小鼠癫痫模型中功能异常神经环路光遗传解析
本文选题:癫痫 切入点:捕食者恐惧 出处:《中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)》2017年博士论文
【摘要】:目前全球神经精神疾病的治疗负担占全部疾病的13%,居所有疾病首位。癫痫是常见的一种神经系统疾病,因其间歇性不可预知的发作、高比例的共患病、过早死亡率升高等特点而具有极大危害。而更严峻的是由于癫痫发生的病理机制不清楚,缺乏对其深刻、全面的理解导致癫痫的治疗效果并不理想。颞叶癫痫是成人患者中最常见的一种类型,其典型特征是包括海马、内嗅皮层在内的颞叶有明显的病理性改变,其许多症状包括癫痫发作的发生与传播、癫痫导致的大脑功能障碍如认知功能等,可能都与此有关。研究认为癫痫的发作与神经活动的兴奋/抑制性的平衡有关,而且癫痫发作过程中神经元的同步化活动异常升高。此外,目前人们已经认识到癫痫是一种神经环路水平的疾病,癫痫发作不但传播到广泛的皮层区域引起抽搐等行为,还影响到丘脑、脑干等深部脑区引起失去意识等问题。已有的研究认为痫波在海马-内嗅皮层中以一种回路(loop)的方式传播,但因基于脑切片与摘取的完整大脑研究的结果存在争议,人们已经认识到已有的实验技术存在其局限性。随着神经环路研究相关技术的发展,我们得以在体水平解析痫波在海马-内嗅皮层结构中传播的神经环路机制以及癫痫大脑功能障碍相关的神经环路机制。为了更好地实现癫痫相关神经环路的解析,我们改进和完善了一些相关的电生理技术、方法。主要包括:1)麻醉条件下进行电生理记录和光遗传调控的同时实现了精确定量给药的功能电极,以及三个脑区的同步光刺激/电生理记录的实验方法;2)实现了自由活动的小鼠上,八个脑区的局部场电位记录,其中一个脑区能给予同步的光刺激;以及可步进的四个脑区神经元放电(spike)和局部场电位(local field potential,LFP)的记录;3)针对慢性电极因炎性反应造成神经元死亡、胶质包囊形成导致的电极记录效果下降的问题,我们在电极材料表面修饰了新的生物相容性导电材料——PVA/PAA水凝胶-PEDOT/PSS导电聚合物-NGF/DEX生物活性分子,通过原代神经元培养及动物植入实验的评估发现该修饰材料能够促进神经元存活、减少胶质细胞聚集。在此基础上我们对痫波在海马-内嗅皮层中的传播环路以及癫痫导致天生恐惧相关的海马神经环路进行了精确解析,具体如下:(1)首次采用基于光遗传和多脑区电生理记录技术,在动物活体水平上通过给药电极注射KA诱导癫痫发作后,对海马齿状回(dentate gyrus/hilus,DGH)和内嗅皮层(medial entorhinal cortex,MEC)以及初级运动皮层(primary motor cortex,M1)中神经元放电和局部场电位的同步记录,并进行锋电位触发的叠加平均信号(spike-triggered-average of LFP,STA)、叠加锋电位分析(multi-unit analysis),再在电生理记录的同时给予DGH或MEC的γ-氨基丁酸(GABA)能神经元光刺激,然后进行局部场电位交叉相关(LFP cross-correlation)、局部场电位相干分析(LFP coherence)等电生理信号分析,结果发现:癫痫发作主要是发作区域兴奋性神经元的高度同步化放电引起痫波,痫波传播至环路下游引起更广泛的异常同步化放电活动;此外不同于目前文献中报道的颞叶癫痫中痫波的主要传播方向“内嗅皮层—海马—内嗅皮层”环路,而是“海马—内嗅皮层”。最后,本文还发现利用光遗传调控能选择性地兴奋海马中间神经元阻断痫波传播并挽救小鼠的发作行为,证实海马中间神经元可能是重要干预靶点,为颞叶癫痫的临床治疗提供了新的指导思路。(2)以捕食者为非条件性恐惧刺激测试癫痫模型小鼠的防御行为,发现其恐惧下降。为解析其中环路机制,我们首先通过组织学方法确认癫痫小鼠的海马结构发生病理性改变;c-Fos蛋白表达结果显示海马参与捕食者恐惧反应,而癫痫小鼠的海马神经元在捕食者恐惧测试中激活异常。接着通过麻醉电生理/光刺激以及多脑区局部场电位记录/行为测试的方法,证实海马通过隔核到下丘脑具有功能连接,且该环路可能通过θ波参与捕食者恐惧行为。最后,癫痫小鼠的海马-下丘脑环路中θ波在捕食者恐惧测试中存在异常,提示我们该神经环路可能与癫痫小鼠天生的异常恐惧有关。综上所述,新的电生理/神经调控相关技术的发展有利于促进神经环路解析的研究,而颞叶癫痫发作传播相关的环路机制研究以及海马相关环路在癫痫本能恐惧反应异常中的发生与调控机制研究将不仅有助于更全面深入地理解癫痫大脑功能障碍及其早死率升高的问题,为全面改善癫痫患者治疗效果提供一些可能的新策略,还能从神经环路角度深入理解大脑海马相关神经网络的工作机制,理解其他相关精神疾病贡献新思路。
[Abstract]:The current global neuropsychiatric disease burden of disease treatment accounted for 13%, ranking the first of all diseases. Epilepsy is a common neurological disease, due to the intermittent paroxysmal unpredictable, prevalence of high rates of premature mortality in high and has great harm. But more serious is the pathological mechanism of epilepsy there is not clear, the lack of its profound and comprehensive understanding of the cause of epilepsy treatment is not satisfactory. Temporal lobe epilepsy is the most common type of adult patients, typically including hippocampus, entorhinal cortex, temporal lobe had obvious pathologic changes, many of the symptoms including seizures occurred with the spread of epileptic brain dysfunction, such as cognitive function, may be related. The research results indicate that the onset of epilepsy with neural activity in the excitatory / inhibitory balance, and seizures in the process The synchronization of neurons abnormal. In addition, at present, people have already realized that epilepsy is a neural circuit level of disease, seizures not only spread to the cortical regions widely cause convulsions and other acts, but also affects the thalamus, problems caused by unconscious brain areas of deep brain stem. According to the studies of epileptic waves in the hippocampus - in the entorhinal cortex in a loop (loop) way, but based on the removal of the intact brain slices and the results are controversial, people have realized that the experimental technique has its limitations. With the development of neural circuits and related technologies, we can analysis in vivo in the hippocampus of epileptic waves in the olfactory cortex structure in the loop propagation mechanism and epileptic brain dysfunction related to neural loop mechanism. In order to realize the analysis of related epilepsy neural loop, we modified and finished Good some electrophysiological techniques. Methods mainly include: 1) and electrophysiological recording and light anesthesia under genetic control to achieve a precise quantitative function to electrode drugs, and stimulation / experimental method of electrophysiological recording of synchrotron light in three brain regions; 2) to achieve a free activity in mice on the local field potentials recorded in eight brain regions, including an area of the brain can give synchronized light stimuli; and step four neurons brain discharge (spike) and local field potential (local field, potential, LFP) records; 3) for chronic inflammatory reaction caused by electrode neurons death, glial cyst formation decreased due to the effect of electrode recording problems, we modified the compatibility of conductive material -- PVA/PAA -PEDOT/PSS hydrogel polymer -NGF/DEX new bioactive molecules in biological electrode material surface, through the cultivation of primary neurons Evaluation and animal experiment showed that the modified material can promote neuronal survival, reduce glial cell aggregation. On the basis of our innate fear related hippocampal neural circuits in the hippocampus of epileptic waves in the entorhinal cortex - the spread of epilepsy were loop and accurate analytical details are as follows: (1), for the first time by genetic and light brain electrophysiological recording technique based on the electrode through the administration of injection of KA induced seizures in animal in vivo, the dentate gyrus (dentate, gyrus/hilus, DGH) and entorhinal cortex (medial entorhinal, cortex, MEC) and primary motor cortex (primary motor, cortex, M1) in neurons and local field potentials the synchronous recording and averaging signal spike triggered (spike-triggered-average of LFP, STA), superposition analysis of spike (multi-unit analysis), and then in the electrophysiological recording at the same time To DGH or MEC gamma amino butyric acid (GABA) neurons light stimulation, then the local field potential cross correlation (LFP cross-correlation), local field potential (LFP coherence) coherent analysis of electrophysiological signal analysis results showed that: epilepsy is mainly the highly synchronized discharge area of excitatory neurons caused by seizures of epileptic waves downstream, epileptic wave propagating to the loop caused by abnormal synchronized firing activities more widely; in addition different from the main propagation direction of epileptic wave "temporal lobe epilepsy reported in the current literature in the entorhinal cortex, hippocampus and entorhinal cortex" loop "- but the hippocampal entorhinal cortex. Finally, this paper also finds that the use of regulation light can be selectively excited genetic hippocampus interneurons blocking epileptic wave propagation behavior and save the mice attack, confirmed the hippocampal interneurons may be an important target for intervention, for the clinical treatment of temporal lobe epilepsy. For the new guideline. (2) the predator defense behavior of non fear conditioned stimulation test in mice model of epilepsy, the fear of falling. For the analysis of loop mechanism, we first confirmed by the hippocampus of epileptic mice pathological changes of histological method; the expression of c-Fos protein in the hippocampus showed predator fear response, the epileptic mice hippocampal neurons in fear of predators test. Then through the activation of abnormal electrophysiological / light stimulation and anesthesia in brain regions of the local field potential recording / behavior test method, confirmed the hippocampus through the septum to the hypothalamus has the function of connection, and the loop by theta in predator fear behavior. Finally, in the hippocampus of epilepsy mouse hypothalamus loop theta in predator fear test in the presence of abnormal neural circuits may prompt us to the epileptic mice born with abnormal fear Fear about. To sum up, the new development of neural electrophysiology / regulation technology is conducive to the promotion of neural circuit analysis, and temporal lobe epilepsy research and control system research and related mechanism of loop loop propagation in hippocampus associated abnormal fear response in epilepsy instinct will not only contribute to a more comprehensive understanding of the rise of epileptic brain dysfunction and death rate, and provide some new strategies possible for an overall improvement in patients with epilepsy treatment effect, but also from the perspective of understanding the neural circuits related neural network brain hippocampus work mechanism, understand new ideas with other mental disorders.
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:R742.1;R-332
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 黄辛;;中美合作脑神经环路发育研究获重要进展[J];前沿科学;2012年02期
2 丁山,庄明华,白晔汕头大学医学院第二附属医院针灸科,黄芷荷,郭美芸;青霉素致兔急性癫痫模型电针及手术治疗的实验研究[J];广东医学;2004年05期
3 耿嘉,周东;慢性癫痫模型与癫痫耐药[J];华西医学;2005年01期
4 赵大骁,黄健怡,曹龙光,裴印权;硫酸锌引起的惊厥《一种新的慢性实验性癫痫模型》[J];生理科学;1982年10期
5 刘新民,于澍仁;动物癫痫模型与中枢神经递质[J];中国实验动物学杂志;1993年Z1期
6 肖争;癫痫模型研究进展[J];重庆医学;1998年05期
7 张佳梦,郭辉,邱永明,徐继文,李善泉,罗其中;窒息性脑缺血建立音源性癫痫模型的实验研究[J];中国神经精神疾病杂志;1999年04期
8 刘运进;潘洪玉;孙秉贵;;老年痴呆症的突触和神经环路机制[J];生命科学;2014年01期
9 ;癫痫[J];国外科技资料目录.医药卫生;2000年08期
10 徐淑梅,郑开俊,何津岩,仇晓菁,林来祥;柴胡对癫痫模型电活动的调制[J];中国应用生理学杂志;2002年03期
相关会议论文 前10条
1 来海欧;杨金升;石向群;陈合成;;艾芬地尔对癫痫模型海马可塑性改变的影响[A];第十一届全国神经病学学术会议论文汇编[C];2008年
2 陈英辉;王乃东;赵永波;;维拉帕米对耐苯妥英纳和卡马西平癫痫模型大鼠电生理和行为的影响[A];第三届CAAE中国脑电图和神经电生理大会论文摘要集[C];2012年
3 陈英辉;赵永波;王乃东;马爱梅;呙登俊;刘文文;;维拉帕米对耐苯妥英纳和卡马西平癫痫模型大鼠电生理和行为的影响[A];2009全国抗衰老与老年痴呆学术会议论文汇编[C];2009年
4 康慧聪;刘晓艳;李巷;刘志广;胡传琛;唐坤;曾峥;刘建林;朱遂强;;慢性癫痫模型MSC移植后存活迁徙的实验研究[A];中华医学会第十三次全国神经病学学术会议论文汇编[C];2010年
5 彭红军;郑荟蓉;李凌江;张燕;刘建斌;单保慈;李则宣;李卫晖;周建松;;边缘-颞叶-小脑神经环路白质异常可能是难治性抑郁发病机制之一—一项基于像素的DTI研究[A];中华医学会精神病学分会第九次全国学术会议论文集[C];2011年
6 刘慧浪;方芳;朱航;夏胜安;韩丹;胡林;雷皓;刘买利;;大鼠癫痫模型早期脑代谢特征的HR-MAS NMR研究[A];第十四届全国波谱学学术会议论文摘要集[C];2006年
7 陈英辉;王乃东;赵永波;;PGP对耐苯妥英纳和卡马西平癫痫模型大鼠电生理和行为的影响[A];第三届CAAE中国脑电图和神经电生理大会论文摘要集[C];2012年
8 王晓霞;王春芳;;Li-Pilocarpine大鼠慢性癫痫模型的建立[A];Proceedings of the 7th Biennial Meeting and the 5th Congress of the Chinese Society for Neuroscience[C];2007年
9 刘慧浪;韩丹;胡玲;夏圣安;朱航;刘买利;;早期癫痫模型大鼠尿样中代谢物的NMR研究[A];第十五届全国波谱学学术会议论文摘要集[C];2008年
10 陈英辉;赵永波;祖衡兵;王乃东;;XIAP对耐苯妥英纳和卡马西平癫痫模型大鼠电生理和行为的影响[A];2009全国抗衰老与老年痴呆学术会议论文汇编[C];2009年
相关重要报纸文章 前2条
1 胡德荣;果蝇抉择神经环路机制研究获进展[N];健康报;2007年
2 白毅;中科院上海神经所聚焦果蝇面临冲突环境的抉择研究[N];中国医药报;2007年
相关博士学位论文 前10条
1 舒玉;长期社会击败应激模型中小鼠前联合皮层神经环路重构的研究[D];华中科技大学;2016年
2 江海飞;水痘—带状疱疹病毒ORF7的功能解析及基于单纯疱疹病毒的新型顺行神经环路示踪工具[D];中国科学院武汉病毒研究所;2017年
3 靳森;工具病毒系统的建立及其在神经环路解析中的应用[D];中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所);2016年
4 王世本;三唑类抗癫痫先导物的结构修饰和药理活性评价[D];延边大学;2015年
5 王唯;miRNA-137在癫痫中的表达和功能研究[D];重庆医科大学;2016年
6 欧书;miRNA Let-7i在癫痫中的功能及机制研究[D];重庆医科大学;2017年
7 袁靳闲;MiRNA132在癫痫形成中的作用及机制研究[D];重庆医科大学;2016年
8 游宇;癫痫模型的中枢神经系统脱髓鞘改变及其对癫痫治疗意义的研究[D];第四军医大学;2011年
9 李巷;腺苷A_(2A)受体阻断剂SCH58261对大鼠杏仁核点燃癫痫模型的影响及作用机制研究[D];华中科技大学;2012年
10 龙乾发;Hes1基因沉默的骨髓间充质干细胞对癫痫的治疗作用[D];第四军医大学;2013年
相关硕士学位论文 前10条
1 高琴琴;匹罗卡品癫痫模型中大鼠海马和内嗅皮层区TREK-2钾通道的表达变化及意义[D];第四军医大学;2015年
2 万力;CTZ诱导癫痫模型中KCC2与GABA_A受体下调参与癫痫发病机制[D];复旦大学;2012年
3 黑悦;骨髓间充质干细胞移植对大鼠癫痫模型的治疗及对海马区域GABA能系统的调控作用[D];第四军医大学;2016年
4 吴宝红;苯环壬酯在不同的癫痫模型上的抗惊作用[D];中国人民解放军军事医学科学院;2006年
5 张建华;用于研究海马齿状回神经环路功能的光感调控模型的建立[D];东北师范大学;2012年
6 潘娟;癫痫模型大鼠动情周期、卵巢形态学及生长卵泡超微改变[D];宁夏医科大学;2011年
7 张培松;活性调节细胞骨架蛋白在大鼠岛叶癫痫模型海马中的表达及意义[D];宁夏医科大学;2011年
8 王晓霞;骨髓源神经干细胞对大鼠癫痫模型的治疗作用[D];山西医科大学;2007年
9 杨小岗;小鼠癫痫模型建立的实验研究[D];第四军医大学;2008年
10 杜芳;氟乙酸钠致大鼠癫痫模型的建立及其机制的研究[D];第四军医大学;2001年
,本文编号:1673065
本文链接:https://www.wllwen.com/yixuelunwen/mazuiyixuelunwen/1673065.html