基于皮层可塑性的创伤后癫痫发作机理和电场调控研究

Brain trauma tends to induce post-traumatic epilepsy. Due to its complex properties including long latent period and repeated attack, effective and non-invasive methods for regulation of post-traumatic epileptogenesis have not been developed. We propose a hypothesis that deafferentation is an important factor for eliciting seizures through reconstructing cortical network with synaptic plasticity and the evolution of the plasticity could be regulated by non-invasive electrical field to suppress the post-traumatic epileptogenesis. First, experiments will be designed to collect data from normal state and post-traumatic epileptogenesis and main features will be extracted from the data. We will construct cortical network with synaptic plasticity according to the collected data, study the underlying dynamical properties behind the reconstruction of the plastic network and analyze the mechanism of epileptogenesis quantitatively. Besides, morbid cortical network model exposed to electrical field will be constructed and we will investigate the effects of electrical field parameters, including electric field intensity, frequency and duty ratio, on the network reconfiguration and the control strategy for suppressing epilepsy. . Our research provide theoretical guidance for the studies of electric field effect of cortical network and mechanism of epileptogenesis. It also provides an important theoretical foundation and treatment method for electrical field control of post-traumatic epileptogenesis in the clinical treatment..

脑创伤易诱发创伤后癫痫，因其潜伏期长且易反复发作的复杂特性，目前创伤后癫痫的发作机理尚不明确且缺乏有效的无创调控手段。为解决这一问题，本项目提出假说：传入神经阻滞会通过网络可塑性引发皮层网络的重构，进而导致创伤后癫痫；采用无创的外电场刺激调控这种可塑性的演化，能够达到抑制此类癫痫的目的。. 首先，获取并分析正常状态和癫痫发作期的皮层脑电数据，提取关键的特征参数，在此基础上建立可塑性皮层网络模型，对创伤引起可塑性网络拓扑结构重构的动力学特性进行分析，量化研究创伤后癫痫的发作机理；其次，建立外电场刺激下可塑性皮层网络模型，研究外电场刺激参数如电场强度、频率、占空比等对创伤后癫痫病态网络重构过程的影响，探索抑制创伤后癫痫发作的无创控制策略。. 本项目将为皮层外电场效应及癫痫产生机理的相关实验研究提供理论指导，并且为外电场临床调控创伤后癫痫提供重要的理论基础和治疗方案。

脑创伤易诱发创伤后癫痫，因其潜伏期长且易反复发作的复杂特性，目前创伤后癫痫的发作机理尚不明确且缺乏有效的无创调控手段。为解决该问题，本项目提出并系统验证假说：创伤后癫痫的发作可能是由脑网络的重构引起；采用无创的外电场刺激调控能够达到抑制此类癫痫的目的。. 第一部分设计了实验，选取创伤后癫痫病人，采集癫痫发作间期和发作期的脑电数据。采用非线性方法（加权排列熵、多尺度相位耦合等）提取癫痫脑电数据的特征。通过构建支持向量机等机器学习方法来对测试组的数据进行预测，预测准确率很高，为之后的模型构建打下基础。. 第二部分建立了癫痫耦合神经元网络模型和神经元集群模型。基于PR神经元模型建立了耦合神经元网络，并发现通过改变网络突触连接可以生成癫痫样放电，该现象与实验相符。为了获得更高的抽象层次，我们分别建立了自回归PDM，NMM，NARX等神经元集群模型来复现癫痫的产生。模型能够量化的预测出外部刺激输入与神经元网络输出之间的动态关系。. 第三部分建立了可塑性癫痫网络模型，并研究了其动力学特性，包括网络放电规则性传导、同步和共振，本项目发现突触可塑性可以使癫痫网络进行重构进而产生病态共振和过同步现象，是造成创伤后癫痫发作的重要因素。. 第四部分建立了外加电场下癫痫单房室和两房室神经元模型以及电阻网络模型，研究了外加电场对癫痫神经元及网络动力学特性的调控作用，发现可以通过合理设计外加电场的参数来抑制癫痫放电的产生。. 第五部分利用FPGA运算速度快，功耗低，容易并行化等优点，构建电场下的癫痫网络。进一步验证了通过外加电场抑制癫痫放电的可行性，优化了刺激参数的设计。. 综上所述，本项目从实验数据分析，癫痫产生和外电场作用机制研究等多个角度系统的验证了我们提出的假说，得出结论：脑网络的重构是创伤后癫痫的发作的重要原因，适当参数的外电场刺激可以抑制此类癫痫。本研究对于创伤后癫痫的检测和治疗具有重要意义。