Neuron：浙大陈忠教授利用光遗传技术控制颞叶癫痫全身性发作
2017-06-29 佚名 神经文献
癫痫，俗称“羊角风”，是一种长期性的神经系统疾病，以脑内同步化放电引起的反复且突发性的抽搐为特征。据不完全统计，全世界每100人中就有1个人患有癫痫，而这一比例在发展中国家更高。
癫痫，俗称“羊角风”，是一种长期性的神经系统疾病，以脑内同步化放电引起的反复且突发性的抽搐为特征。据不完全统计，全世界每100人中就有1个人患有癫痫，而这一比例在发展中国家更高。
癫痫给患者带来巨大的痛苦，发作时患者口吐白沫、肌肉强直，身体遭受严重伤害。历史上，梵高、凯撒大帝、拿破仑等名人都曾饱受癫痫的伤害，大量患者甚至猝死。除对身体的伤害以外，患者的心理也常会发生严重影响，抑郁症、焦虑症等疾病在癫痫患者中的发病率也很高。因此，我们希望找到方法克服这种疾病。
值得玩味的是，癫痫也曾为我们理解脑功能带来关键提示。历史上有一位著名的癫痫患者Henry Gustav Molaison（H，M.），他因为严重的癫痫被切除了大脑颞叶区域，手术后人们发现他丧失了学习新知识的能力，这使得人们将颞叶区域与学习功能密切关联起来。今天我们的故事也跟这个颞叶区域密切相关。
癫痫分为多种不同的类型，其中，颞叶癫痫（Temporal lobe epilepsy， TLE）属于局部癫痫。虽然是局部的，但是TLE患者中，继发全身性癫痫发作（Secondary generalized seizure， sGS）是导致患者致残、猝死的最主要原因。因而，了解sGS现象的神经机制对于人类健康非常重要，但我们目前对此知之甚少。
2017年6月22日，神经科学顶级杂志《Neuron》在线发表了浙江大学陈忠教授课题组的研究(1)。他们从临床现象入手，应用光遗传技术、化学遗传技术等，首次发现TLE患者中的sGS现象与下托（Subiculum， Sub）的GABA神经微环路密切相关。该研究由陈忠教授课题组博士后汪仪和徐层林等人共同完成。
实验结果：
1.出现继发全身性癫痫发作（sGS）现象的颞叶癫痫（TLE）患者下托区域（Sub）明显萎缩
整个故事从临床现象开始，在浙江大学附属二院癫痫中心，作者对临床颞叶癫痫患者的脑进行结构磁共振成像，他们发现存在sGS现象的TLE患者Sub脑区萎缩异常严重（图1），提示Sub脑区对于TLE患者出现sGS现象可能非常重要，接下来的研究围绕Sub神经环路开展。
图1 出现sGS的TLE患者Sub脑区明显萎缩
2.选择性激活Sub脑区GABA能神经元会延阻TLE患者sGS的产生，但会增强sGS的表达
由于癫痫的直接原因是神经元的过分放电，而GABA能神经元主要负责抑制神经元放电。故作者首先在Vgat-ChR2-eYFP小鼠（GABA能神经元特异表达ChR2）进行实验，他们在CA3脑区使用电刺激诱导癫痫，同时借助光遗传技术激活Sub区GABA能神经元，发现该操作会明显延阻sGS的发作（图2A-B）。有趣的是，如果在已经出现sGS现象的鼠中激活Sub区GABA能神经元，则会增强sGS的表达（图2F-H）。
图2 激活Sub区GABA能神经元延阻sGS发作，但会增强已发作的sGS表达
在上述转基因鼠中，穿越Sub的神经纤维可能也表达ChR2，为避免这些因素的影响，作者使用Vgat-CRE鼠，在Sub区域注射AAV-EF1a-DIO-hChR2-mCherry，特异性地在Sub区GABA神经元表达ChR2。通过光激活，作者发现类似前文实验的结果，激活GABA能神经元会导致sGS起始的延阻（图3A-D）。而如果在Sub脑区GABA能神经元特异表达抑制性通道Arch，则会明显看到光刺激后、sGS起始的提前（图3E-F）。
图3 利用AAV病毒在Sub区特异表达光敏感通道研究sGS的环路机制
无独有偶，基于AAV载体的化学遗传学实验也发现，激活Sub区GABA能神经元会延阻药物诱导的sGS的发生，但是一旦sGS被建立，激活这些细胞会加剧sGS（图4）。
图4 化学遗传学手段剖析sGS发生的神经环路机制
3.sGS形成后，GABA能神经元的抑制作用发生变化导致sGS症状的加剧
是什么导致了sGS发作时，激活GABA能神经元反而会增强癫痫症状呢？作者发现在sGS发作期，GABA能神经元对锥体细胞的抑制作用明显减弱（图5A-G），而如果在sGS发作期抑制GABA能神经元的活动（利用AAV病毒在Vgat阳性神经元表达Arch通道），则能明显减弱sGS症状（图5H-J）。这都说明GABA能神经元在sGS的发作期起到了“助纣为虐”的负面作用。
图5 sGS形成后，GABA能神经元的抑制作用减弱导致sGS症状的加剧
4.sGS发作期，激活GABA能神经元产生的效应是由NKCC1和KCC2表达变化导致的
借助电生理、分子生物学和药理学手段，作者发现Sub区GABA能神经元在sGS中的作用是由氯转运蛋白NKCC1和KCC2表达改变的，这两种蛋白的表达变化会导致GABA能神经元的异常去极化，如果用药理学手段或者基因干预手段抑制NKCC1的功能，可以逆转激活GABA能神经元的促癫痫作用（图6）。
图6 GABA能神经元的促sGS作用归因于NKCC1和KCC2的表达异常
5.基于Arch通道的光遗传抑制Sub区锥体细胞能明显抑制sGS发作
接下来，作者在CaMKIIa-CRE的鼠Sub区域应用AAV病毒载体，在锥体细胞特异表达抑制性光敏感质子泵Arch或氯离子泵NpHR3.0。结果发现，sGS阶段，通过Arch通道抑制Sub的锥体细胞可以较好的抑制sGS。有趣的是，通过NpHR3.0则难以抑制sGS，说明sGS发生后，锥体细胞内的氯离子也发生了明显变化（图7）。
图7 基于Arch通道的光遗传抑制Sub区锥体细胞能明显抑制sGS发作
6.sGS发作期不同类型GABA能神经元的不同作用
Sub脑区有两类主要的GABA能神经元，一类是PV（小清蛋白）阳性的，另一类是SST（生长抑素）阳性的中间神经元，这两类神经元在上述癫痫病理过程是否角色不一样，借助PV-CRE和SST-CRE的小鼠，以及AAV病毒载体，作者发现激活两类GABA能神经元都能够延阻sGS的发生，但是，激活PV阳性的GABA能神经元促进sGS，而激活SST阳性的GABA能神经元能抑制大发作。
图8 sGS发作期不同类型GABA能神经元的不同作用
原始出处：
Wang Y， Xu C， Xu Z， Ji C， Liang J， Wang Y， et al. Depolarized GABAergic Signaling in Subicular Microcircuits Mediates Generalized Seizure in Temporal Lobe Epilepsy. Neuron.
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学习了受益匪浅。
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