是什么触发了间断性癫痫发作? 利用电和光学测量对突触和非突触神经元和血管室动态的多模态多尺度分析

1.研究背景

癫痫发作间期主要通过脑电图分析脑功能障碍来研究。发作间期的特征是某些功能失调的潜在网络的电信号，如短暂的病理图形元素，包括发作间尖刺(IIS)、多尖刺和尖刺波，这些都与脑活动背景的紊乱有关或无关。癫痫病网络中IIS的发生通常与兴奋性阈值的变化有关，这是由于突触(兴奋性和/或抑制性)和非突触([K+]，突触传导，细胞环境等)机制的相互作用，促使神经网络达到短暂的超同步。研究假设发作间期癫痫尖峰的出现是由于各种神经元(突触和非突触)、血管和代谢室之间的密切功能平衡被打乱所致。

2.研究方法

2.1 实验动物

43个雄性Sprague-Dawley大鼠，这些大鼠被安置在一个温度可控的房间里，有规律的光照/黑暗周期，喂养标准的鼠粮和随意饮用的自来水。

2.2 数据采集与分析

光学测量采用的是ISS Imagent血氧计，检测器的采样频率设置为156.25 Hz，以获取光吸收(fNIRS)和光散射(FOS)的变化。

利用基于matlab的Homer2工具箱，HbO2和HbR浓度经过带通滤波(0.08~0.3 Hz)，以拒绝非常缓慢的基线漂移和心脏伪影。时间零点(T0)定义为每个IIS的峰值。在血红蛋白浓度数据的40秒窗口内(T0前后20秒)，通过反卷积方法研究同侧和对侧大脑半球IIS活动前后的血流动力学变化。将IIS周围发生的HbO2和HbR变化与基线段(T0前10s~20s)进行比较。

3.实验结果

本研究首次观察到的信号变化发生在IIS峰值前几秒的血流动力学。这些血流动力学变化之后，在IIS峰值前1秒，深层和表层神经网络之间的相干性和同步性发生变化。

图1 IIS表征图

4.实验结论

这项多模态研究描述了癫痫大鼠在与IIS相关的内源性超同步反应中观察到的神经元、血流动力学和膜构型的变化。这种多模式、多尺度方法强调了(1)不同神经元、血管和细胞外室之间的相互作用，(2)不同层次之间的神经相互作用，(3)突触机制(连贯性和同步性)，(4)在一个非常特殊的大脑血流动力学环境中，发生在IISs前后的神经元网络中的非突触机制。

5.文献名称及DOI号

Arnal-Real, C., Mahmoudzadeh, M., Manoochehri, M., Nourhashemi, M., & Wallois, F. (2021). What Triggers the Interictal Epileptic Spike? A Multimodal Multiscale Analysis of the Dynamic of Synaptic and Non-synaptic Neuronal and Vascular Compartments Using Electrical and Optical Measurements. Frontiers in neurology, 12, 596926.

DOI:org/10.3389/fneur.2021.596926