鄭茜茜，陳亮亮，葉學松

（1.溫州醫(yī)科大學 生物醫(yī)學工程學院，浙江 溫州 325035；2.浙江大學 生物醫(yī)學工程與儀器科學學院，浙江 杭州 310027）

?綜 述?

基于海馬神經元組群的癲癇仿真模型研究進展

鄭茜茜1，陳亮亮1，葉學松2

（1.溫州醫(yī)科大學 生物醫(yī)學工程學院，浙江 溫州 325035；2.浙江大學 生物醫(yī)學工程與儀器科學學院，浙江 杭州 310027）

癲癇是一種嚴重危害人類健康的神經系統(tǒng)疾病，對此研究者們投入了大量的財力、人力和物力研究其發(fā)病機制。在實驗基礎上建立癲癇仿真模型有利于人們探索癲癇發(fā)病機制及研制抗癲癇藥物。大量研究表明癲癇的發(fā)生與海馬結構變化有密切關系，因此本文介紹了近年來國際上廣泛研究的、基于生理解剖的海馬神經元組群的癲癇仿真模型的研究工作，并結合我們目前的工作展望癲癇仿真模型的發(fā)展趨勢。[關鍵詞]癲癇；仿真模型；海馬CA1區(qū)；海馬CA3區(qū)；綜述文獻

癲癇是大腦神經元高度超同步化造成突發(fā)性異常放電的一種臨床現象，其發(fā)病率在神經系統(tǒng)疾病中僅次于腦血管病，是一種較為常見的慢性疾病。癲癇的發(fā)作具有不可預見性、反復性和突發(fā)性的特點，發(fā)作時對人體的傷害很大，尤其對腦部的損傷最大。目前臨床上主要通過藥物或者外科手術來治療癲癇患者。這兩類方法對許多癲癇患者具有良好的治療效果，但仍有約25%的患者不能得到有效治療，稱為難治性癲癇[1]。迄今為止，還不能完全有效地抑制癲癇發(fā)作，主要原因就在于人們對癲癇的發(fā)病機制尚未完全闡明。

難治性癲癇中絕大部分為顳葉癲癇（temporal lobe epilepsy，TLE）。大量研究表明TLE的發(fā)生可能與海馬和邊緣系統(tǒng)之間復雜的興奮性連接環(huán)路[2]以及海馬結構變化[3]有關，海馬內的神經網絡和神經元功能異常是癲癇發(fā)生的重要因素，因此目前對癲癇發(fā)病機制探索比較多的是以海馬神經元組群作為研究對象。但是由于海馬神經元系統(tǒng)具有復雜的形態(tài)結構，為直接的實驗研究帶來了不少困難；但是實驗的定性研究與模型的定量分析相結合，卻為研究癲癇發(fā)病機制提供了一種行之有效的新方法。據此，本文就海馬神經元組群的解剖結構及癲癇仿真模型的研究現狀作一綜述。

1 海馬與TLE

1.1 海馬神經元組群解剖結構 海馬是組成大腦邊緣系統(tǒng)的一個重要部分，包括海馬體（hippocampus，CA）、齒狀回（dentate gyrus，DG）、下托（subiculum）、前下托（presubiculum，PrS）、傍下托（parasubiculum，PaS）、內嗅皮層（entorhinal cortex，EC）。海馬CA區(qū)根據各區(qū)錐體（pyramidal，P）細胞形態(tài)和纖維排列層次的細致差異分為4個區(qū)：CA1、CA2、CA3和CA4[4]。海馬解剖結構和“三突觸回路”見圖1。三突觸回路是指：神經信號通過EC經前穿質通路（perforant pathway，PP）投射至DG上的顆粒細胞層；DG顆粒細胞層上的神經信號通過苔狀纖維（mossy fibers，MF）傳遞到位于CA3區(qū)的P細胞層；CA3區(qū)P細胞層上的神經信號通過Schaffer側枝（schaffer collaterals，SC）傳向CAl區(qū)。海馬中包含很多類型的神經元，主要分為2類：興奮性和抑制性。興奮性神經元是海馬中存在的主要細胞，包括海馬區(qū)的P細胞、DG層的顆粒細胞。抑制性神經元又叫中間神經元[5]，主要包括籃狀（basket，B）細胞、始層分子層（oriens-lacunosum moleculare，OLM）細胞、枝形細胞、軸軸（axo-axonic，AA）細胞、雙尖（bistratified，BS）細胞等，約占海馬神經元總數的10%。

1.2 海馬與TLE 研究表明：通過對內側TLE患者的海馬組織進行磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）和磁共振波譜（magnetic resonance spectroscopy，MRS）成像分析，發(fā)現其海馬出現硬化現象[6]；從TLE患者切除的海馬標本中可以發(fā)現，海馬出現萎縮現象[7]。普遍認為癲癇發(fā)作是由神經元集群的放電行為導致的，其誘發(fā)因素有很多，比如神經元的放電特性，突觸連接的類型、強度、可塑性以及神經元集群連接的拓撲結構等。海馬4個區(qū)中CA2只占一個很小的部分，有學者認為CA4區(qū)可能是DG的一部分，因此CA1區(qū)與CA3區(qū)構成嚴格意義上的海馬，多數關于癲癇的研究都是以它們作為研究對象[8-12]，CA2區(qū)與CA4區(qū)通常忽略不計。

癲癇發(fā)作在腦電圖上比較常見的表現為癲癇樣放電，分為間歇樣放電和發(fā)作樣放電。間歇樣放電表現為時程較短的棘波，一般時程只有幾百毫秒；發(fā)作樣放電表現為長時程（高達幾十秒）的放電[13]。

圖1 海馬解剖結構和“三突觸回路”

2 癲癇仿真模型

為了有效、迅速地篩選和研制抗癲癇藥物，首先要建立癲癇模型。目前比較成熟的動物實驗模型主要有低鎂和4-氨基吡啶（4-aminopyridine，4-AP）模型，但是這些模型很難解釋癲癇的發(fā)作機制，極大程度地限制了癲癇預測及抑制治療的研究進展。比如：EC也是大腦邊緣系統(tǒng)一個重要組成部分，研究表明EC與TLE的產生和維持有密切的聯系。但是動物實驗中，很難只改變網絡中EC對海馬的作用。因此需要借助計算機仿真模型，在細胞水平上闡明癲癇發(fā)作的內在機制。

2.1 海馬CA1區(qū)癲癇仿真模型 為了研究θ節(jié)律（4-7 Hz）在記憶編碼和檢索過程中起的作用，Cutsuridis等[14]構建了海馬CA1區(qū)仿真模型，見圖2a。網絡模型包含P細胞（100個）和4種類型的中間神經元（B、BS、AA和OLM細胞）。對于P細胞，輸入來自EC區(qū)和海馬CA3區(qū)的SC。每個中間神經元都與P細胞通過突觸形成抑制性連接。汪洋[15]在此模型基礎上建立了CA1區(qū)癲癇仿真模型，來研究體感刺激對于癲癇發(fā)作時神經活動的影響。為了模擬癲癇發(fā)作，通過直接施加脈沖刺激到CA1區(qū)部分P細胞上獲得仿真癇樣波。改變網絡中EC輸入突觸連接權重來模擬真實情況下體感刺激強度的改變。仿真結果顯示，對于海馬單側的癲癇活動，體感刺激有抑制作用，但對于雙側影響不大。

為了模擬癲癇發(fā)作時的間歇樣放電，Ratnadurai-Giridharan等[16]利用H-H方程建立了海馬CA1區(qū)癲癇模型，見圖2b。模型中有225個P細胞，22 個B細胞，22個海馬槽（orien alveus，OA）細胞。AMPA和GABAa電導用來模擬突觸的相互作用。模型很好地模擬了海馬CA1區(qū)自發(fā)的間歇樣放電，即使SC輸入不是完全同步。

Wei等[17]同樣利用H-H方程構建了海馬CA1區(qū)生物物理模型，用來仿真氧代謝和癲癇發(fā)作之間的關系，進一步解釋了實驗中所觀察到缺氧可以誘導癲癇發(fā)作這一現象，從而對癲癇發(fā)作時離子動力學和能量代謝之間復雜的相互關系有了一個更全面的了解。

圖2 海馬CA1區(qū)仿真模型

2.2 海馬CA3區(qū)癲癇仿真模型 海馬CA3區(qū)是信號傳遞的樞紐，對于癲癇的產生和擴散有著重要的作用。關于海馬CA3區(qū)仿真模型，也有不少文獻進行了報道。Kunec等[18]根據生理數據搭建了如圖3a所示的海馬CA3區(qū)網絡模型，模型中的主要細胞包括P細胞和2種類型的中間神經元（B細胞和OLM細胞），網絡的輸入來自鼻中隔和EC。通過改變網絡中的突觸連接，模擬記憶在編碼和檢索過程中和信號在網絡中的傳遞。仿真結果表明：在記憶編碼期間，EC對海馬區(qū)的信號輸入相對較強，網絡中主要細胞之間的突觸連接變強；在記憶檢索期間，來自EC區(qū)的信號通過DG激活之前加強的突觸連接。

Neymotin等[19]建立了如圖3b所示海馬CA3區(qū)網絡模型，用來研究氯胺酮誘發(fā)精神病的一些可能機制。模型中包括800個P細胞、200個B細胞和200 個OLM細胞。在模型中，通過阻斷網絡中不同細胞上的NMDA受體通道來模擬精神病患者的異常放電，仿真結果表明氯胺酮可能主要是阻斷了OLM細胞上的NMDA受體從而誘發(fā)了精神病。這些模型為癲癇仿真模型的建立奠定了良好的理論基礎。

Traub等[20]通過建立海馬CA3區(qū)癲癇仿真模型，研究低鎂人工腦脊液（artificial cerebrospinal fluid，ACSF）誘發(fā)海馬腦片產生癲癇樣放電的可能機制。該模型包含1 000個P細胞和100個中間神經元，模型沒有考慮中間神經元的種類，只建立了一類抑制性細胞，代表所有中間神經元。利用仿真模型研究當胞外鎂離子濃度不同時，某一P細胞的放電情況以及網絡中同步性放電的神經元個數。研究發(fā)現當鎂離子濃度為0 mmol/L時，網絡中大量神經元同步性放電，顯示出癲癇樣放電。

Ren等[21]為了研究EC對海馬癲癇樣放電的影響，簡化了Traub等建立的海馬CA3區(qū)網絡模型，見圖3c，網絡中只包括2個P細胞、1個B細胞和1個OLM細胞。根據生理解剖學構建神經元之間的突觸連接，網絡還接受2個外界輸入：DG和EC的興奮性輸入。仿真結果表明，改變網絡中的鎂離子濃度至0 mmol/L，海馬CA3區(qū)產生間歇樣放電，如果給網絡加入EC信號輸入，網絡能產生發(fā)作樣放電。同時通過增強抑制性γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）能連接強度和降低興奮性N-甲基-D-天門冬氨酸（N-methyl-D-aspartate，NMDA）能連接強度，來模擬一種抗癲癇藥物—丙戊酸（valproate，VPA）對海馬間歇期放電的影響。結果顯示可能是由于VPA阻斷了EC的發(fā)作樣放電，從而能夠阻斷EC-海馬聯合腦片上的發(fā)作樣放電。

乙酰膽堿通過誘導海馬在分離和完成2個模式之間切換來調節(jié)記憶的編碼和檢索，這2個過程會引起網絡活動的大量變化，從而可能會導致癲癇樣興奮的傳播。因此在一定范圍內保持網絡的穩(wěn)定性是必須的。Hummos等[22]建立了如圖3d所示的海馬體EC-DG-CA3區(qū)仿真模型，用來研究在記憶的編碼和檢索期間，海馬體CA3區(qū)保持網絡動態(tài)穩(wěn)定的內在機制，從而抑制癲癇波的傳播。

圖3 海馬CA3區(qū)仿真模型

2.3 海馬開、閉環(huán)回路仿真模型 最近的實驗研究[23]表明：EC層和海馬組群之間傳導的時間延遲要比預期的長，為70～80 ms。Cutsuridis等[24]通過構建DG、CA3區(qū)和CA1區(qū)開環(huán)回路仿真模型，研究這種時間延遲的內在機制，見圖4。模型中主要包括顆粒細胞、CA3區(qū)和CA1區(qū)的P細胞和6種類型的中間神經元（B細胞、AA細胞、BS細胞、OLM細胞、苔蘚細胞和前通路門細胞）。網絡的輸入來自EC和內側隔。仿真結果顯示這種延遲主要是由于θ振蕩引起的胞體和突觸抑制性電位的存在。

在此基礎上，Sandler等[25]構建了海馬體閉環(huán)回路模型，信號從CA1區(qū)再反饋到EC。利用該模型研究癲癇振蕩的產生和設計有效的神經刺激模式來消除這種振蕩。深部腦刺激（deep brain stimulation，DBS）是一種很有前途的抑制癲癇發(fā)作的治療手段，但是現有的刺激模式多為開環(huán)的，不能根據患者的實際情況自動改變刺激模式，選擇最佳的DBS頻率參數。基于該閉環(huán)仿真模型的研究可以被用來作為一個實驗平臺，針對每個患者的實際情況設計一個最佳的DBS模式。盡管該模型還在驗證階段，但是也解釋了一些在實驗研究中出現、未解決的現象。比如：不同的刺激頻率都可以抑制同一系統(tǒng)內的癲癇發(fā)作，這和Kinoshita等[26]發(fā)現的實驗現象（1 Hz和50 Hz的刺激對于TLE患者具有相同的抗驚厥效果）相符合。

圖4 DG-CA3-CA1網絡仿真模型

3 展望

根據目前的研究，人們利用各種癲癇仿真模型，對癲癇的發(fā)病機制以及癲癇的抑制研究取得了較大的進步，但這些研究并沒有以大量的實驗數據作為支持。針對以上問題，我們實驗室提出了基于微流控和光解籠鎖谷氨酸的體外神經元網絡癇性模型建立的研究課題。目前認為谷氨酸與癲癇的發(fā)作關系密切[27-28]，谷氨酸與其受體結合會引發(fā)癲癇，導致腦神經元受到不同程度的損傷，甚至是不可逆的。其主要工作有：①搭建基于微流控技術的微電極陣列（micro electrode array，MEA）電信號記錄系統(tǒng)：利用微流控技術，得到具有適合海馬細胞生長的微腔和微通道的微流控芯片。在癲癇的生理解剖基礎上，海馬神經元細胞在MEA芯片上培養(yǎng)和定向生長。陣列式光刺激掃描系統(tǒng)使用特定波長的光照射籠鎖谷氨酸，解除光敏基團的籠鎖作用，在光照的特定部位（如神經元胞體、神經突觸等局部位置）釋放出谷氨酸。研究不同拓撲連接結構的細胞網絡在谷氨酸作用下的放電情況，闡明網絡結構、突觸連接與癲癇發(fā)作的內在機制。②建立海馬神經元網絡仿真模型：根據海馬神經系統(tǒng)的解剖結構，首先建立單個神經元模型，包括P細胞和中間神經元；然后建立各個神經元之間的突觸連接（興奮性和抑制性突觸），形成神經元網絡仿真模型。通過將仿真結果與實驗數據相比較，優(yōu)化網絡結構和參數，獲得與實際觀察相符合的網絡模型，在細胞水平上闡明癲癇發(fā)作的內在機制。

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（本文編輯：趙翠翠）

R742.1

C

10.3969/j.issn.2095-9400.2016.12.019

2016-04-05

浙江省教育廳訪問學者教師專業(yè)發(fā)展項目。

鄭茜茜（1978-），女，浙江溫州人，講師，碩士。