关键词：
颞叶癫痫
海马微环路
CA2亚区
兴奋-抑制平衡
信息流
摘要：
癫痫是一种常见的脑部疾病,其特征为大脑神经元异常同步放电。颞叶癫痫(Temporal lobe epilepsy,TLE)是临床上最常见的局灶性癫痫类型之一,也是难治性癫痫的主要形式之一,其病理特征包括海马不同亚区的病理性变化和局部网络活动异常。以往研究认为,海马的CA1、CA3和齿状回(Dentate gyrus,DG)与癫痫的发生和发展密切相关,但近年来的研究表明海马CA2亚区在细胞组成和功能上与其他亚区不同,可能在癫痫发作传播中发挥特殊作用。然而,迄今为止,对于CA2亚区在TLE中的确切作用尚不清楚,这部分研究主要集中在离体脑片上,无法完全模拟体内复杂的生理环境。本研究利用免疫组织化学、电毁损、化学遗传干预、光遗传干预、行为学分析以及生物医学信号处理等技术,系统研究了海马CA2亚区在TLE动物模型中的表现,旨在探讨其对TLE发生发展的影响。主要研究结果如下:
1.在皮鲁卡平诱导的TLE小鼠模型中,首先观察了癫痫发作前后海马c-fos的表达水平,以探究急性癫痫发作中海马各亚区神经元的激活状态。研究发现,在TLE发作过程中,海马CA1、CA3和DG的c-fos蛋白表达水平显著增加,但在CA2亚区表达水平较低且无明显变化。同时,CA2亚区神经元Spikes发放水平在癫痫发作前增加,而大发作时降低,其中,窄波神经元(抑制性中间神经元)Spikes发放水平与神经元整体放电水平和发放模式相似;窄波神经元Spikes与局部场电位(Local field potentials,LFPs)耦合关系在癫痫发作前和大发作时表现出增强的耦合关系。提示CA2亚区在生理状态下维持低水平的稳定状态,对外来扰动表现出“惰性”特征,但在癫痫发作前伴随窄波神经元活动增强,可能是其“惰性”神经活动的基础。
2.为了进一步确定CA2亚区对癫痫发作的影响,本研究采用了电毁损的方法破坏了CA2亚区。结果显示,毁损CA2亚区后,癫痫发作的潜伏期显著延长,发作次数减少,癫痫样放电的频率也减少。这表明,尽管CA2亚区在生理状态下可能表现出相对“惰性”的特征,但它仍然对癫痫发作具有一定的促进作用。毁损CA2后,CA2向CA1的兴奋性输入减弱,表现为癫痫行为和脑电发作程度降低。
3.鉴于CA2亚区神经元的多样性和功能特异性,推测其兴奋-抑制平衡可能参与调节癫痫活动。因此,通过化学遗传和光遗传干预技术,分别抑制CA2亚区的兴奋性锥体神经元和激活抑制性中间神经元,以研究这些干预对癫痫发作的影响。结果显示,(1)化学遗传抑制CA2锥体神经元后,癫痫发作潜伏期延长,发作次数和癫痫棘波发放次数减少,CA2亚区宽波神经元Spikes发放率受到抑制,窄波神经元Spikes与LFPs去耦合;(2)光遗传激活CA2中间神经元后,癫痫发作潜伏期延长,癫痫波发放次数减少。以上结果表明CA2亚区神经元的兴奋-抑制平衡对于维持其神经活动的稳态具有重要作用,调控CA2神经元的兴奋性或抑制性均可缓解癫痫发作,尤其是窄波神经元的活动变化与此调控密切相关。
4.癫痫状态和不同干预状态下,基于电生理数据研究了海马环路中DG、CA2和CA1亚区的信息流向。结果显示:(1)癫痫发作前,DG与CA1、CA2的信息交互增强,但CA2与CA1的信息交互减弱;大发作时三个亚区间信息交互增强;(2)化学遗传抑制CA2锥体神经元后,DG与CA2间的信息交互在发作前和发作期间增强,但CA2与CA1无明显改变,DG与CA1的信息交互减弱;(3)光遗传激活CA2中间神经元时,发作前三个亚区间信息交互增强;大发作时和发作转换过程中,DG与CA2、DG与CA1的信息交互减弱。结果提示,癫痫发作前CA2过滤DG信息输入,减少对CA1的信息输出,表现为对外来刺激的“惰性”作用;大发作时CA2促进癫痫活动。干预CA2兴奋-抑制平衡影响DG-CA2-CA1微环路中的癫痫活动传输,缓解癫痫发作。
综上所述,本研究系统地分析了海马CA2亚区在皮鲁卡平诱导的TLE小鼠模型中的变化,发现CA2亚区在癫痫发生和传播中呈现出较强的神经“惰性”,对外来致癫处理的低敏感性。干预CA2亚区的兴奋-抑制平衡后,癫痫发作得到一定缓解,这可能与CA2中间神经元的活动密切相关。由于海马环路复杂的神经投射,癫痫发作的不同阶段海马微环路的信息整合模式不同,调控CA2的活性对该环路具有明显影响。这些研究发现可为进一步理解CA2的功能及其在癫痫发生传播中的作用提供新的视角,也可为癫痫干预提供潜在的调控靶点。但由于神经元的兴奋性或抑制性变化可能对其局部微环路的活动造成复杂的影响,因此,其不同类型神经元在兴奋-抑制平衡中的作用还需要进一步明确。
