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丘脑的异常同步,牵出失神发作新线索

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America · 2024-07-05

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Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America · 研究前沿

丘脑的异常同步,牵出失神发作新线索

BK通道突变小鼠中,丘脑中线细胞在失神发作时出现同步爆发。改变放电模式、增强活动状态或闭环电刺激,都能减少受测尖慢波与行为停滞。

根据论文主题制作的 AI 科学概念插画

一只小鼠突然停下活动,脑电同时出现反复的尖慢波。这样的失神样发作,在携带BK通道D434G突变的小鼠中频繁发生。2024年发表于 PNAS 的研究,沿着脑电与细胞活动的时间线,找到丘脑中线区域的重要变化:许多细胞在发作时一起爆发放电。团队进一步改变这些细胞的放电模式,观察到异常脑电和行为停滞减少,为理解这个模型中的发作机制补上了一块回路拼图。

关键发现

失神发作时,丘脑中线细胞的平均放电下降,同步爆发却增强;减少爆发或改变放电模式,能够抑制BK-D434G小鼠的受测发作。

阅读目录 · 7个部分

丘脑中线区域,留下更强的活动标记

BK是一类大电导钾通道,参与细胞电活动的调节。D434G功能增强突变,使研究中的小鼠出现频繁尖慢波与行为停滞。与正常对照相比,突变小鼠的皮层和丘脑中线区域(MLT)出现更多c-Fos活动标记。

不同丘脑区域的图像并不相同。MLT中的几个核团表现突出,而丘脑网状核和腹后内侧核没有同样明显的标记增加。c-Fos会受到放电强度与模式的共同影响,团队因此继续记录细胞放电,追问标记背后究竟发生了什么。

原论文图 1丘脑中线区域,留下更强的活动标记
丘脑中线区域,留下更强的活动标记
原论文 Figure 1:BK-D434G小鼠皮层与丘脑中线的c-Fos标记增加,不同丘脑区域呈现不同分布。
来源:Dong P et al. · Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America · CC BY-NC-ND
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细胞放电减少,却更加同步

把细胞放电与脑电对齐后,发作中的变化清楚起来:MLT细胞的平均放电频率下降,但尖慢波附近的爆发放电增多。不同细胞更常在接近的时刻一起发出一串脉冲,彼此的时间差也缩小。

因此,活动标记较强与平均频率下降可以同时出现。发作中的网络,像许多成员突然改成整齐的短促合奏;同步程度和脉冲排列方式,成为比单一平均值更具体的线索。

原论文图 3细胞放电减少,却更加同步
细胞放电减少,却更加同步
原论文 Figure 3:发作时MLT爆发放电增多、平均放电下降,细胞间相关增强、时间差缩小。
来源:Dong P et al. · Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America · CC BY-NC-ND
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突变细胞更容易出现紧密的反跳爆发

脑片记录显示,膜电位经历超极化后,突变小鼠MLT细胞的反跳爆发更强:脉冲更多、间隔更短,动作电位复极更快,随后的超极化也更深。这些电活动差异,把网络层面的异常节奏接到细胞本身的特性。

T型钙通道参与丘脑反跳爆发,BK通道则影响复极。作者据此提出,功能增强的BK通道可能让细胞更快具备再次放电的条件,从而加强爆发。这个模型把通道变化与放电节奏联系起来。

原论文图 4突变细胞更容易出现紧密的反跳爆发
突变细胞更容易出现紧密的反跳爆发
原论文 Figure 4:突变MLT细胞的反跳脉冲增多,脉冲间隔、动作电位时长减小,后超极化幅度增大。
来源:Dong P et al. · Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America · CC BY-NC-ND
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运动开始,尖慢波很快减少

研究还比较了不同活动状态。跑台静止时,小鼠逐渐出现频繁尖慢波与停滞;跑台开始运动、动物随之行走后,尖慢波很快减少。停止运动后,异常脑电又逐渐出现,显示发作与当时状态紧密相连。

运动条件下,突变小鼠MLT的c-Fos标记也减少,正常小鼠的受测标记没有显著变化。这一对照,把行为状态、发作和丘脑活动联系在一起;由跑台带来的改变,是实验中的即时状态效应。

原论文图 2运动开始,尖慢波很快减少
运动开始,尖慢波很快减少
原论文 Figure 2:跑台运动期间尖慢波减少,停止后逐渐返回;突变小鼠MLT c-Fos减少,正常组对应比较未显著。
来源:Dong P et al. · Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America · CC BY-NC-ND
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让细胞持续放电,打散同步爆发

阻断BK通道的相关实验,能够减少MLT爆发并抑制异常脑电;局部作用后的发作抑制随后会减弱。团队又用细胞活动干预,让MLT放电转向较稳定的持续模式,检验改变节奏本身能带来什么。

脑片中,细胞由爆发转向持续放电;活体中,对应干预很快压低尖慢波,小鼠从停滞转向活动。标记对照组没有同样显著变化。两类观察相互呼应,说明增加持续放电,可以伴随异常同步的减少。

原论文图 5让细胞持续放电,打散同步爆发
让细胞持续放电,打散同步爆发
原论文 Figure 5:细胞活动干预推动MLT持续放电,活体尖慢波减少、活动增加;对应标记对照的尖慢波变化未显著。
来源:Dong P et al. · Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America · CC BY-NC-ND
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活动增加,也能通过网络改变丘脑节奏

兴奋剂相关实验同样观察到,动物活动增加、尖慢波减少,MLT总体放电提高,而细胞间同步程度下降。脑片中,这种药物却没有直接改变MLT的反跳爆发。活体效应因此带有其他脑区参与的可能。

直接调动MLT,与通过更广网络改变活动状态,最终都指向较少的同步爆发。这些结果呈现出同一个方向:网络摆脱异常整齐的节奏时,动物的尖慢波与停滞也随之减少。

原论文图 6活动增加,也能通过网络改变丘脑节奏
活动增加,也能通过网络改变丘脑节奏
原论文 Figure 6:兴奋剂实验中尖慢波减少、体动及MLT平均放电增加,细胞间同步程度降低。
来源:Dong P et al. · Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America · CC BY-NC-ND
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检测到异常脑电,再调节丘脑活动

闭环电刺激将这条思路放进实时响应中:系统从脑电识别尖慢波事件,再向MLT提供刺激。受测窗口内,尖慢波次数显著下降,动物活动增加;同一动物在未触发刺激的条件下,仍出现频繁尖慢波与停滞。发作相关频段的功率下降,刺激对应频段的功率则增加。

这项BK-D434G小鼠研究,把失神样发作定位到一种可被改变的丘脑活动模式。发作中的平均放电虽然更低,同步爆发却更强;调节后总体放电可以升高,异常脑电反而减少。细胞怎样一起活动,成为理解这个模型的关键。

原论文图 7检测到异常脑电,再调节丘脑活动
检测到异常脑电,再调节丘脑活动
原论文 Figure 7:实时检测后的闭环MLT刺激减少尖慢波及其频段功率,增加小鼠活动;比较限于该模型的受测窗口。
来源:Dong P et al. · Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America · CC BY-NC-ND
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论文信息

Dong P, Bakhurin K, Li Y, Mikati MA, Cui J, Grill WM, Yin HH, Yang H.
Attenuating midline thalamus bursting to mitigate absence epilepsy
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America · 2024-07-05
DOI: 10.1073/pnas.2403763121