浅析光遗传学结合在体电生理在神经精神疾病中的主要 应用策略

一、解析癫痫的发病机制

癫痫是一种发生率相对较高的神经性疾病，实质上是因为脑内神经元非正常放电导致的短时间性脑功能紊乱。目前临床上该病还不能完全治愈，大部分患者通过服用不同类型的抗癫痫药来缓解病情，但是药物控制手段使用的增多同时伴随着耐药现象的普遍出现，约 30% 的患者对药物产生耐受成为难治性癫痫。其中，颞叶癫痫在癫痫患者中占有相对较高的比例，而且由于颞叶癫痫患者发生耐药现象有着更高的概率，因而近年来耐药型颞叶癫痫的有效治疗愈加引起重视。除药物治疗外，利用手术破坏异常放电病灶也是疗法之一。然而，手术作为一种创伤性治疗方案，存在着许多禁忌证以及术后后遗症和复发现象。目前，在临床上对于耐药型癫痫依然没有理想的治疗方案，对其具体发作机制开展深入透彻的探寻并找合适的治疗方案仍然任重而道远。

颞叶癫痫是耐药型癫痫中较为常见的一种类型，病灶位于边缘区，主要为海马区。海马中来源于内侧隔核（medial septum，MS）的胆碱能神经元是海马兴奋性调节的关键。Wang 等在癫痫发作期间对 MS的胆碱能神经元的放电信号利用在体电生理技术记录，通过进一步分析发现在癫痫发作开始后胆碱能神经元就停止放电，并在发作后的一段时间内开始恢复，直接说明了颞叶癫痫开始发作时，MS 的胆碱能神经元的放电活动受到抑制。为了明确 MS 胆碱能神经元在颞叶癫痫发作中的确切作用，研究者利用光遗传学技术特异性激活 MS 的胆碱能神经元，结合电生理等技术证明选择性激活 MS 胆碱能神经元可抑制海马癫痫发作。同样的方法，特异性抑制 MS 的胆碱能神经元进而证明选择性抑制 MS 胆碱能神经元可促进海马癫痫发作，从而充分说明 MS- 海马通路的胆碱能神经元活动在癫痫的发病机制中发挥的作用，为癫痫发作的控制治疗提供了新思路。

此外，已有研究揭示海马下托与颞叶癫痫以及难治型颞叶癫痫亦存在相关性。Xu 等利用大鼠在杏仁核进行癫痫电点燃以及苯妥英钠耐药性筛选的方法进行难治型颞叶癫痫造模，通过在体神经元记录的方法，分别对海马下托区、CA1 区、CA3 区、DG 区和EC 区神经元的放电基线和苯妥英钠用药后的神经元放电进行记录，分析发现海马下托的兴奋性神经元放电发生显著性改变。而且，利用光遗传学对海马下托的兴奋性神经元进行特异性光激活或者抑制后也得到同样的结论。这提示海马下托的兴奋性神经元极有可能是治疗难治型癫痫的有效靶点。

二、阐明孤独症谱系障碍的发病机制

临床发现孤独症谱系障碍（autism spectrum disorders，ASDs）是一种神经相关性疾病，症状出现大多开始于婴幼儿阶段，患者主要具有社交能力缺陷、语言表达能力低下和刻板行为明显等特征。ASDs 的病因较为复杂，包括神经、免疫以及环境和遗传等多方面的因素。近年来，ASDs 的患病率迅速升高，成为患者沉重的负担，已经受到全球的重视，并且针对其病因和发病机制的进行持续深入研究。其中，神经网络发育异常相关导致自闭的病理机制一直是研究的热点。

1、情绪识别缺陷

ASDs 患者突出的特点之一是社会认知方面的缺陷，其中情绪识别缺陷又是社会认知中最常见的一种。在研究初期，关于 ASDs 患者所表现的情绪识别缺陷的探索主要是通过行为学的方法。此外，传统的 ASDs 相关研究重点是对症状等表面特征的论述，并未进行深入的机制探索。近些年来，伴随神经药理学、电生理相关技术等的发展与成熟，更多地研究专注于情绪识别缺陷的神经机制探究。

传统研究揭示，ASDs 患者在检查时出现事件相关电位的多种成份的改变，从而导致情绪识别缺陷的发生。随着脑功能成像技术的逐渐成熟，研究者开始对情绪识别的内在机制进行大致脑部定位。研究表明，情绪识别的过程是正常人脑的一个分散式神经网络系统共同作用的结果。经过进一步的脑部定位，研究发现 ASDs 患者情绪识别缺陷的发生主要与梭状回面孔区和杏仁核这两个脑区神经元的兴奋性降低有着紧密联系。随着研究的进展，逐渐提出梭状回面孔区和杏仁核作为一个整体的系统，这一系统的异常是造成情绪识别缺陷的主要原因。在这种假说下，研究进一步发现 ASDs 患者识别障碍可能不是某一个脑区异常导致的，更可能是多个异常脑区联合作用的结果，因而从整体水平上探讨 ASDs 患者情绪识别缺陷的联合神经网络机制成为当前研究的主要方向。

在体电生理技术具备的多脑区多通道同时记录的特点，以及光遗传学具有的特定神经元调控的特点，都使得在整体神经网络上对 ASDs 患者情绪识别缺陷相关的更具体的更多的脑区甚至是具体的神经元类型进行定位成为可能，从而能够进一步深入探究情绪识别缺陷的内在机制。例如，新近的研究发现，内侧前额 叶 皮 层（medial prefrontal cortex，mPFC）损 伤 和 情绪识别能力受损有着明显的相关性，兴奋性神经元与抑制性神经元的相互制衡作用决定着大脑皮层功能的正常与否，而 ASDs 就是由于这种平衡的紊乱导致的。Diego 等为了探讨 mPFC 内的抑制性神经元亚群以及兴奋性锥体神经元在情感识别过程中发挥的作用，在 mPFC 中植入了线性多电极阵列，在进行情绪识别任务的过程中进行了长期的电生理记录，经过分析发现与兴奋性锥体神经元相比，抑制性中间神经元更多地参与到情感识别的过程中，在情感识别任务中有着更高的神经活动。在进一步的研究中，利用光遗传学的技术，选择性的激活或者抑制生长抑素（somatostatin，SOM）中间神经元、小清蛋白（parvalbumin，PV）中间神经元，进而比较不同调控方法下对情绪识别能力的影响，实验结果表明 SOM 中间神经元的同步激活是影响情绪识别能力的重要因素，而PV 中间神经元不具有此种作用（Fig.1），从而进一步阐明了不同种类的抑制性中间神经元对于情绪识别过程中发挥的作用，为 ASDs 的情绪识别缺陷的发病原因提出了新的阐释。

2、 社交障碍

近年来，随着孤独症患病率的大幅度增加，社交障碍作为 ASDs 的核心症状之一也引起更多的关注，学者们对于社交相关的研究也日益深入。目前，越来愈多的研究表明 mPFC 是控制社交行为的关键脑区［38-40］。皮层神经网络活动是社交行为的基础，其兴奋性与抑制性神经活动平衡的打破则会导致社交障碍现象的发生。但是，其中具体的神经与网络机制仍然有待探索。已有研究发现，社交缺陷患者广泛存在γ氨基丁酸（γ-aminobutyricacid，GABA）能中间神经元的发育异常，而且 GABA 能中间神经元已被研究发现在皮层多种神经环路中发挥着重要的抑制性作用。

基于此，Liu 等通过在体电生理对社交过程中mPFC 神经元进行记录，结合光遗传学进行光鉴别的策略发现 mPFC 不同类型的中间神经元放电模式不同，在社交的过程中，PV 中间神经元放电频率显著性增加，然而 SST 中间神经元放电频率不变，并且通过进一步光遗传学调控发现选择性激活 PV 或者 SST 中间神经元使其神经活动同步化增加，进而使得 mPFC 脑区场电位在低 gamma 频段能值增加可以显著性增加小鼠的社交能力。与此相似，Cao 等［44］通过神经调节蛋白 R451C 敲入鼠这一自闭模型研究发现社交障碍、社交新颖性缺陷的行为学表型，并且伴随着 mPFC 脑区中间神经元兴奋性降低和 gamma 振荡的下调。此外，进一步研究发现通过光遗传学手段光刺激 mPFC 脑区PV神经元可以改善社交障碍等行为学缺陷。总而言之，这些研究发现都为 ASDs 的治疗提供新的可能性靶点。

文章来源：

神经药理学报---《光遗传学结合在体电生理在神经精神疾病研究中的实施策略及意义

神经药理学报---《光遗传学结合在体电生理在神经精神疾病研究中的实施策略及意义》，作者：王帅帅，韩峰