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
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  1. 2017-06-29 131****1460

    学习了受益匪浅。

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