丘脑皮质神经元的实时直接去极化对全身性失神癫痫网络进行双向控制
2025-09-08 来源:本站 点击次数:19为探究丘脑皮质（TC）神经元对失神发作（AS，特发性全身性癫痫标志，以双侧尖峰波放电 SWD 为特征）的作用，研究在自由行为的 GAERS 大鼠（成熟 AS 模型）中采用光遗传学技术。结果显示：安静清醒（QW）时，丘脑腹基底核 ChR2 转染 TC 神经元直接去极化，可靠引发乙琥胺敏感 AS，其持续时间、频率与自发性 AS 相近；主动觉醒（AW）时影响小，慢波睡眠（SWS）时无影响。非癫痫对照（NEC）大鼠各状态下光刺激 TC 神经元均不引发 AS，Wistar 大鼠 QW 时仅引发短 AS。且短暂光刺激能即时阻止 GAERS 大鼠正在进行的自发 AS，改变丘脑多单位活动模式。研究表明，皮质 - 丘脑 - 皮质网络兴奋性依赖行为状态，QW 时 AS 诱导敏感性高，质疑 TC 神经元低阈值爆发放电对 AS 产生的必要性，同时证实 TC 神经元对 AS 的双重控制作用，凸显其作为 AS 治疗靶点的潜力。
研究思路
失神发作（AS）以脑电双侧尖峰波放电（SWD）、意识丧失为特征，皮质 - 丘脑 - 皮质（CTC）网络对其起关键作用，丘脑腹基底核（VB）的丘脑皮质（TC）神经元被认为参与调节，但存在争议 —— 如 TC 神经元 T 型钙通道爆发放电是否为 AS 必需，体内直接调控 TC 神经元对 AS 的影响尚不明确。为此，研究以 GAERS 大鼠（成熟 AS 模型）为核心，用 ChR2 光遗传学技术：① 探究 VB 区 TC 神经元直接去极化能否在发作间期诱发 AS，及该过程的行为状态依赖性、对乙琥胺的敏感性；② 在非癫痫对照（NEC）大鼠、无自发 AS 的 Wistar 大鼠中验证光刺激效果；③ 测试光刺激能否阻断 GAERS 大鼠自发 AS 及是否受 SWD 阶段影响，最终揭示 TC 神经元对 AS 的双向调控作用及行为状态的关键影响。
研究方法
本研究对 250-300g 的 GAERS、Wistar 和 NEC 大鼠展开实验：先以 2-5% 异氟醚麻醉，固定于立体定向框架并维持 37°C 体温，向 VB 丘脑双侧注射特定质粒，植入带四极管与光纤的微驱动器，同时在额叶、顶叶皮层植入螺钉记录脑电图，小脑螺钉作接地电极，术后大鼠至少恢复 5 天，实验前还会让其适应记录设备与特定环境。实验日先让大鼠适应 30 分钟，随后在 10:00-16:00 同步电生理与视频记录，分类大鼠活动清醒（AW）、安静清醒（QW）、慢波睡眠（SWS）状态，保持光纤和四极管位置恒定，在不同状态或检测到 SWD 时给予蓝光刺激，还会调整刺激参数并加入随机延迟。研究用 Spike2 脚本半自动检测 SWD 并结合目视验证，结合视频中大鼠行为确认失神发作（AS），计算癫痫发作诱导 / 阻断百分比，用 MATLAB 计算功率谱，必要时给大鼠注射药物。实验结束后处理大鼠大脑评估病毒转染与设备位置，排除 2 只数据异常大鼠，结果以均值 ± 标准误呈现，用特定方法做统计分析。
图1.VB中TC神经元的通道视紫红质-2（ChR2）转染
1.AS的诱导：
在安静清醒状态下，对 GAERS 大鼠发作间期的 VB 丘脑皮层神经元施加单脉冲蓝光刺激，能可靠诱发失神发作 —— 表现为脑电图出现棘慢波放电，且始终伴随行为停滞及正在进行行为的停止。这种蓝光刺激诱发的失神发作，在行为、脑电特征上都与自发性失神发作高度相似，比如二者棘慢波放电的功率谱、自相关图具有高可比性，细胞层面丘脑多单元活动也呈现相同的放电模式转变，棘慢波放电的持续时间和频率也无明显差异。即便用特定频率传递多个蓝光刺激脉冲，也没有提升单脉冲刺激对失神发作的诱发效果。
同时，蓝光刺激诱发的失神发作与自发性失神发作具有相同的药理学特征：低剂量抗癫痫药物能对其起到部分阻断作用，即便增加蓝光刺激强度，药物存在时诱发的棘慢波放电持续时间，仍会明显短于用药前。综上，这些发现说明，在安静清醒状态下直接、选择性兴奋丘脑皮层神经元，可在 GAERS 大鼠中诱导出与自发性失神发作特征相似的失神发作。
图2 VB TC神经元的选择性光刺激（LS）在 GAERS 中引发 ETX 敏感的 SWD
2. AS的行为状态依赖性诱导：
大鼠发作间期诱导失神发作（AS）的能力受觉醒状态影响显著：安静清醒状态（QW）下的诱导效果远好于活动清醒状态（AW），调整蓝光刺激（LS）的脉冲时长，也未改变这种依赖觉醒状态的诱导差异。而在慢波睡眠状态（SWS）下，无论如何调整 LS 的脉冲时长与强度，都无法诱导出 AS。
此外，对非癫痫对照的 NEC 大鼠而言，无论处于哪种行为状态，向其 VB 丘脑皮层（TC）神经元施加单次或重复的 LS 脉冲，都不能诱导出棘慢波放电（SWD）或行为停止，说明该品系对自发性及 LS 诱导的 AS 天然耐药。
虽有部分 Wistar 大鼠会出现自发 AS，但在无自发 AS 的 “正常” Wistar 大鼠中，仅在 QW 期间对其 VB TC 神经元施加 LS 可可靠诱导 AS，AW 和 SWS 期间诱导效果差；且这种诱导出的 AS，频率与 GAERS 大鼠的自发 AS 一致，但持续时间更短。
图3 GAERS 和 Wistar 大鼠 SWD 诱导的行为状态依赖性
3.AS板块：
在明确发作间期对丘脑皮层（TC）神经元施加蓝光刺激（LS）可引发失神发作（AS）后，研究进一步探究了该刺激阻断 AS 的能力。结果显示，假刺激对阻断 AS 无效，而对 GAERS 大鼠 VB TC 神经元施加单个短脉冲 LS，就能阻断绝大多数棘慢波放电（SWD）及相关行为停滞，刺激后大鼠会立即恢复活动，表明 AS 已被阻断；延长 LS 脉冲持续时间，AS 阻断效果还会进一步提升。
为了解 LS 中断癫痫发作的效果是否与刺激时机相关，研究对比了在 SWD 早期与晚期施加 LS 的情况，发现两个阶段的 LS 都能终止癫痫发作，且效果差异无统计学意义，说明丘脑刺激在 SWD 开始时及后期更发达阶段均能破坏 SWD。
值得注意的是，在细胞层面，SWD 被阻断时，丘脑多单元活动（MUA）总会从节律性放电转变为不规则放电；LS 作用后，部分 AS 会被立即阻断，还有部分会在后续 SWD 周期内被阻断。即便有些 AS 未被 LS 阻断，其 SWD 功率也低于接受假刺激的癫痫发作，且 LS 阻断癫痫发作的效果与施加时所处的 SWD 周期阶段无关。
图4 VB TC 神经元的选择性 LS 阻断了 GAERS 中正在进行的 SWD
研究结论：
移动 GAERS 大鼠的自发性失神发作（AS），发作间期直接蓝光刺激（LS）诱发的去极化则能引发类似自发性 AS 的发作；二是 AS 在安静清醒状态（QW）下更易被 LS 诱发，活动清醒状态（AW）次之，慢波睡眠（SWS）中无诱发，且 QW 期间 VB TC 神经元短暂 LS 可在自由移动 Wistar 大鼠中低概率诱发 AS，却无法在 NEC 大鼠中诱发。
研究还发现，ChR2 转染 TC 神经元的 LS 可使其直接去极化，单个短暂光遗传学脉冲产生的强直放电对诱发或终止 AS 的效果，仅取决于在发作间期或发作时递送，即 QW 期间 TC 神经元去极化可使丘脑皮质（CTC）网络在正常功能与 AS 病理活动间切换。且 TC 神经元选择性刺激消除 AS 与 SWD 阶段无关，这与体感 CTC 网络在 AS 模型中生成 SWD 的已知作用不同，VB TC 神经元兼具生成与终止 SWD 的双重功能属新发现。
此外，QW 期间特异性刺激 VB TC 神经元是唤起 AS 的最有效方式，这与该状态下皮质和丘脑神经元易发生低频振荡相关；AW 期间刺激效果差、SWS 期间无诱发，也与不同状态下神经元特性及振荡情况一致。同时，研究对丘脑 T 型钙通道在 AS 生成中的作用提出探讨，结合实验结果及过往研究，认为 TC 神经元爆发放电并非 SWD 产生的必需条件，QW 期间脑电图微状态动态与皮质组装活动的协调，或可解释该状态下 LS 触发 SWD 更有效的原因，为 AS 产生无需 TC 神经元低阈值尖峰提供了额外证据。
参考文献：
Morais TP, Taylor HL, Nagy O, Mátyás F, David F, Crunelli V, Lőrincz ML. Bidirectional control of generalized absence epilepsy networks via real-time direct depolarization of thalamocortical neurons. Prog Neurobiol. 2025 Jun 4;252:102774. doi: 10.1016/j.pneurobio.2025.102774. Epub ahead of print. PMID: 40339636.
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