光遗传结合电化学控制药物精准调控癫痫异常神经回路的机制研究

Research goal: Study the role of functional projection from mPFC to amygdala in the anxiety disorder relevant to limbic epilepsy. We propose to utilize the amygdala Kanic Acid kindled wildtype and cre-recombinase mice as a limbic epilepsy model. Multi-channel extracellular electrophysiology and optogenetics will be combined with electrochemically controlled precise drug delivery and behavior tests for the following purposes: 1) characterization of the electrochemically controlled drug delivery from chronically implanted multi-electrode arrays; 2) precisely control the delivery of AP5, DNQX, GABA and other candidate neuromodulators in amygdala to study the role of excitatory/inhibitory neural transmission in the anxiety disorder relevant to limbic epilepsy; 3) optogenetics study of functional projection from mPFC to amygdala in the anxiety disorder relevant to limbic epilepsy; 4) utilization of electrochemically controlled precise drug delivery to combine or replace optogenetics and develop a clinically viable neural modulation technique, and further elucidate the role of different receptors in mPFC-amygdala projection in the modulation of anxiety disorders relevant to epilepsy. With this study, the knowledge on functional alternation of excitatory/inhibitory neural network in the limbic epilepsy can be greatly advanced, furthermore, the neural mechanism underlying anxiety symptoms relevant to epilepsy as well as other episodic mental disorders will be elucidated.

目标：研究内侧前额叶到杏仁核投射在边缘系统癫痫患者所致焦虑异常中的神经回路调控机制。本项目将以杏仁核海人酸点燃癫痫模型小鼠和cre重组酶转基因小鼠作为研究对象。综合运用多通道胞外记录，光遗传等方法，结合自由活动的动物脑内电化学控制精准药物释放与行为学检测等手段：1）定量研究植入电极表面载药导电聚合物的药物精准控制释放；2）通过控制AP5及DNQX等药物释放解析杏仁核的兴奋/抑制性突触传递与边缘系统癫痫所致焦虑异常的关系；3）光遗传结合控制药释解析癫痫小鼠内侧前额叶到杏仁核投射在焦虑行为的作用；4)电化学控制药释结合或替代光遗传进行技术转化并进一步解析内侧前额叶到杏仁核投射中不同受体在边缘系统癫痫所致焦虑中的作用。通过本项目，我们能够深刻理解边缘系统癫痫的病理神经回路中兴奋/抑制性突触传递的改变，加深对癫痫等发作性疾病中焦虑等情绪失调的神经回路机制的理解。

本项目在方法技术与神经环路机制方面取得了一系列成果：本项目实施对电化学控制高时空精度药物释放调控神经活动的参数控制和药物种类选择、技术实现方式的归纳及该技术可能的应用范围限制进行了研究。主要实现控制释放的药物包括荧光素、AMPA受体阻断剂DNQX、GABA、AP-V、临床抗癫痫药物奥卡西平等。稳定建立了杏仁核海人酸急性点燃、慢性自发癫痫模型，同时为了增加癫痫发作强度的可控性，也开发了杏仁核电点燃模型及清醒活动小鼠同步电点燃、电生理记录、药物精准调控的方法。针对癫痫共患疾病的光遗传环路解析，运用了经典的旷场和高架行为范式研究了共患焦虑障碍，同时用光遗传电生理解析了视空间记忆环路机制，该记忆障碍属于癫痫发作相关的认知表现，也可能用于诊断或评估共患认知障碍及认知康复效果。同时针对焦虑和视空间记忆的行为学数据建立了有效的自动化分析和统计检验流程，从而可大幅提升测试结果的客观性、准确性和高效性。研究证明药物释放可抑制BLA点燃癫痫发作，对癫痫共患焦虑障碍行为的分析发现，药物释放导致的发作减少与焦虑样行为表现无明显关联，报告中有大量未发表数据，后续将陆续发表并标注。由于电化学控制精准药物释放技术基本不增加植入设备的复杂度、次品率和损坏率并且避免增加液体通道带来的潜在堵塞、泄漏风险，该技术未来可能作为深部脑刺激等电极表面的复合功能调控材料，拓展这些微创神经植入技术的应用目标、方式及灵活性并显著降低多种药物副作用，而该技术临床前安全性测试相对环节也较少，不必经过病毒工具与遗传操作永久改变部分细胞表达特征的的安全性验证工作。