基底前脑乙酰胆碱能神经元在颞叶癫痫致意识障碍网络中的作用及机制研究

It’s unclear why and how temporal lobe epilepsy (TLE) cause impaired consciousness. The “Network inhibition hypothesis” posits that temporal lobe seizures impair consciousness by inhibiting subcortical arousal pathways, which in turn depresses cortical function and then loss of consciousness. Our early research showed that acetylcholinergic (ACh) neurons in rat’s basal forebrain decreased their firing rate during temporal lobe epilepsy, which suggesting that these ACh neurons may be involved in the network of inducing loss of consciousness by TLE. To further investigate the role and mechanism of Basal Forebrain Ach neurons in loss of consciousness caused by temporal lobe epilepsy, this project plans to establish a TLE model through hippocampal electrical stimulation in ChAT-Cre transgenic rats and specifically activate the ACh neurons in basal forebrain using a strategy of optogenetics, so as to study the neuron activation effect on TLE and especially on cortical slow waves and animal behaviors. Besides, we aim to explore the downstream pathways and their mechanism by preconditioning rats using different types of acetylcholine receptor antagonists. This work could help us seek new therapeutic targets for the prevention of loss of consciousness due to epilepsy.

颞叶癫痫(TLE)引起意识丧失的机制目前尚未明确，“网络抑制假说”认为其可能通过某种网络机制抑制皮层下觉醒中枢，致皮层功能障碍并最终出现意识丧失。课题组前期研究显示大鼠颞叶癫痫发作时基底前脑乙酰胆碱能（Ach）神经元放电频率明显减少，推测基底前脑Ach神经元可能参与了癫痫致意识障碍网络的形成。为进一步明确基底前脑Ach神经元在颞叶癫痫致意识丧失中的作用及可能机制，本项目拟采用ChAT-Cre转基因大鼠制作电刺激海马颞叶癫痫大鼠模型，利用光遗传学的研究方法，特异性激活基底前脑Ach神经元，重点研究该脑区Ach神经元活化对癫痫发作特别是皮层慢波及动物行为学的影响。另通过不同种类乙酰胆碱受体拮抗剂预处理大鼠探究其在大脑皮层的下游作用通路及可能机制。为防治癫痫所致的意识障碍寻求新的治疗靶点。

癫痫猝死（SUDEP）是癫痫最严重的并发症。前期研究发现在颞叶癫痫发作期及发作后期大鼠呼吸频率、潮气量和分钟通气量明显下降，同时大鼠中脑及延髓中缝核中多神经元电活动及延髓5-HT神经元的放电频率明显下降，我们推测大脑5-HT递质系统在SUDEP致病机制方面起着重要的作用。近年来，人们发现肠道微生物群可能通过胃肠道与中枢神经系统之间 “细菌-肠-脑轴”的动态双向联系影响大脑功能。已有研究证实肠道微生物群在生酮饮食抗难治性癫痫治疗中具有重要作用。因此，本研究拟通过高色氨酸饮食（High tryptophan diet，HTD）喂养DBA/1 SUDEP模型小鼠，利用生物多样性分析、超高效液相色谱等手段，研究HTD对DBA/1 SUDEP模型呼吸暂停（S-IRA）发生率、中枢及外周5-HT及相关底物TRP、5-HTP及5-HIAA的表达水平及肠道菌群丰度的影响；另外，通过HTD结合抗生素（Antibiotics，A）或益生菌（Probiotics, P）干预，探究肠道菌群在此过程中的参与度及可能的作用机制。结果发现：①与正常饮食组（ND）比较，HTD组S-IRA发生率显著降低（P＜0.5），而HTD+P组、HTD+A组及ND组之间S-IRA发生率无显著差异；②与ND组比较，HTD组血5-HT、端脑Trp、5-HT、5-HIAA（P均＜0.01）、中脑5-HT（P＜0.05）、5-HIAA（P＜0.001）水平显著升高；与HTD组比较，HTD+A组血5-HT、端脑5-HT、Trp及5-HIAA（P均＜0.01）、中脑Trp（P＜0.05）、5-HTP（P＜0.01）水平显著升高；HTD+P组中脑5-HTP水平显著增加（P＜0.05）；与HTD+P组比较，HTD+A组端脑Trp （P＜0.5）、5-HTP（P＜0.01）水平显著降低；③HTD组、HTD+A组及HTD+P组小鼠粪便物种组成相对丰度百分比有明显改变。以上结果表明，肠道菌群与Trp及5-HT代谢有着重要联系；HTD可能通过增加中枢5-HT浓度，减少癫痫发作时5-HT神经元受抑制的程度，进而通过减少呼吸暂停出现的几率及呼吸功能受限的程度来减少SUDEP的发生率；然而联合抗生素或益生菌处理后，这种获益未能进一步提高，提示肠道菌群在HTD对SUDEP的保护作用方面参与度有限，尚需进一步研究。