研究簡介:本論文研究了中間神經元在癲癇樣放電（epileptiform discharges,EDs）期間對血流動力學和代謝反應的貢獻。研究通過在麻醉大鼠的感覺皮層中同時記錄局部場電位（LFPs）、單個神經元放電、血流和氧水平，揭示了中間神經元活動在神經血管耦合中的重要作用。癲癇是一種常見的神經系統疾病，其發病機制與大腦皮層神經元的異常放電密切相關。癲癇發作期間，神經元的過度興奮會導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）等技術進行檢測。然而，目前對于神經元活動與血流動力學反應之間的耦合機制尚不完全清楚，尤其是在興奮性和抑制性神經元對血流動力學信號的貢獻方面。本研究旨在通過多模態記錄技術，深入探討中間神經元在癲癇樣放電期間的血流動力學和代謝反應中的作用。研究使用了11只雄性Wistar Han大鼠作為實驗對象。通過在感覺皮層注射bicuculline（一種GABAA受體拮抗劑）誘導癲癇樣放電。實驗中同時記錄了多單位活動（MUA）、局部場電位（LFPs）、腦血流（CBF）和組織氧分壓（PO2）。通過一般線性模型（GLM）分析神經參數（如單單位和多單位活動）對血流和代謝反應的預測能力。


Unisense微電極系統的應用


Unisense微電極被用于測量組織氧分壓（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PA2000主機（unisense）.采用兩點校準法，將電極插入33°C的生理鹽水溶液中，分別在95%氧氣或環境空氣中平衡，以校準電極。微電極被放置在與bicuculline注射點相近的位置，用于測量局部組織氧分壓的變化.。PO2信號與LFP、CBF信號同時被記錄，采樣頻率為1250 Hz。微電極的尖端直徑僅為10微米，能夠實現對局部腦組織氧分壓的高精度測量，從而準確反映癲癇樣放電期間組織氧水平的動態變化。


實驗結果


研究結果表明，在癲癇樣放電(EDs)期間，中間神經元(INT)活動以及放電幅度和頻率是神經血管耦合的重要因素。需要進一步的計算研究來測試包含這一變量的模型行為，從而更好地解釋BOLD fMRI信號與神經元活動之間的關系。一個關鍵問題是研究癲癇EEG-fMRI研究中的負性BOLD響應，但整個領域都將受益于更完善的模型。最終可以設計模型來估計隱藏參數(即模型中存在但無法直接測量的參數)，并改進癲癇患者致癇神經組織的無創術前定位。因此，fMRI可以單獨使用或與同步EEG記錄結合使用，以替代神經外科植入的顱內立體腦電圖電極或表面陣列的篩查（這些方法不僅存在風險，而且需要長時間住院）。中間神經元活動在癲癇樣放電期間的血管和代謝反應中起著重要作用。中間神經元的活動比主細胞的活動更能預測血流和氧反應，這可能與中間神經元在神經血管耦合中的直接作用有關。這些發現對于解釋fMRI研究中觀察到的血流動力學變化具有重要意義，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驗設置的顱骨開窗照片。該模型通過體感皮層注射荷包牡丹堿(Bic)誘導，實驗裝置包括：用于多單元電活動(MUA)記錄的硅探針(SP)、記錄局部場電位(LFP)的鎢電極、監測腦血流量(CBF)的激光多普勒探頭(LD)以及檢測組織氧分壓(PO2)的氧探頭。B：尼氏染色腦切片顯示記錄區域，標注注射位點(藍色橢圓)及硅探針單側電極排的植入位置(紅色方框)。

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

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

圖4、神經元分類為假定主細胞(PCs)與中間神經元(INTs)。左圖：基于主成分分析的四類神經元波形圖。右圖：對應的自相關直方圖(ACG)。

圖5、血流動力學與代謝響應函數(HRF)。A：通過反卷積計算獲得的各只大鼠CBF脈沖響應函數。B：基于大鼠1的CBF響應(黑色)，擬合的gamma函數HRF1(紅色)和HRF2(藍色)。C：所有大鼠經反卷積獲得的PO2響應。D：大鼠1的PO2響應擬合gamma函數。需注意大鼠間存在顯著變異(體現在響應幅值及后半段形態差異：CBF表現為向基線的漂移，PO2則出現超調)。ED發生時刻定義為時間0。


結論與展望


在癲癇中血流動力學反應的解釋受到對神經血管耦合機制理解不足的限制，尤其是興奮和抑制的貢獻。研究人員在麻醉大鼠的體感皮層同步進行了多模態記錄，包括局部場電位(LFPs)、單個神經元放電、血流和氧水平。通過注射荷包牡丹堿誘導的癲癇樣放電被用于觸發強烈的局部事件。局部場電位與血流存在強耦合關系，局部場電位與組織氧水平亦是如此。研究人員對402個神經元的記錄分析顯示，血流/組織氧與假定的中間神經元放電相關，但與主要細胞無關。結果表明中間神經元活動在癲癇樣放電期間的血管和代謝反應中具有重要作用。unisense微電極的尖端直徑僅為10微米，能夠實現對局部腦組織氧分壓的高精度測量，從而準確反映癲癇樣放電期間組織氧水平的動態變化，為研究神經血管耦合提供了重要的代謝指標,在參數化線性模型中，局部場電位以及腦血流和組織氧分壓的基線活動對血流和氧反應有顯著貢獻。研究結果表明，中間神經元（INTs）的活動與血流和氧反應之間的相關性高于主細胞（PCs），這一發現是基于Unisense微電極所記錄的氧分壓數據得出的，從而為理解神經血管耦合的細胞機制提供了重要線索。本研究不僅增進了對癲癇發作期間神經血管耦合機制的理解，還為未來的研究提供了新的方向，例如開發更準確的模型來解釋fMRI信號與神經活動之間的關系，以及改進癲癇患者術前癲癇灶定位的方法。