目前用于探索DBS作用机制的方法主要包括神经元电生理记录、神经生化分析、计算机模拟技术和功能影像学研究等，它们分别从不同的角度为DBS的作用机制研究提供了线索。通过对各种研究方法的结果进行互相比较、印证和综合，可以更好地理解DBS作用机制的各种假说。

神经元电生理记录研究DBS机制已应用于脑切片、麻醉和清醒动物以及接受DBS手术的帕金森病患者。脑片制备技术可以记录细胞内电活动，描绘刺激对细胞膜性能和神经元结构的影响，以及神经元对不同试剂的反应，然而脑片中的刺激幅度和电流传播与在体状态存在差异。与离体实验不同，在体研究具有保持大脑结构和解剖联系的优势，并可将神经元活动与动物行为关联起来。在体实验能记录细胞外电活动，但其固有缺陷是在刺激过程中会出现刺激伪迹。如果刺激伪迹没有被消除，就会掩盖一次刺激脉冲开始几秒内的电活动。在有些实验中，由于受到较大刺激伪迹的干扰，神经元电活动只能在刺激中断后记录，而刺激中断后记录的电活动无法准确反映刺激过程中的神经反应。现在已有方法可以消除或减少刺激伪迹，从而评价刺激过程中神经元电活动的变化，提高实验准确性。目前已在帕金森病患者、猴和大鼠中开展在体微电极记录。此外，还可通过DBS电极记录靶点核团的局部场电位。尽管帕金森病患者是理想的实验对象，但由于DBS具有侵入性，只能在临床医疗过程中对此类患者进行微电极记录。因此，大部分人类微电极记录数据是在DBS植入术中采集到的靶点核团的神经元电活动。而非人类的灵长类动物具有与人类相似的大脑解剖和生理特点，可以用来记录非临床治疗靶点的核团神经元电活动，以及核实这些记录结果的DBS电极位置。这项工作为DBS对下游核团的影响提供了极具价值的信息。大鼠模型也可提供相似的信息，并可用于记录基底节区多个靶点的电活动。大鼠和猴的帕金森病模型已广泛应用于DBS研究，在对刺激过程中多靶点分析方面具有很大的优势。

神经递质分析已用于研究神经元对刺激的反应机制（例如，通过发现某一通路中特定神经递质水平增加来判断该通路的激活）。DBS作用机制的生化研究包括测定基底节中特定核团的神经递质水平、第二信使和mRNA。这些研究大多采用大鼠模型，此外还有关于帕金森病患者神经递质测定的文献报道。利用微透析技术，可从麻醉或清醒状态动物的靶点区域提取流体样品测定神经递质水平。此方法相对于神经元记录的优势在于它不会受到DBS刺激期间产生刺激伪迹的影响，不足之处在于时间分辨率较差。为了实现实时监测，可以采用恒定电流滴定法监测多巴胺等神经递质的水平变化，但这种方法只能利用多巴胺的电化学特性来间接测定。

原位杂交技术是研究DBS作用机制的另一途径。利用该技术可以通过测定细胞色素氧化酶亚基ⅠmRNA水平来推断神经元代谢活动的变化。测定神经递质相关基因（如GAD67，P物质和脑啡肽）和即刻早期基因编码蛋白的表达来观察不同刺激条件的细胞反应。利用这些方法可以研究DBS刺激使大脑发生的短期或长期适应性机制。

利用计算机模拟技术可以设计高度受控环境下的刺激实验。对神经元和神经环路模型可给予各种刺激干预，观察离子通道、单一神经元或神经网络等不同水平对刺激的反应。计算机模拟技术可以减少系统复杂性，确定与实验结果关联的各种变量。此外，利用计算机模拟技术可以对各种具有可行性的机制假说进行实验性验证。目前基底节神经元的解剖和生理仿真模型已经用于实验研究，从中可获取基底节神经元在DBS电场中相互作用的详细反应。这种电场-神经元模型可用来观察不同神经元结构（胞体、轴突、树突等）对刺激的反应。神经元模型聚集形成神经核团，将DBS电极在神经核团中的位置进行重建，从而可以建立完整的基底节DBS模型。神经元模型对DBS的反应可以与观察到的实验结果相互关联。

利用功能影像学研究可以同步观察大脑多个脑区代谢活动，从而研究DBS对神经网络的影响。最常用的方法是将PET和功能磁共振结合起来，观察大脑特定区域的血流和血氧变化。

此外，还有很多方法可用来研究DBS作用机制。由于方法学的差异会影响观察结果，因此需要考虑实验状态（离体或在体，麻醉或清醒，正常状态或病理状态）、刺激参数（电流幅度是各个实验之间最难进行比较的参数）、刺激时间（毫秒级或小时级）以及刺激电极的类型等方面的差异。利用脑切片、麻醉状态或非帕金森病实验对象开展的实验能提供相对有价值的信息，但对这些实验得出的关于DBS作用机制的结论需谨慎解读。有研究发现产生治疗效果的刺激参数与那些未能产生治疗效果的刺激参数对神经元电活动的影响明显不同。