本文選題：癲癇　切入點：捕食者恐懼　出處：《中國科學院大學(中國科學院深圳先進技術研究院)》2017年博士論文

【摘要】：目前全球神經精神疾病的治療負擔占全部疾病的13%,居所有疾病首位。癲癇是常見的一種神經系統疾病,因其間歇性不可預知的發(fā)作、高比例的共患病、過早死亡率升高等特點而具有極大危害。而更嚴峻的是由于癲癇發(fā)生的病理機制不清楚,缺乏對其深刻、全面的理解導致癲癇的治療效果并不理想。顳葉癲癇是成人患者中最常見的一種類型,其典型特征是包括海馬、內嗅皮層在內的顳葉有明顯的病理性改變,其許多癥狀包括癲癇發(fā)作的發(fā)生與傳播、癲癇導致的大腦功能障礙如認知功能等,可能都與此有關。研究認為癲癇的發(fā)作與神經活動的興奮/抑制性的平衡有關,而且癲癇發(fā)作過程中神經元的同步化活動異常升高。此外,目前人們已經認識到癲癇是一種神經環(huán)路水平的疾病,癲癇發(fā)作不但傳播到廣泛的皮層區(qū)域引起抽搐等行為,還影響到丘腦、腦干等深部腦區(qū)引起失去意識等問題。已有的研究認為癇波在海馬-內嗅皮層中以一種回路(loop)的方式傳播,但因基于腦切片與摘取的完整大腦研究的結果存在爭議,人們已經認識到已有的實驗技術存在其局限性。隨著神經環(huán)路研究相關技術的發(fā)展,我們得以在體水平解析癇波在海馬-內嗅皮層結構中傳播的神經環(huán)路機制以及癲癇大腦功能障礙相關的神經環(huán)路機制。為了更好地實現癲癇相關神經環(huán)路的解析,我們改進和完善了一些相關的電生理技術、方法。主要包括:1)麻醉條件下進行電生理記錄和光遺傳調控的同時實現了精確定量給藥的功能電極,以及三個腦區(qū)的同步光刺激/電生理記錄的實驗方法;2)實現了自由活動的小鼠上,八個腦區(qū)的局部場電位記錄,其中一個腦區(qū)能給予同步的光刺激;以及可步進的四個腦區(qū)神經元放電(spike)和局部場電位(local field potential,LFP)的記錄;3)針對慢性電極因炎性反應造成神經元死亡、膠質包囊形成導致的電極記錄效果下降的問題,我們在電極材料表面修飾了新的生物相容性導電材料——PVA/PAA水凝膠-PEDOT/PSS導電聚合物-NGF/DEX生物活性分子,通過原代神經元培養(yǎng)及動物植入實驗的評估發(fā)現該修飾材料能夠促進神經元存活、減少膠質細胞聚集。在此基礎上我們對癇波在海馬-內嗅皮層中的傳播環(huán)路以及癲癇導致天生恐懼相關的海馬神經環(huán)路進行了精確解析,具體如下:(1)首次采用基于光遺傳和多腦區(qū)電生理記錄技術,在動物活體水平上通過給藥電極注射KA誘導癲癇發(fā)作后,對海馬齒狀回(dentate gyrus/hilus,DGH)和內嗅皮層(medial entorhinal cortex,MEC)以及初級運動皮層(primary motor cortex,M1)中神經元放電和局部場電位的同步記錄,并進行鋒電位觸發(fā)的疊加平均信號(spike-triggered-average of LFP,STA)、疊加鋒電位分析(multi-unit analysis),再在電生理記錄的同時給予DGH或MEC的γ-氨基丁酸(GABA)能神經元光刺激,然后進行局部場電位交叉相關(LFP cross-correlation)、局部場電位相干分析(LFP coherence)等電生理信號分析,結果發(fā)現:癲癇發(fā)作主要是發(fā)作區(qū)域興奮性神經元的高度同步化放電引起癇波,癇波傳播至環(huán)路下游引起更廣泛的異常同步化放電活動;此外不同于目前文獻中報道的顳葉癲癇中癇波的主要傳播方向“內嗅皮層—海馬—內嗅皮層”環(huán)路,而是“海馬—內嗅皮層”。最后,本文還發(fā)現利用光遺傳調控能選擇性地興奮海馬中間神經元阻斷癇波傳播并挽救小鼠的發(fā)作行為,證實海馬中間神經元可能是重要干預靶點,為顳葉癲癇的臨床治療提供了新的指導思路。(2)以捕食者為非條件性恐懼刺激測試癲癇模型小鼠的防御行為,發(fā)現其恐懼下降。為解析其中環(huán)路機制,我們首先通過組織學方法確認癲癇小鼠的海馬結構發(fā)生病理性改變;c-Fos蛋白表達結果顯示海馬參與捕食者恐懼反應,而癲癇小鼠的海馬神經元在捕食者恐懼測試中激活異常。接著通過麻醉電生理/光刺激以及多腦區(qū)局部場電位記錄/行為測試的方法,證實海馬通過隔核到下丘腦具有功能連接,且該環(huán)路可能通過θ波參與捕食者恐懼行為。最后,癲癇小鼠的海馬-下丘腦環(huán)路中θ波在捕食者恐懼測試中存在異常,提示我們該神經環(huán)路可能與癲癇小鼠天生的異�？謶钟嘘P。綜上所述,新的電生理/神經調控相關技術的發(fā)展有利于促進神經環(huán)路解析的研究,而顳葉癲癇發(fā)作傳播相關的環(huán)路機制研究以及海馬相關環(huán)路在癲癇本能恐懼反應異常中的發(fā)生與調控機制研究將不僅有助于更全面深入地理解癲癇大腦功能障礙及其早死率升高的問題,為全面改善癲癇患者治療效果提供一些可能的新策略,還能從神經環(huán)路角度深入理解大腦海馬相關神經網絡的工作機制,理解其他相關精神疾病貢獻新思路。
[Abstract]:The current global neuropsychiatric disease burden of disease treatment accounted for 13%, ranking the first of all diseases. Epilepsy is a common neurological disease, due to the intermittent paroxysmal unpredictable, prevalence of high rates of premature mortality in high and has great harm. But more serious is the pathological mechanism of epilepsy there is not clear, the lack of its profound and comprehensive understanding of the cause of epilepsy treatment is not satisfactory. Temporal lobe epilepsy is the most common type of adult patients, typically including hippocampus, entorhinal cortex, temporal lobe had obvious pathologic changes, many of the symptoms including seizures occurred with the spread of epileptic brain dysfunction, such as cognitive function, may be related. The research results indicate that the onset of epilepsy with neural activity in the excitatory / inhibitory balance, and seizures in the process The synchronization of neurons abnormal. In addition, at present, people have already realized that epilepsy is a neural circuit level of disease, seizures not only spread to the cortical regions widely cause convulsions and other acts, but also affects the thalamus, problems caused by unconscious brain areas of deep brain stem. According to the studies of epileptic waves in the hippocampus - in the entorhinal cortex in a loop (loop) way, but based on the removal of the intact brain slices and the results are controversial, people have realized that the experimental technique has its limitations. With the development of neural circuits and related technologies, we can analysis in vivo in the hippocampus of epileptic waves in the olfactory cortex structure in the loop propagation mechanism and epileptic brain dysfunction related to neural loop mechanism. In order to realize the analysis of related epilepsy neural loop, we modified and finished Good some electrophysiological techniques. Methods mainly include: 1) and electrophysiological recording and light anesthesia under genetic control to achieve a precise quantitative function to electrode drugs, and stimulation / experimental method of electrophysiological recording of synchrotron light in three brain regions; 2) to achieve a free activity in mice on the local field potentials recorded in eight brain regions, including an area of the brain can give synchronized light stimuli; and step four neurons brain discharge (spike) and local field potential (local field, potential, LFP) records; 3) for chronic inflammatory reaction caused by electrode neurons death, glial cyst formation decreased due to the effect of electrode recording problems, we modified the compatibility of conductive material -- PVA/PAA -PEDOT/PSS hydrogel polymer -NGF/DEX new bioactive molecules in biological electrode material surface, through the cultivation of primary neurons Evaluation and animal experiment showed that the modified material can promote neuronal survival, reduce glial cell aggregation. On the basis of our innate fear related hippocampal neural circuits in the hippocampus of epileptic waves in the entorhinal cortex - the spread of epilepsy were loop and accurate analytical details are as follows: (1), for the first time by genetic and light brain electrophysiological recording technique based on the electrode through the administration of injection of KA induced seizures in animal in vivo, the dentate gyrus (dentate, gyrus/hilus, DGH) and entorhinal cortex (medial entorhinal, cortex, MEC) and primary motor cortex (primary motor, cortex, M1) in neurons and local field potentials the synchronous recording and averaging signal spike triggered (spike-triggered-average of LFP, STA), superposition analysis of spike (multi-unit analysis), and then in the electrophysiological recording at the same time To DGH or MEC gamma amino butyric acid (GABA) neurons light stimulation, then the local field potential cross correlation (LFP cross-correlation), local field potential (LFP coherence) coherent analysis of electrophysiological signal analysis results showed that: epilepsy is mainly the highly synchronized discharge area of excitatory neurons caused by seizures of epileptic waves downstream, epileptic wave propagating to the loop caused by abnormal synchronized firing activities more widely; in addition different from the main propagation direction of epileptic wave "temporal lobe epilepsy reported in the current literature in the entorhinal cortex, hippocampus and entorhinal cortex" loop "- but the hippocampal entorhinal cortex. Finally, this paper also finds that the use of regulation light can be selectively excited genetic hippocampus interneurons blocking epileptic wave propagation behavior and save the mice attack, confirmed the hippocampal interneurons may be an important target for intervention, for the clinical treatment of temporal lobe epilepsy. For the new guideline. (2) the predator defense behavior of non fear conditioned stimulation test in mice model of epilepsy, the fear of falling. For the analysis of loop mechanism, we first confirmed by the hippocampus of epileptic mice pathological changes of histological method; the expression of c-Fos protein in the hippocampus showed predator fear response, the epileptic mice hippocampal neurons in fear of predators test. Then through the activation of abnormal electrophysiological / light stimulation and anesthesia in brain regions of the local field potential recording / behavior test method, confirmed the hippocampus through the septum to the hypothalamus has the function of connection, and the loop by theta in predator fear behavior. Finally, in the hippocampus of epilepsy mouse hypothalamus loop theta in predator fear test in the presence of abnormal neural circuits may prompt us to the epileptic mice born with abnormal fear Fear about. To sum up, the new development of neural electrophysiology / regulation technology is conducive to the promotion of neural circuit analysis, and temporal lobe epilepsy research and control system research and related mechanism of loop loop propagation in hippocampus associated abnormal fear response in epilepsy instinct will not only contribute to a more comprehensive understanding of the rise of epileptic brain dysfunction and death rate, and provide some new strategies possible for an overall improvement in patients with epilepsy treatment effect, but also from the perspective of understanding the neural circuits related neural network brain hippocampus work mechanism, understand new ideas with other mental disorders.

【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院深圳先進技術研究院)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：R742.1;R-332

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本文編號：1673065