基底节的经典模型预测帕金森病患者的黑质纹状体多巴胺能神经元破坏导致STN的活动亢进。由此引起了GPi的过度活跃，丘脑皮质投射纤维被抑制，导致帕金森病患者出现运动症状。STN和GPi毁损均可减少STN-GPi环路的过度活动，消除苍白球-丘脑束的过度抑制和丘脑-纹状体传导抑制，从而缓解帕金森病症状。尽管该模型可以解释STN和GPi毁损使帕金森病运动症状改善，但却无法解释GPi毁损能改善肌张力障碍和丘脑毁损能改善某些帕金森病运动症状。因此出现了一种假说认为对于帕金森病运动症状的发展，神经元电活动的模式改变比频率改变更重要。与该假说一致的是，STN-DBS增加STN输出和GPi神经元的平均放电频率，类似于GPi毁损，导致运动功能改善。

这一明显矛盾的关键在于刺激频率对达到治疗效应是必需的。一个与STN神经元输出增加一致的DBS可能的机制是刺激利用更加规律的STN-GPi的高频神经元电活动覆盖了病理性神经元放电。实验和模型研究均显示高频刺激产生的与刺激同步的电活动代替了固有的不规律活动。只有刺激频率大于100Hz时才能使症状缓解，当刺激频率小于20Hz时会使症状加重，原因可能是低频刺激增加了自发性不规律放电模式的尖峰电压。神经化学研究也显示与高频刺激不同，低频刺激不会引起神经化学和分子变化。有证据显示STNDBS使GPi放电规律化，减少了神经元信号失调，恢复了丘脑皮质细胞对传入突触的反应（如感觉运动信息）。

细胞外刺激引起的动作电位起始于轴突，且其频率大于神经元自发频率，因此可以覆盖神经元的固有输出。其中两种可能的机制，第一，细胞外刺激引起逆向动作电位与胞体引起的顺向电位发生碰撞，阻止了不规律电活动向轴突传导；第二，细胞外刺激逆向侵入胞体，由于这种电活动的不应期可阻止细胞自主放电。在这两种情况下，不规律的顺向电活动被更加规律的放电模式取代。即使这种兴奋性高频放电模式并非正常模式，它似乎缺少信息成分，可导致信息损坏，阻止病理性活动传入基底节。值得关注的是，肌张力障碍的GPi固有病理性放电频率低于帕金森病，其DBS的刺激频率也相对较低。

对目前DBS实验数据的分析证实，相对于放电频率，神经元放电模式对帕金森病的病理状态和DBS的治疗效果起到更加重要的作用。除了基底节神经元放电的平均频率和不规律性增加，帕金森病的特征还包括节律和振荡活动的变化。尤其显著的是，STN和GPe之间出现同步爆发式放电，STN的15~30Hz范围的振荡频率（beta频率）趋于主导地位。类似于左旋多巴的作用，STN-DBS可以抑制GPi异常的beta节律，但该节律的减少对症状改善是否必需目前还不明确。已经发现STN-DBS可以减少STN和其他靶点核团的振荡和爆发式放电，由此引起的信息处理功能改善使运动症状减轻。

刺激会对神经网络产生短期和长期的变化。这可以从DBS开启到症状完全缓解所需要的时间和DBS停止后治疗效果维持的时间得到证实。神经元记录实验显示刺激靶点的神经元或从刺激靶点接受投射纤维的神经元的电活动在刺激停止后数毫秒或数秒内回到基线水平，然而，症状加重可能需要数分钟，数小时甚至数天。与此相类似，当刺激开启后，步态改善需要数小时后才会出现，但震颤会立即消失。为了解释这种现象，有一种假设认为神经网络内的变化似乎需要不同的时间。分子研究显示刺激会导致短期和长期的适应性变化发生。为了理解这一过程，还需要在实验中同时记录来自不同靶点的不同神经元的长期变化。

DBS作用机制的早期假说认为刺激抑制周围神经元的电活动，与毁损的效果类似。近期研究改变了这种观点，认为尽管电极周围的细胞活动由于突触抑制而减少，但DBS通过直接激活局部投射神经元的轴突使受刺激核团的信号输出增加。该核团的固有活动被与刺激同步的更加规律的高频电活动取代。DBS使神经元放电模式发生改变，抑制基底节网络的病理性簇集放电和振荡活动，优化对感觉运动信息的处理，从而缓解疾病症状。STNDBS不仅影响靶点核团，还可能影响周围核团发挥治疗效果。

DBS的作用机制可能并非简单的抑制或兴奋，而是通过基底节-丘脑-皮质网络对大脑产生复杂的影响。对DBS作用机制的全面理解有助于我们充分发挥DBS的巨大治疗潜力，同时可以引导我们更深入地理解帕金森病和其他运动障碍疾病的病理生理特点。