丘脑前核深部脑刺激抑制癫痫的作用机制及microPET研究

Deep brain stimulation (DBS), usually with high-frequency stimulation, is a new option for intractable epilepsy. The anterior thalamic nucleus (ATN) is a DBS target that can influence seizure propensity based on its connectivity to the cortex and limbic structures，howerve,the mechanism underlying the antiepileptic function remains unknown.In our previous study, we measured the regional normalized cerebral metabolic rate of glucose (nCMRglc) with 18F-fluorodeoxyglucose (FDG)-microPET in animals receiving either ATN stimulation or lesioning, and found bilateral DBS of the ATN induces metabolic activation of the target area and modulates energy metabolism in remote brain regions via efferent or afferent fibers in non-epileptic rats. DBS of the ATN may work by a different mechanism than ATN lesioning. This study will observe the regulation effects of DBS in glucose metabolism ,neuron electrical activities ,neurotransmitter (GABA) and the influence of the expression GABAA receptors in epileptic rats in order to further expounds the mechanism by the techology of moelcuar imaging with organotypic culture in vitro,electrophysiology,neurochemistry and immunohistochemical.Successful completion of this study will offer more reliable theoretical basis and better applied to treatment clinical intractable epilepsy for DBS .

利用高频电刺激深部脑区（DBS）的方法来控制癫痫的形成和发作是目前癫痫研究热点之一。丘脑前核在痫性活动的传播、同步化和泛化中扮演着非常重要的角色，是目前DBS治疗癫痫的潜在的有效刺激靶点，但是其作用机制至今未明，我们在前期研究中利用microPET技术发现丘脑前核DBS可引起大鼠靶区以及远隔脑区的可逆性葡萄糖代谢变化，并且和毁损丘脑前核可能有着两种完全不同的抗癫痫机制。本研究将进一步采用分子影像学技术，联合整体癫痫动物模型、离体脑片培养、神经电生理、神经化学和免疫组化等多种手段，系统观察丘脑前核DBS对癫痫大鼠葡萄糖代谢和神经元电活动的调节作用，以及对神经递质（GABA）和GABAA受体表达的影响，阐明其作用机制。本课题的顺利完成能为丘脑前核DBS更好的应用于临床治疗难治性癫痫提供更为可靠的理论依据。

第一部分：深部脑刺激丘脑前核对小鼠颞叶癫痫的治疗作用.我们探究了深部脑刺激丘脑前核对海人藻酸和电点燃诱导的小鼠海马癫痫模型的作用。结果发现频率为1Hz的深部脑刺激双侧丘脑前核能够显著减少自发性癫痫的发作频率，并且对非惊厥的局灶性发作及强直、阵挛的全身性发作均有效，主要表现为对短时长(20-60s)和中时长(60-120s)发作的长时程抑制。同时，深部脑刺激能够减少高频率振荡和间期放电的频率，降低海马背景脑电中δ波的能量并增加γ波能量。此外，我们发现深部脑刺激能够改善慢性癫痫小鼠在空间事物记忆、新事物识别以及恐惧条件反射测试中的表现。进一步利用光遗传学技术发现，光激活丘脑前核区的GABA能神经元显著抑制海马电刺激诱导的癫痫形成和癫痫大发作。.第二部分：大鼠颞叶癫痫海马葡萄糖低代谢的分子机制.我们在建立大鼠匹罗卡品癫痫模型的基础上，利用18F-氟脱氧葡萄糖小动物正电子发射断层扫描（18F-FDG-microPET）和病理学系指标来观察两者之间的关系。我们分别在癫痫发作前（未处理），癫痫持续状态后第7天（潜伏期）和第60天（慢性期）进行18F-FDG-microPET扫描，同时观察神经元特异性核蛋白（NeuN）和神经胶质纤维酸性蛋白（GFAP）在海马中的表达情况，分析海马葡萄糖代谢在每个时间点的和NeuN、GFAP表达的相关性。18F-FDG-microPET结果显示海马在癫痫潜伏期间呈现持续性代谢，部分葡萄糖代谢在慢性期恢复。潜伏期海马葡萄糖低代谢与NeuN数量有关，而慢性期葡萄糖的部分恢复则和GFAP的数量有相关性。结果说明潜伏期海马严重的葡萄糖代谢低代谢可能与神经元细胞丢失有关，而海马葡萄糖在慢性的部分恢复可能是由于星形胶质细胞的增生。.第三部分：深部脑刺激内侧隔核对小鼠颞叶癫痫的作用研究.我们使用不同频率(1Hz、5Hz、20Hz和100 Hz)，不同方式(连续和间歇)对内侧隔核进行深部脑刺激，探究了其对海人藻酸和电点燃诱导的小鼠海马癫痫模型的作用。在急性海人藻酸模型中，持续性电刺激内侧隔核均能抑制颞叶癫痫的大发作，但不能抑制局灶性发作，其中5 Hz的抗癫痫效果最好。此外，内侧隔核区的深部脑刺激能够抑制电点燃诱导的颞叶癫痫的大发作，对其形成过程则无作用。进一步利用光遗传学技术发现，光激活内侧隔核区的胆碱能神经元显著抑制海马电刺激诱导的癫痫形成和癫痫大发作。