研究簡(jiǎn)介:本論文研究了中間神經(jīng)元在癲癇樣放電（epileptiform discharges,EDs）期間對(duì)血流動(dòng)力學(xué)和代謝反應(yīng)的貢獻(xiàn)。研究通過在麻醉大鼠的感覺皮層中同時(shí)記錄局部場(chǎng)電位（LFPs）、單個(gè)神經(jīng)元放電、血流和氧水平，揭示了中間神經(jīng)元活動(dòng)在神經(jīng)血管耦合中的重要作用。癲癇是一種常見的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，其發(fā)病機(jī)制與大腦皮層神經(jīng)元的異常放電密切相關(guān)。癲癇發(fā)作期間，神經(jīng)元的過度興奮會(huì)導(dǎo)致局部腦血流和代謝的變化，這種變化可以通過功能性磁共振成像（fMRI）等技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。然而，目前對(duì)于神經(jīng)元活動(dòng)與血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)之間的耦合機(jī)制尚不完全清楚，尤其是在興奮性和抑制性神經(jīng)元對(duì)血流動(dòng)力學(xué)信號(hào)的貢獻(xiàn)方面。本研究旨在通過多模態(tài)記錄技術(shù)，深入探討中間神經(jīng)元在癲癇樣放電期間的血流動(dòng)力學(xué)和代謝反應(yīng)中的作用。研究使用了11只雄性Wistar Han大鼠作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。通過在感覺皮層注射bicuculline（一種GABAA受體拮抗劑）誘導(dǎo)癲癇樣放電。實(shí)驗(yàn)中同時(shí)記錄了多單位活動(dòng)（MUA）、局部場(chǎng)電位（LFPs）、腦血流（CBF）和組織氧分壓（PO2）。通過一般線性模型（GLM）分析神經(jīng)參數(shù)（如單單位和多單位活動(dòng)）對(duì)血流和代謝反應(yīng)的預(yù)測(cè)能力。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

Unisense微電極被用于測(cè)量組織氧分壓（PO2）。使用的是Clark式氧氣微電極，其尖端直徑為10微米，微電極連接到一個(gè)PA2000主機(jī)（unisense）.采用兩點(diǎn)校準(zhǔn)法，將電極插入33°C的生理鹽水溶液中，分別在95%氧氣或環(huán)境空氣中平衡，以校準(zhǔn)電極。微電極被放置在與bicuculline注射點(diǎn)相近的位置，用于測(cè)量局部組織氧分壓的變化.。PO2信號(hào)與LFP、CBF信號(hào)同時(shí)被記錄，采樣頻率為1250 Hz。微電極的尖端直徑僅為10微米，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)局部腦組織氧分壓的高精度測(cè)量，從而準(zhǔn)確反映癲癇樣放電期間組織氧水平的動(dòng)態(tài)變化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究結(jié)果表明，在癲癇樣放電(EDs)期間，中間神經(jīng)元(INT)活動(dòng)以及放電幅度和頻率是神經(jīng)血管耦合的重要因素。需要進(jìn)一步的計(jì)算研究來測(cè)試包含這一變量的模型行為，從而更好地解釋BOLD fMRI信號(hào)與神經(jīng)元活動(dòng)之間的關(guān)系。一個(gè)關(guān)鍵問題是研究癲癇EEG-fMRI研究中的負(fù)性BOLD響應(yīng)，但整個(gè)領(lǐng)域都將受益于更完善的模型。最終可以設(shè)計(jì)模型來估計(jì)隱藏參數(shù)(即模型中存在但無法直接測(cè)量的參數(shù))，并改進(jìn)癲癇患者致癇神經(jīng)組織的無創(chuàng)術(shù)前定位。因此，fMRI可以單獨(dú)使用或與同步EEG記錄結(jié)合使用，以替代神經(jīng)外科植入的顱內(nèi)立體腦電圖電極或表面陣列的篩查（這些方法不僅存在風(fēng)險(xiǎn)，而且需要長(zhǎng)時(shí)間住院）。中間神經(jīng)元活動(dòng)在癲癇樣放電期間的血管和代謝反應(yīng)中起著重要作用。中間神經(jīng)元的活動(dòng)比主細(xì)胞的活動(dòng)更能預(yù)測(cè)血流和氧反應(yīng)，這可能與中間神經(jīng)元在神經(jīng)血管耦合中的直接作用有關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于解釋fMRI研究中觀察到的血流動(dòng)力學(xué)變化具有重要意義，尤其是在癲癇研究中。

圖1、A：展示大鼠癲癇樣放電(EDs)模型活體同步記錄實(shí)驗(yàn)設(shè)置的顱骨開窗照片。該模型通過體感皮層注射荷包牡丹堿(Bic)誘導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)裝置包括：用于多單元電活動(dòng)(MUA)記錄的硅探針(SP)、記錄局部場(chǎng)電位(LFP)的鎢電極、監(jiān)測(cè)腦血流量(CBF)的激光多普勒探頭(LD)以及檢測(cè)組織氧分壓(PO2)的氧探頭。B：尼氏染色腦切片顯示記錄區(qū)域，標(biāo)注注射位點(diǎn)(藍(lán)色橢圓)及硅探針單側(cè)電極排的植入位置(紅色方框)。

圖2、氧分壓(PO2)探頭延遲時(shí)間的評(píng)估。采用離體完整海馬組織，通過荷包牡丹堿誘導(dǎo)癲癇樣放電(EDs)。A：7日齡小鼠海馬組織在10μM荷包牡丹堿誘導(dǎo)EDs(紅色曲線)期間的氧相關(guān)電流信號(hào)(藍(lán)色曲線)。B：為評(píng)估每次ED與氧消耗起始之間的時(shí)間延遲，從氧信號(hào)中減去基線斜率(黑色虛線)。消耗起始點(diǎn)定義為：經(jīng)基線校正后的氧相關(guān)電流振幅達(dá)到基線噪聲均方根(RMS)振幅5倍時(shí)的時(shí)刻(黑色箭頭)。

圖3、對(duì)癲癇樣放電(EDs)的多模態(tài)響應(yīng)。A：同步多模態(tài)記錄數(shù)據(jù)，包括硅探針采集的多單元電活動(dòng)(MUA)、場(chǎng)電極采集的局部場(chǎng)電位(LFP)、激光多普勒測(cè)量的腦血流量(CBF)以及氧探頭測(cè)量的組織氧分壓(PO2)。紅色虛線標(biāo)記每次放電的起始時(shí)間點(diǎn)(time 0)。a.u.表示任意單位。B：A圖中單個(gè)ED的放大顯示。紅色箭頭指示用于設(shè)定time 0的極尖銳峰值。C：分別對(duì)應(yīng)銳波上升支(win1)和下降支(win2)的時(shí)間窗放大圖。D：對(duì)應(yīng)EDs慢波成分(win3)的時(shí)間窗放大圖。

圖4、神經(jīng)元分類為假定主細(xì)胞(PCs)與中間神經(jīng)元(INTs)。左圖：基于主成分分析的四類神經(jīng)元波形圖。右圖：對(duì)應(yīng)的自相關(guān)直方圖(ACG)。

圖5、血流動(dòng)力學(xué)與代謝響應(yīng)函數(shù)(HRF)。A：通過反卷積計(jì)算獲得的各只大鼠CBF脈沖響應(yīng)函數(shù)。B：基于大鼠1的CBF響應(yīng)(黑色)，擬合的gamma函數(shù)HRF1(紅色)和HRF2(藍(lán)色)。C：所有大鼠經(jīng)反卷積獲得的PO2響應(yīng)。D：大鼠1的PO2響應(yīng)擬合gamma函數(shù)。需注意大鼠間存在顯著變異(體現(xiàn)在響應(yīng)幅值及后半段形態(tài)差異：CBF表現(xiàn)為向基線的漂移，PO2則出現(xiàn)超調(diào))。ED發(fā)生時(shí)刻定義為時(shí)間0。

結(jié)論與展望

在癲癇中血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)的解釋受到對(duì)神經(jīng)血管耦合機(jī)制理解不足的限制，尤其是興奮和抑制的貢獻(xiàn)。研究人員在麻醉大鼠的體感皮層同步進(jìn)行了多模態(tài)記錄，包括局部場(chǎng)電位(LFPs)、單個(gè)神經(jīng)元放電、血流和氧水平。通過注射荷包牡丹堿誘導(dǎo)的癲癇樣放電被用于觸發(fā)強(qiáng)烈的局部事件。局部場(chǎng)電位與血流存在強(qiáng)耦合關(guān)系，局部場(chǎng)電位與組織氧水平亦是如此。研究人員對(duì)402個(gè)神經(jīng)元的記錄分析顯示，血流/組織氧與假定的中間神經(jīng)元放電相關(guān)，但與主要細(xì)胞無關(guān)。結(jié)果表明中間神經(jīng)元活動(dòng)在癲癇樣放電期間的血管和代謝反應(yīng)中具有重要作用。unisense微電極的尖端直徑僅為10微米，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)局部腦組織氧分壓的高精度測(cè)量，從而準(zhǔn)確反映癲癇樣放電期間組織氧水平的動(dòng)態(tài)變化，為研究神經(jīng)血管耦合提供了重要的代謝指標(biāo),在參數(shù)化線性模型中，局部場(chǎng)電位以及腦血流和組織氧分壓的基線活動(dòng)對(duì)血流和氧反應(yīng)有顯著貢獻(xiàn)。研究結(jié)果表明，中間神經(jīng)元（INTs）的活動(dòng)與血流和氧反應(yīng)之間的相關(guān)性高于主細(xì)胞（PCs），這一發(fā)現(xiàn)是基于Unisense微電極所記錄的氧分壓數(shù)據(jù)得出的，從而為理解神經(jīng)血管耦合的細(xì)胞機(jī)制提供了重要線索。本研究不僅增進(jìn)了對(duì)癲癇發(fā)作期間神經(jīng)血管耦合機(jī)制的理解，還為未來的研究提供了新的方向，例如開發(fā)更準(zhǔn)確的模型來解釋fMRI信號(hào)與神經(jīng)活動(dòng)之間的關(guān)系，以及改進(jìn)癲癇患者術(shù)前癲癇灶定位的方法。