神经元多模态动态分析技术：揭示癫痫发作触发机制

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研究背景

癫痫发作间期主要通过脑电图分析脑功能障碍来研究。发作间期的特征是某些功能失调的潜在网络的电信号，如短暂的病理图形元素，包括发作间尖刺(IIS)、多尖刺和尖刺波，这些都与脑活动背景的紊乱有关或无关。癫痫病网络中IIS的发生通常与兴奋性阈值的变化有关，这是由于突触(兴奋性和/或抑制性)和非突触([K+]，突触传导，细胞环境等)机制的相互作用，促使神经网络达到短暂的超同步。研究假设发作间期癫痫尖峰的出现是由于各种神经元(突触和非突触)、血管和代谢室之间的密切功能平衡被打乱所致。

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研究方法

2.1、实验动物

43个雄性Sprague-Dawley大鼠，这些大鼠被安置在一个温度可控的房间里，有规律的光照/黑暗周期，喂养标准的鼠粮和随意饮用的自来水。

2.2、 数据采集与分析

光学测量采用的是ISS Imagent血氧计，检测器的采样频率设置为156.25 Hz，以获取光吸收(fNIRS)和光散射(FOS)的变化。

利用基于matlab的Homer2工具箱，HbO2和HbR浓度经过带通滤波(0.08~0.3 Hz)，以拒绝非常缓慢的基线漂移和心脏伪影。时间零点(T0)定义为每个IIS的峰值。在血红蛋白浓度数据的40秒窗口内(T0前后20秒)，通过反卷积方法研究同侧和对侧大脑半球IIS活动前后的血流动力学变化。将IIS周围发生的HbO2和HbR变化与基线段(T0前10s~20s)进行比较。

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研究结果

本研究首次观察到的信号变化发生在IIS峰值前几秒的血流动力学。这些血流动力学变化之后，在IIS峰值前1秒，深层和表层神经网络之间的相干性和同步性发生变化。

图1 IIS表征图

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实验结论

这项多模态研究描述了癫痫大鼠在与IIS相关的内源性超同步反应中观察到的神经元、血流动力学和膜构型的变化。这种多模式、多尺度方法强调了(1)不同神经元、血管和细胞外室之间的相互作用，(2)不同层次之间的神经相互作用，(3)突触机制(连贯性和同步性)，(4)在一个非常特殊的大脑血流动力学环境中，发生在IISs前后的神经元网络中的非突触机制。

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