是什么觸發(fā)了間斷性癲癇發(fā)作? 利用電和光學測量對突觸和非突觸神經(jīng)元和血管室動態(tài)的多模態(tài)多尺度分析

1.研究背景

癲癇發(fā)作間期主要通過腦電圖分析腦功能障礙來研究。發(fā)作間期的特征是某些功能失調的潛在網(wǎng)絡的電信號，如短暫的病理圖形元素，包括發(fā)作間尖刺(IIS)、多尖刺和尖刺波，這些都與腦活動背景的紊亂有關或無關。癲癇病網(wǎng)絡中IIS的發(fā)生通常與興奮性閾值的變化有關，這是由于突觸(興奮性和/或抑制性)和非突觸([K+]，突觸傳導，細胞環(huán)境等)機制的相互作用，促使神經(jīng)網(wǎng)絡達到短暫的超同步。研究假設發(fā)作間期癲癇尖峰的出現(xiàn)是由于各種神經(jīng)元(突觸和非突觸)、血管和代謝室之間的密切功能平衡被打亂所致。

2.研究方法

2.1 實驗動物

43個雄性Sprague-Dawley大鼠，這些大鼠被安置在一個溫度可控的房間里，有規(guī)律的光照/黑暗周期，喂養(yǎng)標準的鼠糧和隨意飲用的自來水。

2.2 數(shù)據(jù)采集與分析

光學測量采用的是ISS Imagent血氧計，檢測器的采樣頻率設置為156.25 Hz，以獲取光吸收(fNIRS)和光散射(FOS)的變化。

利用基于matlab的Homer2工具箱，HbO2和HbR濃度經(jīng)過帶通濾波(0.08~0.3 Hz)，以拒絕非常緩慢的基線漂移和心臟偽影。時間零點(T0)定義為每個IIS的峰值。在血紅蛋白濃度數(shù)據(jù)的40秒窗口內(T0前后20秒)，通過反卷積方法研究同側和對側大腦半球IIS活動前后的血流動力學變化。將IIS周圍發(fā)生的HbO2和HbR變化與基線段(T0前10s~20s)進行比較。

3.實驗結果

本研究首次觀察到的信號變化發(fā)生在IIS峰值前幾秒的血流動力學。這些血流動力學變化之后，在IIS峰值前1秒，深層和表層神經(jīng)網(wǎng)絡之間的相干性和同步性發(fā)生變化。

圖1 IIS表征圖

4.實驗結論

這項多模態(tài)研究描述了癲癇大鼠在與IIS相關的內源性超同步反應中觀察到的神經(jīng)元、血流動力學和膜構型的變化。這種多模式、多尺度方法強調了(1)不同神經(jīng)元、血管和細胞外室之間的相互作用，(2)不同層次之間的神經(jīng)相互作用，(3)突觸機制(連貫性和同步性)，(4)在一個非常特殊的大腦血流動力學環(huán)境中，發(fā)生在IISs前后的神經(jīng)元網(wǎng)絡中的非突觸機制。

5.文獻名稱及DOI號

Arnal-Real, C., Mahmoudzadeh, M., Manoochehri, M., Nourhashemi, M., & Wallois, F. (2021). What Triggers the Interictal Epileptic Spike? A Multimodal Multiscale Analysis of the Dynamic of Synaptic and Non-synaptic Neuronal and Vascular Compartments Using Electrical and Optical Measurements. Frontiers in neurology, 12, 596926.

DOI:org/10.3389/fneur.2021.596926