神經(jīng)元多模態(tài)動(dòng)態(tài)分析技術(shù)：揭示癲癇發(fā)作觸發(fā)機(jī)制

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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(diào)的潛在網(wǎng)絡(luò)的電信號(hào)，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(dòng)背景的紊亂有關(guān)或無關(guān)。癲癇病網(wǎng)絡(luò)中IIS的發(fā)生通常與興奮性閾值的變化有關(guān)，這是由于突觸(興奮性和/或抑制性)和非突觸([K+]，突觸傳導(dǎo)，細(xì)胞環(huán)境等)機(jī)制的相互作用，促使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到短暫的超同步。研究假設(shè)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。

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研究方法

2.1、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

43個(gè)雄性Sprague-Dawley大鼠，這些大鼠被安置在一個(gè)溫度可控的房間里，有規(guī)律的光照/黑暗周期，喂養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)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(xué)測(cè)量采用的是ISS Imagent血氧計(jì)，檢測(cè)器的采樣頻率設(shè)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(shí)間零點(diǎn)(T0)定義為每個(gè)IIS的峰值。在血紅蛋白濃度數(shù)據(jù)的40秒窗口內(nèi)(T0前后20秒)，通過反卷積方法研究同側(cè)和對(duì)側(cè)大腦半球IIS活動(dòng)前后的血流動(dòng)力學(xué)變化。將IIS周圍發(fā)生的HbO2和HbR變化與基線段(T0前10s~20s)進(jìn)行比較。

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研究結(jié)果

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

圖1 IIS表征圖

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實(shí)驗(yàn)結(jié)論

這項(xiàng)多模態(tài)研究描述了癲癇大鼠在與IIS相關(guān)的內(nèi)源性超同步反應(yīng)中觀察到的神經(jīng)元、血流動(dòng)力學(xué)和膜構(gòu)型的變化。這種多模式、多尺度方法強(qiáng)調(diào)了(1)不同神經(jīng)元、血管和細(xì)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(jī)制(連貫性和同步性)，(4)在一個(gè)非常特殊的大腦血流動(dòng)力學(xué)環(huán)境中，發(fā)生在IISs前后的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中的非突觸機(jī)制。

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