癫痫异常神经回路干预机制的研究

总体目标：揭示深脑电刺激（DBS）对癫痫异常神经回路的调控和干预机制。为此，本项目拟以药物或电点燃的癫痫动物模型为研究对象，用光感基因调控技术（Optogenetics），结合自行研制的新型光电极阵列、离体脑片、电生理以及行为学等技术研究：1）与癫痫相关异常神经回路对外界刺激的处理和传递规律及其与动物行为学之间的关系；2）癫痫模型小鼠神经回路和行为异常的机理以及回路层面上的干预机制；3）以光感基因调控技术和光电极阵列电生理记录绘制（Mapping）异常神经回路的特征并探讨最有效的干预靶点。这些发现将：阐明癫痫异常神经回路的结构、功能和信息处理规律及其调控机理；理解异常神经回路干预对行为学输出规律的作用机理；对彻底揭示癫痫在神经回路层面上的发病机制，对顽固性癫痫的彻底治愈具有重要的科学、临床和经济意义。此外还会为其它神经系统和精神疾病（如精神分裂症、抑郁症等）的发病和干预机制研究提供新思路。

目前癫痫患者约占全球人口的1%，其中约30%为难治性癫痫患者。对于这部分患者来说，由于深部脑刺激（DBS）侵入性小且能直接作用于与疾病相关的靶点，是一种理想的治疗方法。目前普遍认为癫痫的发生可能是由于神经环路的兴奋/抑制失衡所致，然而受限于现有的技术和方法，人们对DBS干预癫痫的确切机制尚不明确，严重限制了这项技术的应用和发展。为此，本课题的目的是采用高时空分辨率和高细胞选择性的光遗传技术（Optogenetics）来实现对癫痫神经环路的精确解析，探寻DBS可能的作用机制。本课题的工作主要分为两个部分展开：（1）基于光遗传技术平台的建立和工具研发：我们建立了携带有不同的细胞特异性启动子的慢病毒表达载体和腺相关病毒载体，在啮齿类动物上实现了长期、稳定的表达。此外，我们研发了一系列植入式光电极阵列装置及其界面修饰技术，在自由活动动物上实现了多脑区的光调控和电生理记录。（2）癫痫神经环路的干预机制研究：我们采用海仁酸（KA）小鼠癫痫模型，对DBS治疗癫痫的两个重要靶点丘脑前核（ANT）和海马脑区分别进行了研究。我们发现，采用130 Hz的光刺激选择性地兴奋ANT的谷氨酸能神经元对癫痫波显著影响，而兴奋GABA能神经元能产生显著的抑制效果，证实DBS可能是通过调控抑制性神经元活动来实现对癫痫的抑制。此外，我们对海马-内嗅皮层环路进行了深入的研究。我们发现，选择性地兴奋海马齿状回区域（DG/Hilus，DGH）的GABA能神经元能显著地抑制DGH、中层内嗅皮层（MEC）和初级运动皮层（M1）的癫痫波；而光刺激MEC仅能显著抑制MEC的癫痫波，对DGH和M1没有显著影响。结果提示，DGH是癫痫干预的重要靶点。随后，我们采用了与DBS类似的参数（130 Hz，1 min on/5 min off）对DGH的GABA能神经元进行循环刺激。我们发现，循环光刺激对癫痫有长期的抑制效果，并且癫痫行为发作的次数显著降低。初步揭示了DBS可能是通过循环兴奋DGH中GABA能神经元来抑制癫痫发作。课题实施过程中，我们已经发表SCI论文2篇（另外两篇已投递），申请国家发明专利24项（授权8项），获得2013年度深圳市自然科学奖（二等奖，第二完成人）。课题的实施不仅将帮助我们从神经环路水平理解癫痫的治疗机制和探讨更加有效的干预方法，并且对其他神经精神疾病的研究有借鉴意义。

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