基于全细胞膜片嵌技术探讨Otx1在癫痫中的生理作用机制

The epileptics are more than 10 million in China, and increased by 0.4-0.6 million every year with an accelerated speed. Thus, it's urgent and necessary to demonstrate its pathogenesis in further. The occurrence of epilepsy may be related to the abnormity of some epileptic genes. The absence of Otx1 could induce the epileptic behaviors of the mouse, however, the physiological mechanism is still not fully understood. Otx1 expresses specifically in deep layers of the mouse cerebral cortex, and affects axon pruning which further influence the formation of neural morphology and structure. Morphology and structure of neurons could affect their physiological functions directly. We presume that Otx1 may modify electrophysiological responses and synaptic connections of layer 5 pyramidal neurons in the cerebral motor cortex by affecting axon pruning, which, in the end, will influence the neural information transmission and induce the epilepsy. Accordingly, using the Otx1 mutant mouse as a model, and through multi-neuron whole-cell patch clamp recording and 3D reconstructions of neural morphology techniques, we intend to investigate the physiological mechanisms of Otx1 in the epilepsy from the molecular, cellular and neural microcircuit network levels, respectively, so as to give some theoretical and experimental cues for the prognosis and therapy of epilepsy. The present study will establish the foundation of developing a multi-dimensional research system combined with molecular biology, morphological analysis and electrophysiological techniques to investigate the specific genes interested.

我国的癫痫患者已经突破千万，每年新增患者40-60万人且增长速度越来越快。因此，更加深入阐明癫痫的发病机理是迫切和必要的。癫痫的产生可能与某些癫痫基因的异常相关。Otx1缺失会诱发小鼠产生癫痫，但其生理机制尚未完全阐明。Otx1特异性表达于小鼠大脑皮质深皮层，通过影响轴突修剪而影响神经元形态结构的形成。神经元形态结构会直接影响神经元生理功能的发挥。我们推测Otx1通过影响神经元轴突修剪而改变大脑皮质运动区第5皮层锥体神经元的电生理反应及突触联系，最终影响神经元间的信息传递并诱发癫痫。 因此，我们拟以Otx1突变小鼠为模型，利用多通道全细胞膜片钳和神经元三维形态重构等技术，分别从分子、细胞和神经微环路网络水平探讨Otx1在癫痫中的生理作用机制，以期为癫痫的预防和治疗提供新的理论和实验依据。本研究为建立一种综合利用分子生物学，形态学和电生理技术等从多角度去研究特定基因功能的的研究体系奠定基础。

癫痫是神经系统的常见疾病之一，我国有近千万个家庭因为家人得了癫痫而承受着巨大的压力。在发展中国家仍约有75%的受影响人群不能得到所需的治疗，这可能是癫痫发病原因的多样性和癫痫致病机理的复杂性所致。因此，更加深入阐明癫痫的发病机理是迫切和必要的。癫痫的产生可能与某些癫痫基因的异常相关。Otx1缺失会诱发小鼠产生癫痫，但其生理机制尚未完全阐明。前期研究表明，癫痫行为的产生可能与大脑皮质第5、6皮层Otx1的缺失或突变有着密切的关系。本项目以Otx1突变小鼠为模型，利用多通道全细胞膜片钳和神经元三维形态重构等技术，分别从分子、细胞和神经微环路网络水平探讨了Otx1在癫痫中的生理作用机制。. 主要研究如下：.第一，Otx1在小鼠大脑皮质运动区各皮层的分布和表达情况及其对各皮层形态结构的影响；.第二，Otx1对小鼠大脑皮质运动区第5皮层锥体神经元电生理反应和突触联系的影响；.第三，小鼠大脑皮质运动区第5皮层锥体神经元三维形态模拟重构和定量分析。. 本项目证实：.第一，在小鼠大脑皮质运动区，Otx1特异性表达于第5、6皮层的锥体神经元中；.第二，Otx1突变影响大脑皮质运动区第5皮层锥体神经元的放电类型。Otx1突变使规律式（adapting regular spiking, RSAD）型神经元比例显著升高，而爆发式（intrinsically bursting, IB）以及节律性振荡爆发式（rhythmic oscillatory bursting, ROB）型神经元比例显著下降；Otx1过表达后可以明显“逆转”Otx1突变引起的这些效应；.第三，Otx1突变使大脑皮质运动区第5皮层锥体神经元兴奋性增强，而Otx1过表达可以有效降低锥体神经元兴奋性；.第四，Otx1突变降低大脑皮质运动区第5皮层神经元间突触联系的概率，改变其兴奋性突触联系的亚型组成；Otx1突变降低锥体神经元间兴奋性突触联系的强度；.第五，Otx1突变降低大脑皮质运动区第5皮层锥体神经元基树突的大小和形态结构复杂性，而Otx1过表达可以增加锥体神经元基树突形态结构复杂性；.本研究利用Otx1突变小鼠模型，通过多通道全细胞膜片钳记录和神经元三维形态模拟重构技术，分别从分子，细胞和神经微环路网络水平探讨Otx1在癫痫中的生理作用机制，为癫痫的诊断和治疗提供新的理论和实验依据。