iScience︱哥伦比亚大学彭岳青团队揭示感觉输入通过丘脑皮质通路调节失神性癫痫小鼠的异常脑电

撰文︱胡睿宁，彭岳青

责编︱王思珍，方以一

编辑︱王如华

失神性癫痫是一种常见于许多神经发育性疾病的全面发作性癫痫，而失神发作（absence seizure）的标志性脑电信号就是棘波放电（spike-wave discharge，SWD）。许多研究认为，皮层-丘脑-皮层环路是产生SWD的最主要来源[1-3]，而丘脑网状核的GABA能神经元、兴奋性丘脑皮层细胞和新皮层椎体神经元可能构成一个环路，从而维持失神性癫痫中丘脑皮层的振荡模式[4-6]。因此丘脑和皮层这两个脑区对于究人类失神性癫痫至关重要。近年许多研究已经描述了SWD的通路机制特点，但是大多受限于体外实验或计算机模拟，且对引发SWD的神经信号的研究尚且十分匮乏[7, 8]。故通过在体记录和神经调控的方法进一步理解引发失神发作的神经信号，是一个非常有意义的神经生物学问题。

2022年11月3日，哥伦比亚大学医学院滕洒洒，镇丰华（共同第一作者），彭岳青（通讯作者）等人在iScience上发表了题为“Sensory regulation of absence seizures in a mouse model of Gnb1 encephalopathy”的研究，发现感觉输入可以通过激活丘脑皮质通路对SWD进行调控。

本研究致力于探索在失神性癫痫Gnb1突变小鼠中引发SWD的神经信号，并记录并分析丘脑活动在SWD中所起到的作用。Gnb1基因编码G蛋白β亚基1。首先，为了确定SWD发生时Gnb1小鼠所处的睡眠/清醒模式，作者使用EEG/EMG同步记录脑电/肌电活动，发现大部分SWD频繁出现在清醒而非REM和NREM睡眠（NREM  sleep，非快速动眼睡眠）阶段，且SWD之后NREM睡眠的出现率有所提高。同时，EMG信号的量化分析结果显示，失神性癫痫发作时会伴随着自主活动能力的降低；且SWD持续时长越长、SWD之间间隔时间越短，小鼠在SWD期间的运动行为终止症状越明显。另外，彭岳青团队发现，在具有失神性癫痫表型的Stxbp1和Gria4突变小鼠中进行相同EEG/EMG记录，SWD同样多出现于清醒阶段，且对其后NREM睡眠的发生有促进作用。三种癫痫模型的结果都表明大脑状态对小鼠失神性癫痫发作的强烈调控。

由于SWD多现于清醒阶段，且基于过去对WAG/Rij大鼠感觉输入（sensory input）的研究，作者推测，小鼠清醒时接收到的从外周传入大脑的感觉刺激可以调控SWD的发生。为了检验此猜想，该团队通过轻度吹气（air puffs）有效刺激Gnb1突变小鼠，并量化该刺激对于SWD出现前、中、后三个阶段的影响。结果显示，吹气刺激对SWD的影响很大。进一步分析发现，该刺激使得清醒阶段SWD发生数量和持续时间显著增大；且SWD发生率在刺激刚开始时有所下降，并在之后的刺激期间逐渐增大。感觉刺激与SWD之间的这一动态过程表明，来自外周的感觉刺激可以促进神经活动，从而可能调控更多的SWD发生。

图3 感觉输入调控Gnb1小鼠失神发作

(图源：Teng S, et al., iScience, 2022)

既有研究表明，丘脑皮质环路在调节人类的失神性癫痫和几种模型鼠的SWD中发挥重要作用。那么在Gnb1小鼠模型中，丘脑皮质（TC）细胞是否也参与到感觉输入促进SWD发生的神经机制中呢？研究团队在Gnb1+/-小鼠的VPM（丘脑腹后内侧核）打入AAV-CaMKII-GCaMP6s并在两周后通过EEG/EMG和光纤同步记录（fiber photometry），发现清醒期间神经元自发活动确如预期地多于NREM期。但令人震惊的是，团队发现TC细胞的总神经活动在SWD期间是被显著抑制的，且TC细胞活动在SWD前的2-3秒时间窗内却是增强的。这也表明了丘脑活动对于诱发SWD的重要作用。

该团队同样研究了丘脑网状核（RT）的神经活动。为了定位到RT的抑制性神经元，研究人员首先杂交了Gnb1小鼠和PV-Cre小鼠，然后在Gnb1;PV-Cre小鼠的RT打入AAV-FELX-GCaMP6s。光纤记录发现RT细胞在NREM期的活性高于清醒阶段，而REM期间活性被抑制。实验还表明，RT细胞在SWD期间十分活跃，而在SWD开始前RT活性相对减弱，这正好与TC细胞相反。作者进一步发现，虽然RT与TC细胞在SWD期间神经活动相反，但两种细胞中都可以观察到钙震荡，且二者的振荡频率在SWD期间同步增长。由此，以上实验结果表明丘脑皮质通路确实参与到Gnb1突变小鼠的SWD调控中。

最后，为了进一步检验丘脑活动与SWD调控之间的因果关系，团队通过化学遗传学（chemogenetics）方法激活Gnb1突变小鼠的丘脑兴奋性神经元，同时避免激活GABA能RT神经元。通过EEG/EMG记录和VPM植入的光纤记录，研究发现被激活的TC细胞使得Gnb1突变小鼠SWD的数量显著增加，且增加的效果可以在化学遗传学激活六小时内保持稳定。但是激活TC细胞对于SWD的持续时长并没有明显影响。这也足以证明，丘脑本身活性也足以调控该小鼠失神发作时的SWD。

图4 SWD发生期间Gnb1小鼠的丘脑细胞活动

(图源：Teng S, et al., iScience, 2022)

图5 SWD发生期间丘脑网状核活动

(图源：Teng S, et al., iScience, 2022)

文章结论与讨论，启发与展望综上所述，该团队揭示了在具有失神性癫痫的Gnb1突变小鼠中，感觉输入作为一种刺激信号，通过丘脑皮质通路调节SWD的发生，如增加清醒状态下SWD的数量以及持续时长。同样，我们也可以推测，SWD之所以不高发于睡眠期间，也是因为睡眠时缺少必要的感觉刺激输入。本研究展现了RT和TC细胞随着SWD时序变化而变化的动态放电模式，并揭示了SWD发生的一种潜在模型——在清醒状态下，减弱的RT细胞神经活动使得TC细胞由感觉刺激引发的活性增加，从而导致皮层神经元活性过高并引发SWD；SWD一旦在皮层产生，这就会激活RT细胞，而RT细胞可以强烈抑制TC细胞活性，从而终止SWD发放。当然，本研究也存在不足之处，一方面，如文中指出，除了躯体感觉刺激之外，视觉听觉等其他感觉刺激对失神发作的影响也很值得研究；另一方面，本研究所用的光纤记录（fiber photometry）自有其技术局限性，它只能使用相对缓慢的钙信号来代理神经元的发放，受限于神经元簇状放电和神经振荡的瞬时清晰度，且它也无法从单细胞水平区分RT与TC细胞活动异质性。后续研究中可能需要通过在体电生理记录以揭示SWD期间RT和TC神经元放电模式的详细区别。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589004222017606

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参考文献（上下滑动阅读） 

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本文完