射を受けて、一次体性感覚皮質を含むいくつかの皮質領域へと投射する。VPL内で、中枢感作および慢性疼痛におけるその役割が十分に報告されている脊髄レベルでのWDRニューロンと表現型が相同な1群のニューロンが、広作動域（WDR）の機械的刺激に反応する。
【００７０】
疼痛と神経可塑性の相関に加えて、深部脳刺激（DBS）による神経調節の治療効果はさらに、脳の可塑性が機能的重要性を有する可能性があることを示唆している。たとえば、中脳水道周囲灰白質および運動皮質におけるDBSは疼痛症状を有効に軽減して、鎮痛薬の必要性を減少させる。慢性疼痛に関するDBSの1000回より多くの臨床症例が、70年代および80年代に行われた。米国食品医薬品局（FDA）は、80年代後半にその承認を取り消したが、患者の選択性およびより重要なことに基礎的な機序の理解が強調されて、ここ10年のあいだこの医学的技法の関心が復活している。VPLにおけるDBSに関して、神経可塑性および知覚現象に及ぼす微小刺激の効果に関連する情報は限られており、臨床試験は様々な結果を報告している。
【００７１】
DBSの機序は十分には理解されていないが、刺激周波数は重要な要因を表し、切除の機能的効果を模倣する高周波刺激（HFS、＞100 Hz）は、局所回路の「妨害」とも呼ばれる。VPLにおけるHFSは、末梢神経障害ラットの機械刺激異痛症を低減させる。
【００７２】
HFSは、過活動VPLニューロンを阻害するために用いることができ、このように、神経可塑性を逆転させて、その後の行動学的過敏症を逆転させるために用いることができる。ナイーブラットにおけるVPLニューロンの細胞外のシングルユニットの発火を記録した。座骨神経の慢性絞扼性神経損傷（CCI）後の神経障害ラットからの発火も同様に記録した。データは、CCIラットの緊張性およびバースト発火パターンが、ナイーブラットのパターンとは有意に異なること、および高周波（低周波ではない）でのVPLの微小刺激後に部分的に逆転して、その後痛覚過敏が減弱されたことを示している。
【００７３】
以下の材料および方法を用いて、本実施例において記述されるデータを生成した。
【００７４】
成体雄性Sprague-Dawley系ラット（250〜300 g）を本試験において用いた。
【００７５】
慢性絞扼性神経損傷（CCI）
既に記述されているように（Owolabi SA, Saab CY (2006) Fractalkine and minocycline alter neuronal activity in the spinal cord dorsal horn. FEBS Lett 580:4306-4310; LeBlanc BW, Iwata M, Mallon AP, Rupasinghe CN, Goebel DJ, Marshall J, Spaller MR, Saab CY (2010) A cyclic peptide targeted against PSD-95 blocks central sensitization and attenuates thermal hyperalgesia. Neuroscience 167:490-500；その両方が参照により本明細書に組み入れられる）、当初記述されたモデル（Bennett GJ, Xie YK (1988) A peripheral mononeuropathy in rat that produces disorders of pain sensation like those seen in man. Pain 33:87-107；参照により本明細書に組み入れられる）からの改変CCIを行った。深麻酔（3〜4％イソフルラン）下で、大腿中央レベルでの皮膚切開および大腿二頭筋の鈍器による切開後に座骨神経を露出した。クロムガット結紮糸（5-0）3本を、その3分岐の近位で1 mm離して神経周囲に緩く巻いた。CCI後、その上の筋肉および皮膚を4-0ナイロン縫合糸によって層状に閉じて、動物を回復させた。ラットを同じ術前の条件で維持して飼料を自由に与えた。CCI後7日目に神経障害症状が発現してその後数週間持続する。
【００７６】
シングルユニット細胞外記録
ナイーブ群およびCCI群の動物に、確立された方法（Hains BC, Saab CY, Waxman SG (2006) Alterations in burst firing of thalamic VPL neurons and reversal by Na(v)1.3 antisense after spinal cord injury. J Neurophysiol 95:3343-3352；参照により本明細書に組み入れられる）に従ってVPLニューロンからの細胞外シングルユニット記録を行った。動物あたり1〜2ユニットの活動を記録した。ラットをまず、イソフルラン（誘導チャンバー中で4％）によって麻酔して、気管挿管によって維持した（1.5％；興味深いことに、イソフルランまたはペントバルビタールナトリウム（60 mg/kg）麻酔下での発火頻度に差は認められなかった）。頭部を定位固定装置（Kopf Instruments, Tujunga, CA, USA）に固定して、皮膚切開および限定的開頭により、視床内の記録部位に対して頂部の脳表面を露出した。ニューロンユニットを視床のVPL核から単離した[mmでのそれぞれの定位座標：ブレグマ（-3.3、-2.5）；外側（2.8、3.6）；頂部（5.4、6.4）]。細胞外シングルユニット記録を5 MΩテフロンコーティングタングステン微小電極（A-M Systems, Carlsborg, WA, USA）によって行った。電気シグナルを増幅して、300〜3000 Hz（DAM80, World Precision Instruments, Sarasota, FL, USA）でフィルタリングして、データ収集システム（CED micro 1401 mkII; Cambridge Instruments, Cambridge, UK）によって処理して、刺激周囲の時間ヒストグラムを作製した。保存された個々のユニット活動のデジタル記録を想起して、Spike2ソフトウェア（Cambridge Electronic Design, CED, Cambridge, UK）によってオフラインで分析した。体表面を優しくプロービングすることにより1つのユニットを同定後、その受容野のマップを作成して、実験者によって刺激した。
【００７７】
誘発された活動を調べるために、6つのルーチンの自然の機械的刺激を以下の順に適用した：コットンアプリケーターによって皮膚に適用されるブラシ；1回/秒の定期的な頻度でフィラメントの曲がりを引き起こすために十分な力によるフォンフライフィラメント3本（0.6、8、および15 g）；皮膚のひだにグリップ力の弱い（144 g/mm2）大きい動脈クリップを取り付けることによる圧；および皮膚のひだにグリップ力の強い（583 g/mm2）小さい動脈クリップを適用することによるピンチ。ブラシ、圧、およびピンチに対するその反応性によって多受容ユニットを同定し、フォンフライ刺激の強度を増加させると反応性は増加した。各刺激が一次受容野に確実に適用されるように、および単離されたユニットが、Spike2テンプレートマッチングを用いて各実験の持続のあいだ安定なままである活動電位を確実に示すように注意した。発火活動を20秒間でのスパイクの平均頻度としてコンピューターにより計算して、刺激前ベースライン活動を差し引くことによって誘発反応および後発射を計算して、発射頻度の真の増加を得た。後発射は、20秒間の侵害ピンチ刺激除去後の持続的発射として定義された。カーソルを刺激の開始および終了に設定して、カーソル間に起こった全てのスパイクを合計した。カーソルをまた、トレースの開始および40秒後（ベースラインまたは非誘発発火）に設定して、この期間に発生したスパイクを合計して背景活動の測定を提供した。2つの合計をそれぞれの期間によって除して、得られた平均値（スパイク/秒）を差し引くと、反応に起因する値（刺激時の過剰な背景活動での1秒あたりの総スパイク数）が得られた。個々にマップを作製した受容野を有する1つから2つのニューロンを各ラットに関して記録した。Spike2を用いて、ニューロンの活動をオフラインで分析した。
【００７８】
何例かのラットにおいて、脊髄を同様に胸椎（T4〜T6）レベルでの椎弓切除により露出して、2％局所リドカインを、外科用綿撒糸を用いて脊髄の背側および外側表面に適用して、10分後、VPLニューロンからの記録を続けながら鋭利な鋏を用いて脊髄を完全に離断した。
【００７９】
推定電荷密度
それより上では組織損傷が起こる最大許容可能電荷密度に関して、理論的上限値30μC/cm2が以下の式に基づいて提唱されている（Medtronic (1998) DBS TM technical manual. Minneapolis: Medtronic; Kuncel AM, Grill WM (2004) Selection of stimulus parameters for deep brain stimulation. Clin Neurophysiol 115:2431-2441; Shimojima Y, Morita H, Nishikawa N, Kodaira M, Hashimoto T, Ikeda S (2010) The safety of transcranial magnetic stimulation with deep brain stimulation instruments. Parkinsonism Relat Disord 16: 127-131；その各々が参照により本明細書に組み入れられる）：
電圧（V）×パルス幅（μs）
インピーダンス（Ω）×電極SA（cm2）
【００８０】
したがって、刺激パラメータの以下の近似、すなわち1 V、幅500μs、1500Ω、および0.02 cm2電極先端表面積を考慮すると、本発明者らの行動学実験において用いられる銀微小電極先端付近の電荷密度はおおよそ16μC/cm2であり、すなわち、最大密度より下である（急性の電気生理学実験において用いられるタングステン微小電極の電荷密度は、電極のインピーダンスがより高いためにかなり低い）。加えて、モデル試験は、両極性の刺激電極を用いる「電流ステアリング」の可能性を示唆しており、それによって刺激に供される領域の形状が脳における関心対象の特定の領域とより厳密に重なり合うことができ、それゆえ刺激効能を改善して、副作用を最小限にすることができる。モデル試験（たとえば、Butson CR, Maks CB, McIntyre CC (2006) Sources and effects of electrode impedance during deep brain stimulation. Clin Neurophysiol 117:447-454; Butson CR, McIntyre CC (2006) Role of electrode design on the volume of tissue activated during deep brain stimulation. J Neural Eng 3: 1-8; Butson CR, McIntyre CC (2008) Current steering to control the volume of tissue activated during deep brain stimulation. Brain Stimul 1:7-15）を参照すると、単極電極による刺激パラメータによって、理論的に半径およそ2 mmの球状の電場が得られるが、両極電極設計および脳でのその方向を考慮すると、図17に例証される近似に従って、電場の電位とVPL核のあいだで最適なオーバーラップが予測された。
【００８１】
バースト分析
バースト事象を、Spike2 Burstスクリプトを用いて以下の基準を用いて同定した：バーストの開始を意味する2つの事象のあいだの最大間隔6 ms、バースト内の2つの事象のあいだの最長の間隔9 ms、およびバーストにおける事象の最少数2。以下のパラメータを、背景活動、6回の天然の機械的刺激誘発発射および後発射の記録期間の際に計算した：バースト事象の数、平均バースト間時間（ms）、およびバースト中の％スパイク：
平均スパイク／バースト×バースト数×100
総スパイク
【００８２】
VPLにおける微小刺激。麻酔したラットにおけるニューロン発火に及ぼす微小刺激の効果を試験するために、同じ記録電極をVPL内での微小刺激のために用いた。シングルユニットを同定して、刺激前（ベースライン）発火頻度を記録した後、電極を記録機器から外して、刺激器（A-M Systems Isolated Pulse Stimulator）に接続した。幅0.5 msの矩形波を周波数100 Hzで0.5 Vで1秒間適用した。刺激の直後に電極を刺激器から外して、ベースライン測定後2〜3分以内にデータの獲得を再開した。任意の所定のユニットに関して、刺激後の発火の変化が明らかでなかった場合、強度（1.0 Vおよび1.5 V）、周波数（100 Hzおよび200 Hz）をそれぞれ増加させて、3秒ごとに微小刺激パルス5回までの電気刺激を再度適用した。少なくとも1つの誘発反応が微小刺激によって調節されると、DBSを停止させて、発火頻度のその後の電気生理学的記録を10分毎に試験した。それゆえ、所定の任意のユニットに関して、「最小の」刺激は0.5 V、100 Hzで1秒間のパルス1回からなり、「最大の」刺激は、1.5 V、200 Hzで1秒間の矩形パルス5回からなった。
【００８３】
非麻酔ラットの行動に及ぼす微小刺激の効果を試験するために、両極銀線（およそ1.5 KΩ）をCCIの当日に長期間埋め込んだ。電極部分をエポキシ樹脂と共に融合させて陰極および陽極を形成した。テフロンコーティングを除去して各電極の先端0.5 mmを露出して、先端と先端とを垂直方向に1 mm離した。最初に、長いほうの先端を記録機器に接続して、局所細胞外電位を記録して、反対側の後足において受容野を有するVPL領域の位置を特定した（電場の最適なステアリングおよびVPL核構造とのオーバーラップに関して、VPLに対する電極の方向に関するさらなる詳細については以下の説明を参照されたい）。後足の機械的プロービングに反応して活動の明確な増加が記録されると、微小電極リードを頭蓋の基部に固定した小さいプラスチック容器の中に入れて、ねじおよび整形外科用樹脂を用いて針金を頭蓋に永続的に固定した。退避反応潜時を微小刺激（1.5 V、200 Hzで1秒間の矩形パルス3回；A-M Systems Isolated Pulse Stimulator）の5分前（ベースライン）および2時間後まで測定した。
【００８４】
行動学分析
足の熱過敏性を、放射熱源に反応した退避反射の潜時を測定することによって評価した。動物を上昇したガラス板の上のプレキシガラスボックスの中に入れて、その下で放射熱源（4.7 amps）を後足の足底表面に適用した。5分間休ませて5回刺激した後足の退避反応潜時（PWL）を、各々の足について平均した。「ベースライン」術前値に関して、データを両足について平均したところ、PWLの足による差は観察されなかった。
【００８５】
OX-42およびGFAP免疫反応性
ラットをペントバルビタール（60 mg/kg、腹腔内）によって麻酔した後、氷冷PBSによって心臓内を灌流した後、緩衝4％パラホルムアルデヒドによって心臓内を灌流した。脳を緩衝4％パラホルムアルデヒドによって終夜後固定して、30％スクロースによって平衡にして、OCT凍結剤化合物（TissueTek Sakura）中で-80℃で凍結した。冠状切片（30μm）をスライドガラスに載せて、ヤギ血清によってブロックした。切片をOX-42（Santa Cruz Biotech、マウスIgG、1：50）、またはGFAP（Chemicon International、マウスIgG、1：100）によって4℃で終夜染色した。スライドガラスをPBSによって洗浄して、ヤギ抗マウスIgG（VectorLab 1：2000）によってプロービングして、Nikon Eclipse蛍光顕微鏡によって可視化して、Qiacam CCDカメラを用いて画像を得た。各動物においてスライドガラス1枚あたり、CCIに対して両側のVPL内の3つの既定の非重複（160μm）2ボックスにおける平均蛍光強度を、ImageJ（NIH v1.43n）を用いて測定した。
【００８６】
統計分析
統計学試験は全て、パラメトリック検定を用いて0.05のα有意水準で行った。一元配置（one-way）ANOVAを用いて、データを有意性に関して試験して、試料内の変動の程度および得られた平均値が群によって差があるか否かを決定した。適当であれば、対応のある比較を含む要因の試験を行い、前後の比較に関する対応のあるStudentのt検定、または2群を比較するための2試料のStudentのt検定のいずれかを行った。データ管理および統計分析は、エクセルを用いて行い、平均値±標準偏差として表記した。
【００８７】
細胞外で記録された活動電位を、テンプレートマッチ技術を用いて深麻酔下で視床のVPL核におけるシングルユニットから単離した。全てのユニットは、比較的一定の電圧の振幅で活動電位を発射して、反対側の機械的刺激に対して発火頻度を増加させて反応した。ナイーブラットの代表的な例において、刺激周囲時間のヒストグラムは、侵害および非侵害刺激を反対側の後足の受容野に適用した場合に発火頻度の増加を示すが、ほとんど存在しない自発的発火と比較して、フォンフライフィラメントの増加させた強度に対して段階的な反応を認める（図18A、上のパネル）。CCIの7日後、圧およびピンチ刺激に対する誘発応答は増加するが、自発的活動および後発射は上昇する（図18A、下のパネル）。ナイーブラットと比較すると、CCIラットの反対側の後足に受容野を有するVPLニューロンの平均発火頻度は、ブラシおよびピンチに対する反応がそれぞれ、246％および137％へと有意に増加して、異所自発的活動の出現および後発射の243％への有意な上昇を示した（図18Bおよび表1（図29））。対照的に、CCIラットにおけるブラシおよびフォンフライフィラメント（0.6、8、および15 g）に対する誘発反応の平均頻度は、ナイーブラットの対応する値と有意差はなかった。このように、座骨神経障害は、反対側の損傷した後足に受容野を有するVPLにおけるWDRニューロンの可塑性に関連している。可塑性は、高い発火頻度での非誘発発火の出現に加えて、非侵害性の圧および侵害性のピンチに反応した選択的過剰興奮性として出現する。注目すべきは、CCIラットの後足を除く体性受容野を有するVPLニューロンのフォンフライフィラメント（0.6、8および15 g）、圧およびピンチに対する誘発反応は、CCI後のブラシ誘発反応の有意な増加を除き、ナイーブラットの対応する値と有意差はなかったが、自発的活動および後発射は、ナイーブおよびCCIラットの両方において1 Hz未満であった（図25）。
【００８８】
加えて、自発的な律動性振動が、CCIラットから記録されたVPLニューロンの33％に観察された。1つの代表的な例において、振動エポックの際の発火頻度は、ピンチ誘発反応の発火頻度に達した。しかし、律動性振動およびブラシ誘発反応は、胸椎レベルでの脊髄の完全な離断によって消失したが、自発的発火は高いままであった（図19A）。1つの例（図19B）は、同じユニットの刺激周囲発火頻度ヒストグラムが、離断後のほぼ平坦な発火頻度ヒストグラムと比較して、律動性振動期間（離断前）の際のシヌソイド曲線の上に重なり合うことを示す。シヌソイド曲線の平均振幅および周波数はそれぞれ、24.4±8.2スパイク/秒（ピークからピーク）および0.0095±0.00035サイクル/秒であった（図19C）。これらのデータは、高い自発的発火頻度に加えて、座骨神経障害が、胸椎レベルより下の持続的な末梢および／または上行性の入力に応じて、VPLニューロン群における律動性の異所発火パターンに相関することを示した。
【００８９】
VPL内の微小刺激がシングルユニットの発火を調節するか否かを試験するために、記録電極を通してHFSを送達して、微小刺激の前後で発火頻度を測定した。CCIラットにおいて、100 Hzの電圧振幅が段階的に増加すると、誘発発火の段階的減弱が達成され、顕著な効果は1.5 Vで認められたが。自発的活動は影響を受けなかった（図20A）。100 Hzおよび200 Hzの結果は同等であり、それゆえ共に集合的にプールした。平均発火頻度は全て、自発的活動を除き、全ての発火様式に関してHFS後10〜15分以内におよそ-50％まで有意に減少した（図20Cおよび表2）。比較すると、25 HzでのLFSは、CCIラットにおいて、それ以外ではHFSの場合に有効である同じ電圧振幅である1.5 Vでニューロン発火に対して有意な効果を示さなかった（図20B、D、および表2）。25 Hzおよび40 Hzについての結果は同等であり、それゆえ共にプールした。興味深いことに、「中等度」のHFS（mFHS；1×100 Hz、0.5 V、1秒）でさえ、CCIラットにおいて圧およびピンチ誘発反応の発火頻度ならびに後発射の有意なパーセント減少が起こった。ナイーブラットにおいて、HFSはまた、フォンフライ8 gフィラメントを除き、全ての誘発反応を減弱させた（図26および表4）。それゆえ、高い（＞100 Hz）周波数でのVPL内の微小刺激は、誘発発火および後発射を減弱させることによって、座骨神経障害によって誘発される神経可塑性を有効に逆転させるが、低い周波数（＞40 Hz）では逆転させない。
【００９０】
緊張性およびバースト発火は、シグナルプロセシングに寄与することから、いくつかのバーストパラメータを、ナイーブラットおよびCCIラットの反対側の後足の受容野を有するVPLにおけるシングルユニットに関して測定した。図21は、ナイーブラットおよびCCI後7日目の別のラットからのブラシ誘発反応の際のバースト発火の例を示す。ナイーブラットにおいて、自発的バースト事象はほとんど存在しなかったが、CCIラットでは自発的バーストの数が増加した（図22および表3）。自発的バーストは、ナイーブラットでは14ユニット中2ユニット（平均バースト事象0.4±0.3）において検出されたに過ぎなかった。それゆえ、ナイーブラットにおける自発的活動の際のバーストパラメータについては分析しなかった。対照的に、バースト事象は、ナイーブラットと比較してCCIラットにおける全ての発火モードに関して有意に増加して、これはHFS後に減弱したが、圧およびピンチ誘発反応に関して有意な変化であった（図22および表3）。バースト値におけるパーセントスパイクに関しても群のあいだで類似の傾向が観察されたが、バースト間時間の平均値に関しては反対方向の変化（すなわち、ナイーブラットと比較してCCIラットでは全ての発火モードに関して値は減少し、HFS後に増加した）が認められた。それゆえ、全般的に、バーストパターンは座骨神経障害後に正常から一貫して逸脱し、これは有意水準に達した。これらの変化は、HFS後に正常な方向へと一貫して逆転され、HFSが、緊張性およびバースト発火特性を含む神経可塑性のいくつかの異常な特色を逆転させることを示している。
【００９１】
CCIラットにおけるシングルユニットレベルでの自発的な緊張性およびバースト発火は、微小刺激によって影響を受けなかったが、HFSがVPL内の局所細胞外電位を調節するか否かを決定するために試験を行った。CCIラットのVPLから記録された局所細胞外電位の標準化パワースペクトル（高速フーリエ変換を用いて計算してSpike2を用いてプロットした）は、HFSの前後で振幅または周波数が有意に変化しない優勢なピークを低β周波数範囲（10〜20 Hz）で示し（図23）、HFSが集団レベルでVPLの自発的ニューロン活動に及ぼす調節が最小であるか、または調節を引き起こさないことを示唆している。
【００９２】
本試験において用いられるパラメータと同等のHFSパラメータが、CCI誘発異痛症を減弱させることが証明されていることから（Kupers RC, Gybels JM (1993) Electrical stimulation of the ventroposterolateral thalamic nucleus (VPL) reduces mechanical allodynia in a rat model of neuropathic pain. Neurosci Lett 150:95-98、参照により本明細書に組み入れられる）、HFSがまたCCIラットの熱痛覚過敏を調節するか否かを決定するための実験を行った。この技法を用いるこれまでの知見と一貫して（Saab CY, Hains BC (2009) Remote neuroimmune signaling: a long-range mechanism of nociceptive network plasticity. Trends Neurosci 32: 110-117; Saab CY, Shamaa F, El Sabban ME, Safieh-Garabedian B, Jabbur SJ, Saade NE (2009) Transient increase in cytokines and nerve growth factor in the rat dorsal root ganglia after nerve lesion and peripheral inflammation. J Neuroimmunol 208:94-103; LeBlanc BW, Iwata M, Mallon AP, Rupasinghe CN, Goebel DJ, Marshall J, Spaller MR, Saab CY (2010) A cyclic peptide targeted against PSD-95 blocks central sensitization and attenuates thermal hyperalgesia. Neuroscience 167:490-500、その各々が参照により本明細書に組み入れられる）、損傷した後足のPWLは、CCI後7日目で、非損傷後足の10.6±1.9秒および術前の両方の後足の平均潜時の11.1±1.6秒（図24A）と比較して6.8±1.1 秒へと有意に減少し、座骨神経障害によって熱痛覚過敏症が信頼可能に起こったことを示している。CCI当日に座骨神経損傷とは反対側に長期間埋め込まれた両極性の刺激電極を用いて、熱退避反射を試験しながら、1.5 VのHFS電圧をVPL内に送達した。偽条件下で（電圧刺激を行わずに電極を刺激器に接続する）、損傷後足の退避反応潜時は、非損傷後足と比較して減少したままであった（図24B）。しかし、損傷した後足の退避反応潜時は、HFSの5分後に一過性に逆転して、2時間後に再現可能な効果を示した。平均退避反応潜時は、損傷した後足において、HFSの5分後および10分後でそれぞれ、6.3±0.9秒から9.1±0.1秒および7.3±0.1秒へと一過性に有意に逆転した。注目すべきは、非損傷後足の退避反応潜時もHFS後に増加したが、この変化は有意ではなかった（図27）。
【００９３】
最後に、VPLに長期的に埋め込まれた電極の先端のまたは先端周囲の組織切片において、GFAPおよびOX-42を定量したところ、反対側のVPLと比較して発現の有意な変化がないことが明らかとなり（図28）、電極の埋め込みおよびHFSに対する膠細胞の反応性が限定的であることを示している。
【００９４】
末梢神経障害性損傷は、反対側を損傷した後足において受容野を有するVPLニューロンの神経可塑性に関連している。異常な生理学的特性は、より高い自発的発火頻度、後発射の発火頻度の増加、ならびに非侵害および侵害機械的刺激に反応した誘発発火頻度の増加を含む。加えて、バースト発火および律動性振動の有意な変化が観察された。それ以外では、体のどこかで受容野を有するニューロンの発火は、ブラシ刺激に対する反応の増加を除き、変化しなかった。
【００９５】
データは、CCI後10日目のラットにおいて、自然発火の増強、ならびにブラシ、圧、およびピンチ刺激によって誘発された活動の増加を確認した。本試験において用いたCCIモデルに対していかなる軽微な改変も加えることなく、緊張性およびバースト発火の他の異常なパターンに加えて、神経障害性行動に付随するより初期（7日目）の時点でのフォンフライ毛刺激に対する過敏反応性および後発射を含めるように、これらの観察を延長した。
【００９６】
VPLニューロンの過敏反応性、律動性振動、およびバースト生成は、脊髄挫傷後のラット中枢性神経障害性疼痛モデルにおいて観察される。正常なラットのニューロン発火と比較して、脊髄病変ラットの発火は、単純なバーストと紡錘型エポックのあいだを交互したが、バーストあたりのスパイク数は減少して、バースト間間隔は変化しなかった。この試験と比較すると、異なる病変部位（座骨神経対脊髄）はおそらく、VPLにおける異常発火の不完全にマッチしたパターンを説明する。しかし、末梢または中枢性の神経障害を有するラットにおける自発的ニューロン発射は脊髄の完全な離断後も高いままであり、これらの変化が特にVPLニューロンに対して「本質的」であるが、本試験において記述される律動性振動は持続的な上行性入力に依存することを示唆している。
【００９７】
発火頻度に加えて、スパイクのタイミングは、スパイク列における情報内容を決定するための重要な要因である。バーストスパイクおよび単離されたスパイクはいずれも刺激関連情報の暗号化に寄与する（Middleton JW, Yu N, Longtin A, Maler L (2011) Routing the flow of sensory signals using plastic responses to bursts and isolated spikes: experiment and theory. J Neurosci 31:2461-2473；参照により本明細書に組み入れられる）。それゆえ、バースト発火は、ニューロン暗号の重要な特色であり、体性感覚皮質におけるVPLの上流のニューロンを含むシナプス後ニューロンに有効に影響を及ぼすことができる。バースト生成は、入ってくるシグナルの時間的頻度成分によって調節することができ、これは末梢神経障害の場合には、末梢および脊髄レベルで有意に変化する。バーストの持続およびバーストスパイクの相対的タイミングは、特異的刺激特色を暗号化することができる。外側膝状核のニューロンは、様々な刺激に反応してバーストおよび単発のスパイクを発射するが、異なる刺激条件は異なるバースト生成パターンを選択的に誘発する。バースト生成はまた、聴覚および体性感覚系を含む視床皮質投射細胞においても報告されている。VPLニューロンにおけるバースト生成の機能的重要性および慢性疼痛状態におけるその調節はわかっていないが、興味深いことに、視床皮質シナプスの短期間の可塑性は、上行性の感覚入力に対する皮質反応性の感受性を加速すると考えられている。
【００９８】
バースト発火は、神経根損傷患者の腹側視床において報告されており、自己報告性の接触誘発異痛症の事例で起こっている。異常に活動的なニューロンを含む視床核内を直接微小刺激すると、脊髄求心路遮断疼痛患者のみならず神経根損傷疼痛患者において焼けるような異常感覚を生じるが、同じ領域の微小刺激が同様に疼痛の軽減を提供する可能性がある。これらの知見は、視床細胞の異常な生理学が、異常感覚に直接関連する可能性があるものの、機能的転帰は疼痛状態および神経刺激プロトコールに依存することを示唆している。バースト発火そのものよりむしろ、バースト発火パターンの変化が、疼痛関連可塑性の信頼できるマーカーである可能性があることは注目に値する。たとえば、バースト発火は、疼痛のない求心路遮断対象において起こりうる。
【００９９】
CCIラットにおけるHFSは、正常な状態の方向での異常なバースト生成パターンに対して「逆転」効果を引き起こし、全ての発火モダリティを超えて一貫した結果を示した。これは、運動障害に関する治療範囲でのHFSが、主にニューロン発火またはニューロンの「妨害」を阻害することによって作用するという前提と一致する。本明細書において記述されるデータは、VPLにおける過剰活動ニューロンおよびシングルユニットレベルでのニューロン発火に及ぼすHFSおよびLFSの効果の比較に関する。HFSは、ニューロンの過敏反応性を有効に逆転したが、自発的活動は変化せず、機械刺激に対する全体的な反応性は減少したものの、消失しなかった。本発明の前では、刺激周波数を変化させた場合の鎮痛に及ぼす効果を比較した試験はなかった。VPLでの低周波数（50 Hz）刺激は、ナイーブラットにおいて鎮痛をほとんどまたは全く生じないことに注目することは興味深い。インビボおよびコンピューターによるモデルを用いるデータは、高周波シグナルが、低周波シグナル、たとえば末梢の機械的刺激によって誘発されたシグナルによって引き起こされる脱分極を一過性に中断することによって、バースト生成を抑制することを示唆している。臨床の状況において、慢性求心路遮断疼痛を有する患者の視床髄板内核におけるシングルユニットは、高い発生頻度で、しばしば律動的に自発的に活動電位を発射する。これらの患者において、バーストは、発生頻度1〜4バースト/秒の短い（2〜6スパイク/バースト）バーストとして、または類似の頻度の長い（30〜80スパイク/バースト）バーストとして記述される。本明細書において記述される自発的バースト発火は、主に、短いバースト生成モード（2.4±0.1スパイク/秒および0.6±0.4バースト/秒；図22および表4におけるデータに由来する値）に良好にマッチした。
【０１００】
中枢性疼痛を有するラットにおいて、体性感覚皮質におけるニューロンの発火もまた、VPLニューロンに関して記述されたように変化する。視床皮質連絡の機能障害は、慢性疼痛の共通の症状である触覚異痛症および熱痛覚過敏に類似の認知障害および知覚障害の基礎となりうる。複合性局所疼痛症候群患者における脳磁図活動の分析は、正常対象と比較してパワースペクトルの明確なシフトを示し、慢性疼痛に関連する脳の生理学的変化が、ネットワーク接続性の有意な障害として現れる可能性があることを示唆している。これらの電気生理学的データを確証して、画像試験により、最も一般的に帯状回、眼窩前頭皮質、および島皮質において、灰白質が減少したいくつかの脳の領域が報告された。いくつかの研究はまた、一次および二次体性感覚皮質および視床の変化を示している。このいくぶん散在性の解剖学的分布は、慢性疼痛といくつかの感情障害との同時罹病のみならず、疼痛患者を含む臨床試験における様々な投薬によって引き起こされる混同変数を反映している。
【０１０１】
1つの重要な検討は、微小刺激の結果として組織障害が起こる可能性がある点である。しかし、行動学実験における微小刺激の際に最適な電荷密度を用いたことおよび神経膠細胞が活性化されなかったことにより、本明細書において記述される方法およびシステムを用いた刺激部位での組織損傷は、あったとしても少ないことを示している。
【０１０２】
データは、CCIラットにおける熱痛覚過敏に及ぼすHFSの抗侵害受容効果を証明し、同様に同等の刺激パラメータのHFSを用いて同じ動物モデルでの機械的異痛症試験において類似の効果を示すこれまでのデータを補足する。中脳水道周囲灰白質（PAG）、視床内側核などの脳の様々な部位のみならず、一般的に標的とされることが少ない橋中脳結合腕傍核領域の電気刺激は、標準的な薬物療法に反応しない慢性疼痛の軽減において有効であることが臨床的に証明されている。
【０１０３】
腰椎後角ニューロンに対して下行性の抗侵害受容制御を媒介することが知られているPAGのニューロンは、VPLでの電気刺激によって活性化することができ、これはナロキソンの全身投与によって影響を受けない作用であり、これはVPL-PAG鎮痛経路がオピオイド系を伴わない可能性があることを示唆している。この機序は、皮質下脳刺激の鎮痛効果が、脊髄のレベルで非侵害性伝達を遮断する脳室周囲および中脳水道周囲領域に集中する下行性の「疼痛抑制系」が活性化された結果であるという広く支持されている考え方に対する代わりの説明を提供する。脊髄における霊長類脊髄視床路（STT）ニューロンは、VPLにおける単側性の低電流（＜25μA）の高周波（333 Hz）刺激によって両側に阻害され、VPLにおける単側性の微小刺激に反応して両方の後足の退避反応閾値の増加を示す本明細書において記述されるデータを支持する。加えて、VPL刺激は、脊髄侵害受容ニューロンを阻害する視床皮質-皮質遠心性投射後の皮質遠心性阻害経路を活性化するために十分な体性感覚皮質への入力を引き起こしうる。同様に、VPL刺激が、PAGおよび大縫線核を含む中脳幹に投射するSTTニューロンの逆行性の軸索側副枝を活性化して、このように鎮痛効果が得られる可能性がある。
【０１０４】
VPLにおける高周波数の低圧刺激は、VPLニューロンを局所的に阻害して、その後の皮質領域への侵害受容シグナルの伝達を阻害することができる。機序は、局所侵害受容回路の「妨害」、より広いネットワーク内での阻害構造の活性化、電位依存性電流などの膜イオンチャンネルの遮断、脱分極遮断、シナプス消耗、および初期遺伝子の誘導などの原因の1つまたは組み合わせを含む。
【０１０５】
実施例2：疼痛の客観的診断指標
神経障害性疼痛は、本発明の前まで信頼できる診断がなかった神経学的障害である。本発明の方法およびシステムは、疼痛管理における長年の問題に対する解決策を提供する。疼痛の客観的測定により、より正確な診断、治療のモニタリングおよび最適化が得られ、このように全体的な臨床転帰が改善される。加えて、疼痛の生理学的相関は、閉回路神経調節システムの設計において有用である。
【０１０６】
局所細胞外電位（LFP）およびマルチユニット活動は、ニューロンの局所ネットワークから細胞外で記録されるシグナルである。LFPは、記録電極の局所近傍でニューロンの膜電流によって生成される未加工記録の低周波（＜0.5 Hz）成分を表すが、高周波（＞1 kHz）成分は、ニューロンの活動電位スパイク生成を表す。そのため、細胞集団の協調活動は、LFPにおける規則的振動によって反映され、これはネットワーク機能の記録および分析を最適化するための機序として提唱されている。
【０１０７】
LFPは、「疼痛シグネチャ」の良好な候補物質である。当初、非侵襲性のマクロ電極による記録が容易であったために非常に詳細に調べられたが、細胞外電位は、感覚および運動現象に関連しながら多数のスパイク生成ニューロンのプールから測定された情報の多いシグナルを含む。細胞外電位の変化は、刺激（たとえば、侵害性の機械刺激または非侵害性の触覚刺激）によって誘発される外部事象、または思考プロセス（たとえば、自発的疼痛）による内部皮質の動態（内因性の振動または律動）によって誘発される（誘発電位）。それゆえ、LFPの分析により、多数のニューロンネットワーク、たとえば通常の意識および覚醒状態の基礎となると考えられる視床皮質ネットワークのみならず、疼痛および抑うつなどの神経障害を同時に調べることができる。細胞外電位は、皮質内（LFP、穿通電極を用いて）で、皮質上部（EcoG電極）もしくは頭皮上（EEG）で、または接平面を測定する脳磁図（MEG）によっても記録される。
【０１０８】
脳シグナル内に含まれる情報の量は、細胞内から細胞外へと、シングルユニットからマルチユニットおよび細胞外電位へと、ならびにLFPからECoGおよびEEGおよびMEGへと通過する際に減少する。多くの研究者らが最近、翻訳目的のためのより侵襲性の低い記録と、最適な情報内容とのバランスをとることが都合がよいと主張している。
【０１０９】
疼痛に関連する脳の活動を示すデータを以下に示す（図30、31、32）。特徴的なバースト発火は、神経障害性疼痛を有する患者の視床から記録される（図30）。このバースト生成パターンは、神経障害性求心路遮断疼痛の動物モデルの視床から記録されるパターンと非常に類似しており（図31）、それによってこのニューロン活動の逆転は疼痛行動の減弱に関連した。
【０１１０】
疼痛に関連する視床のVPL核における脳の活動のさらなるパターンが、ラット座骨神経障害モデルにおいて同定された。シングルユニット活動電位の記録、誘発発火の増加は、触覚の侵害性および非侵害性刺激、侵害刺激後の後発射の増加、自発発火の出現のみならず、特徴的なバースト事象に反応することが証明された。さらに、深部脳刺激は、「疼痛シグネチャ」および減弱された疼痛行動を有効に逆転させた。
【０１１１】
ツレットおよび疼痛を含む一連の精神障害が視床皮質律動異常（TCD）に関連する可能性がある。正常な条件下での視床および皮質ネットワークの同調は、意識の基礎となると考えられており、それによって視床皮質中継ニューロンの状態依存的（感覚または認知状態）律動は、振動が起こる皮質視床入力によって持続的に作動され、このようにして感覚または認識事象を統一された知覚表象に結びつける。しかし、いくつかの神経障害は、脳のカルシウムチャンネルの調節障害に至り、このように視床網様核における異常なカルシウムスパイク生成および高周波数バーストを引き起こし、視床皮質ネットワークを低周波振動（4〜10 Hz）へと逆説的に作動させることができる（図32）。疼痛関連変化がシングルユニットおよびMEGレベルで起こるという事実は、LFP（情報内容に関して中間である）をより侵襲性の低いEEGへと翻訳できることを示している。それが同様にMEGにも翻訳できるか否かは、本試験の結果にある程度依存する。
【０１１２】
体性感覚皮質（S1）および視床の後腹側核を含む体性感覚経路の多数の段階のニューロンは、7〜12 Hzで振動を示す。それゆえ、疼痛は、LFPにおいて具体化される脳の活動の特徴的なパターンに関連し、これは疼痛治療のための閉回路技術において客観的な診断および同様に入力シグナルにとっても有用である。疼痛関連LFPは、脊髄刺激（SCS）または末梢神経刺激（PNS）によって逆転させることができ、このように理論上の自動システムのループを閉鎖することができる。
【０１１３】
実施例3：局所細胞外電位（LFP）の測定
シングルユニット記録の方法は上記のとおりであり、追加の試験を以下に記述する。
【０１１４】
成体雄性Sprague Dawley系ラット（200〜250 g）を用いた。データを収集して、可能な限り、動物の処置に対して盲検である観察者がデータを分析した。
【０１１５】
疼痛モデルは座骨神経の慢性絞扼性神経損傷を利用した。これは、ラットにおいて信頼できる疼痛行動を生じる単神経障害の広く用いられるモデルである。ラットをイソフルラン（1.5〜2％）によって深麻酔して、座骨神経を4クロムガット（4-0）縫合糸によって緩く結紮する。CCI後、その上の筋肉および皮膚を4-0ナイロン縫合糸によって層状に閉じる。
【０１１６】
機械的および熱感覚閾値を決定するために、疼痛行動を毎日試験する。術前の試験は一般的に、CCIの2日前に始まり、CCI後の10日間のあいだ1日1回行う。機械的感覚閾値は、足のなめらかな（glaborous）表面に適用される一連のフォンフライフィラメントを利用する標準的なDixonのアップダウン法によって決定される。熱痛覚過敏は、放射熱源に反応する足の退避反応潜時によって測定される。ラットを上昇したガラス板の上のプレキシガラスボックスの中に入れて、その下から放射熱源（4.7 amp）を足の足底表面に適用して、適用した刺激からラットを自由に逃避させる。足底に供することができる温度は、3秒未満の一過性の時間のあいだ最大で57℃に達することができる。有意な疼痛行動を示さないラットを試験から除外する。
【０１１７】
電気生理学評価を以下のように行う。疼痛行動を確認した後、深麻酔下（3％イソフルラン）でCCI/偽手術後7日目での最小の開頭により、ラット脳アトラスに従って同定されるVPLまたは体性知覚皮質（SI）から真上の頂部の皮質表面を露出する。LFP記録（CED 1401）は、タングステン微小電極（125μm、12 MΩ）を用いて、300 Hzより低い細胞外電位の低域フィルタリングによって行う。微小電極を、損傷した皮膚知覚帯（CCI側の後足）において同定可能な受容野を有するVPLまたはSI領域に定位に配置する。概して低周波数範囲のバンド（θ、α、およびβ律動の範囲内）のみならず、より高い範囲（100〜500 Hz）を「シフティング」に関して調べて、紡錘波の発生およびエポックも同様に同定する。スペクトルパワーのオフライン分析を、Spike2ソフトウェア（CED 1401）を用いて行った。誘発反応（触覚の侵害性および非侵害性の刺激によって誘発される）および自発活動を記録した。LFPを、ナイーブ動物のほかに、同じ動物（「内部」対照群）のCCIの反対側のみならず、CCIと同側で記録した（図35）。多数の脳構造からの記録は、動物を多数の電極穿通に供することから、VPL対SIにおけるLFP記録のために異なる群を用いた。
【０１１８】
統計分析は、SigmaStatソフトウェアを用いて行った。正規分布データに関しては、分散分析（ANOVA）およびパラメトリック検定を用いて、p＜0.05は有意であると見なされた。それ以外ではノンパラメトリック検定を用いた。対応のあるt検定は、同じ群の動物内（前/後）での手技の効果（たとえば、誘発反応またはSCSの効果）を調べるであろう。
【０１１９】
成体雄性Sprague-Dawley系ラット（220 g）を用いて、座骨神経（CCI）の慢性絞扼性神経損傷によって慢性疼痛を誘導した。疼痛行動を脳の記録前の術前7日目に試験したところ、熱痛覚過敏が確認され、制御された放射熱源によって誘発される反射である、反対側の非損傷足と比較して損傷した足における退避反応潜時の有意な減少を示した。
【０１２０】
神経障害性疼痛行動を確認した後、両側性の視床の後外側腹側（VPL）核から深バルビツレート麻酔下でLFPの記録を行い、損傷に対する同側を対照とした（主に非損傷足からの上行性の情報を受ける）。微小電極の位置を、定位座標（ラット脳アトラスに従う）、および反対側の足における対応する受容野の柔らかいブラッシングに反応した背景発火の増加によって確認した（図33）。
【０１２１】
VPLでの電極の位置を確認した後、自発的活動のみならず、反対側の足のブラッシングに反応した活動を各20秒間記録した。オフライン分析により、異なる条件下で増加したスペクトルパワーの別個のピークが明らかとなり、対照（正常側）とCCI（損傷側）のあいだで大きい差が見いだされた（図34）。
【０１２２】
対照と比較して慢性疼痛患者における自発的活動のMEGパワースペクトルにおいて報告された左方向へのシフトは、図34と一致する（左側のパネル）。認識／運動障害であるツレット症候群患者の視床LFP記録は、主なLFP周波数とシングルユニットバースト間頻度とのあいだに有意な相関があることを強調する。本明細書において記述されるデータは、VPLから記録されたシングルユニットブラシ誘発活動の平均バースト間期間が、CCI動物に関しておよそ400 msであり、ナイーブに関して100 msであり、このようにCCI後のパワースペクトルの2.5から10 Hzへの右方向のシフトを予測し、図34（右のパネル）に示されたものと正確にマッチすることを示している。それゆえ、シングルユニットレベルで記述された異常なバーストは、LFPレベルで観察されたパワースペクトルのシフトに寄与している。顕著なLFPパワースペクトルも、低い周波数（2〜7Hz）で記述され、α帯（8〜13 Hz）でも記述されたが、実質的にβ活性は存在せず、このことも図34と一致した（右のパネル）。覚醒時のヒトおよびバルビツレート麻酔下の動物でのα律動における脳のLFPおよびEEG活動の類似性が観察されており、これらの試験において用いられるアプローチおよび動物モデルの有効性をさらに確認する。
【０１２３】
本明細書において言及した特許および科学論文は、当業者に利用可能な知識を確立する。本明細書において引用された全ての米国特許および公表されたまたは公表されていない米国特許出願は、参照により本明細書に組み入れられる。本明細書において引用された全ての公表された外国特許および特許出願は、参照により本明細書に組み入れられる。本明細書において引用された全ての他の公表された参考文献、文書、原稿、および科学論文は、参照により本明細書に組み入れられる。
【０１２４】
さらに、上記の説明は、本発明について言及しているが、説明は、1つより多くの本発明を含みうる。本発明は特にその好ましい態様に関連して示し、記述してきたが、形状および詳細の様々な変化をそれらに行ってもよく、それらも添付の特許請求の範囲によって包含される本発明の範囲に含まれると理解されるであろう。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【国際調査報告】
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