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抽搐之外,呼吸为何停下?背缝核与呼吸网络的新线索

iScience · 2022-09-27

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iScience · 研究前沿

抽搐之外,呼吸为何停下?背缝核与呼吸网络的新线索

DBA/1小鼠研究发现,增强背缝核血清素相关细胞活动可降低发作诱发呼吸停止的发生;PBC区域的受体相关干预,为脑干网络联系提供了线索。

原论文图3D3局部:背缝核血清素相关细胞的合并荧光

癫痫发作时,显眼的抽搐容易吸引全部注意,但呼吸能否继续,同样是关键问题。2022年9月27日发表于 iScience 的研究,以DBA/1小鼠的发作诱发呼吸停止为切入口,关注背缝核的血清素相关细胞,以及参与呼吸节律的pre-Bötzinger complex,简称PBC。增强背缝核相关活动后,呼吸停止的发生减少;在PBC实施受体相关药理干预,则会削弱这一效果。研究为理解发作与呼吸的联系增加线索,也提出了需要进一步厘清的回路问题。

关键发现

背缝核活动、PBC区域受体相关作用与发作诱发呼吸停止之间存在功能联系;这些小鼠证据尚未确立唯一直接突触通路,也不等同于已证实预防人类SUDEP。

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发作与呼吸停止,是相关但不同的结果

癫痫猝死通常用SUDEP表示,其机制涉及复杂的生理环节。本研究关注的是模型小鼠发作后出现的呼吸停止,简称S-IRA。观察这一具体结果,有助于把问题从“发作是否发生”,推进到“发作之后,哪些维持生命的功能受到影响”。

呼吸停止减少,并不必然意味着发作被消除;抽搐评分没有改变,也不能替代对呼吸的观察。研究同时记录多类指标,正是为了看清这些结果是否同行。模型中发生率的变化,也需要与真实临床中的长期风险评价区分开来。

增强相关细胞活动后,呼吸停止减少

背缝核是脑内重要的血清素细胞来源。研究在DBA/1小鼠中增强其中的相关细胞活动后,化学诱发发作伴随呼吸停止的发生率降低。结合研究中的其他药理比较,结果支持血清素相关调节参与这一模型的呼吸结局。

在这组比较中,几项发作行为指标并未显著改变,包括发作评分及若干阶段的持续时间。这提示呼吸结局的改善可以与明显抽搐继续存在同时出现。它没有建立“所有发作表现完全不受影响”的通用结论,因为其他条件下也观察到了发作指标变化。

原论文图 5背缝核活动与呼吸结局
背缝核活动与呼吸结局
图5B–F:增强背缝核相关活动降低呼吸停止发生率,受体相关药理干预削弱这一作用;若干发作行为比较未达显著。
来源:Ma H et al. · iScience · CC BY-NC-ND
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呼吸节律区域里的受体作用

PBC参与呼吸节律调节,因此成为进一步追问的区域。当研究者在PBC进行血清素受体相关药理干预,背缝核活动增强带来的呼吸保护作用被明显削弱。局部区域的变化,使血清素系统与呼吸网络之间的功能联系更具体。

论文据此重点讨论了5-HT2A受体,但药物作用并非绝对限于一种受体或某类细胞。结果支持PBC相关受体机制参与,尚未把全部效应严格归于唯一分子。此组条件中,部分发作评分和持续时间也随干预改变,呼吸与发作表现需要一起理解。

原论文图 7PBC区域干预后的变化
PBC区域干预后的变化
图7B–F:PBC局部受体相关干预削弱背缝核活动增强后的呼吸保护,部分发作行为指标也发生变化。
来源:Ma H et al. · iScience · CC BY-NC-ND
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直接改变PBC相关细胞,结果有所不同

研究还比较了直接增强PBC内相关标记细胞活动的作用。这组小鼠的呼吸停止发生率虽有数值变化,但对应比较未达到显著。因而,直接改变局部标记细胞,与增强上游背缝核相关活动,并没有得到可以简单互换的证据。

阴性结果并不证明PBC与呼吸结局无关。它提示细胞身份、输入来源和网络状态可能影响干预结果。把一个脑区称为呼吸相关区域,还不足以预测其中任意一群细胞活动增强后会发生什么,具体作用仍要回到相应的比较。

原论文图 11直接PBC活动增强的比较
直接PBC活动增强的比较
图11G–K:直接增强PBC相关标记细胞活动,呼吸停止发生率及所列发作指标的比较未达显著。
来源:Ma H et al. · iScience · CC BY-NC-ND
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PBC钙信号随上游干预发生变化

团队也观察PBC群体钙信号。在强直发作阶段,增强背缝核活动后,PBC钙信号峰值降低。这为两个区域的功能联系提供了另一类读数:上游活动变化,伴随着下游区域在特定发作阶段的信号改变。

这里记录的是群体钙信号,不能直接等同于每个呼吸细胞的放电,也没有完整测得呼吸节律如何被逐步恢复。信号降低不意味着整个PBC被关闭;它需要结合细胞组成、发作阶段及其他生理读数,才能进一步解释。

原论文图 12PBC群体钙信号
PBC群体钙信号
图12H–J:强直发作阶段,背缝核活动增强伴随PBC群体钙信号峰值降低。
来源:Ma H et al. · iScience · CC BY-NC-ND
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功能联系已经出现,直接回路仍待厘清

从呼吸结局、局部药理到群体信号,研究把背缝核和PBC放入同一个功能框架。作者也指出,示踪和活动标记尚不足以确立两处细胞之间特异的直接突触连接,其他脑干区域及血清素受体的参与仍不能排除。

这些发现来自DBA/1小鼠及诱发发作条件,研究纳入两性动物,但未据此建立所有人群的结论。它的意义在于提醒我们,发作之外的呼吸网络也是理解风险的重要方向;能否转化为有效的人类SUDEP干预,仍需要后续研究回答。

论文信息

Ma H, Yu Q, Shen Y, Lian X, Gu L, Wang Y, Xu Q, Lu H, Zhao H, Zeng C, Nagayasu K, Zhang H.
Dorsal raphe nucleus to pre-Bötzinger complex serotonergic neural circuit is involved in seizure-induced respiratory arrest
iScience · 2022-09-27
DOI: 10.1016/j.isci.2022.105228