失神癫痫调控的神经计算模型研究

发布时间：2018-03-11 02:26

本文选题：失神癫痫发作　切入点：棘慢波放电　出处：《电子科技大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：失神癫痫是特发性全面性癫痫(Idiopathic generalized epilepsy,IGE)的一种,与大脑内神经元的异常放电活动密切相关。失神癫痫的典型特征即失神癫痫发作,其起始和终止均是跳跃式的,给成功预测造成了极大的困难。失神癫痫发作期间,在大脑的双侧半球上能够观测到典型的2-4 Hz棘慢波放电(Spike and wave discharges,SWDs),同时伴有短暂的意识丧失。失神癫痫发作不仅会给失神癫痫患者造成巨大的精神负担和痛苦,也会给家庭和社会带来沉重的经济负担。因此,如何有效地调控失神癫痫发作是亟待解决的重要问题。尽管失神癫痫发作的起源仍存在争议,但是越来越多的研究表明失神癫痫发作的产生与皮层(Cerebral cortex,Ctx)和丘脑间的异常相互作用有紧密的关系。理论上,合理地调控皮层-丘脑网络内的活动可能为控制失神癫痫发作提供契机。基于此,本学位论文将采用生物物理计算模型的方法研究大脑内失神癫痫发作的动态调控机制,即丘脑前馈抑制性和基底节在控制失神癫痫发作中的潜在功能作用。主要内容包括以下三个部分:第一,丘脑前馈抑制性调控失神癫痫发作。解剖结构上,特定丘脑中继核(Specific relay nuclei of thalamus,SRN)既接收来自皮层的兴奋性输入,也接收丘脑网状核(Thalamic reticular nucleus,TRN)的抑制性投射。同时,TRN也接收皮层的兴奋性投射,故Ctx-TRN-SRN通路构成了丘脑前馈抑制性。为了探究丘脑前馈抑制性在控制失神癫痫发作中的作用,我们运用基于生物物理的皮层-丘脑网络平均场模型,发现增加兴奋性Ctx-TRN通路的耦合强度能够成功地抑制失神癫痫发作。而且,TRN-SRN通路中伽马氨基丁酸A型(Gamma-aminobutyric acid A,GABAA)和伽马氨基丁酸B型(Gamma-aminobutyric acid B,GABAB)受体介导的抑制性在控制失神癫痫发作中具有组合作用。重要的是,我们可以在GABAB受体介导的中间抑制性水平下观测到SWDs,并在较低或者较高的GABAB受体介导的抑制性水平下观测到对应的快速和慢速的简单振荡,表明GABAB受体在触发失神癫痫发作的产生中伴有重要作用。综上,丘脑前馈抑制性作为丘脑的内在控制系统,有利于失神癫痫发作的控制,并为失神癫痫的治疗提供了新的参考思路。第二,黑质-丘脑通路介导基底节双向控制失神癫痫发作。作为基底节的输出核团,黑质网状部(Substantia nigra pars reticulata,SNr)通过直接的黑质-丘脑通路(SNr-TRN和SNr-SRN通路)调控皮层-丘脑网络的活动。据此,我们构建了基于生物物理的基底节-皮层-丘脑(Basal ganglia-corticothalamic,BGCT)网络平均场模型,并探讨了基底节在调控失神癫痫发作中的潜在作用。通过模型仿真,我们发现当仅通过SNr-TRN通路调控失神癫痫发作时,降低SNr的神经活动能够成功地控制失神癫痫发作。相反,在仅通过SNr-SRN通路调控失神癫痫发作时,增加SNr的神经活动也可以显著地控制失神癫痫发作。进一步,当SNrTRN和SNr-SRN通路同时存在时,由于两条通路间的竞争,在适当条件下,增加或者降低SNr的神经活动,基底节都能够成功地控制失神癫痫发作。故在此情形下,基底节可以双向控制失神癫痫发作。另外,TRN-SRN通路的耦合强度对此双向调控具有可塑作用。这些发现首次揭示了基底节能够双向控制失神癫痫发作,为临床治疗失神癫痫提供了新的见解。第三,苍白球外侧-皮层通路介导基底节调控失神癫痫发作。除了黑质-丘脑通路,最近的实验研究指出基底节存在由苍白球外侧部(Globus pallidus external segment,GPe)到皮层的直接抑制性通路(GPe-Ctx通路),其通过对皮层-丘脑网络活动的调节可能也会参与对失神癫痫发作的控制。为此,我们对原BGCT网络平均场模型引入GPe-Ctx通路,并发现该通路可以介导基底节对失神癫痫发作的调控。特别是,我们发现增强GPe-Ctx通路的耦合强度或者直接增加GPe的神经活动都能够显著地控制失神癫痫发作。此外,通过改变与GPe相关的部分直接或者间接通路的耦合强度来改变GPe的神经活动也能够实现对失神癫痫发作的控制。进一步,我们发现基底节仍可以通过黑质-丘脑通路双向控制失神癫痫发作,且GPeCtx通路对此双向控制具有可塑作用。这些结果不仅表明GPe-Ctx通路能够介导基底节控制失神癫痫发作,而且指出基底节对失神癫痫发作的双向控制可能是一种普遍的调控机制。总之,基于生物物理的平均场模型,我们发现丘脑前馈抑制性和基底节在控制失神癫痫发作中具有重要的作用。我们的发现不仅为生理实验的开展提供了新的思路,也为临床治疗失神癫痫和相关疾病提供了建设性的理论参考。
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【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R742.1

【参考文献】