皮层螺旋波在癫痫发作的自行停止或演化成癫痫持续状态过程中的作用

Clinically, in nearly 80% of epilepsy patients, the epileptic seizures will spontaneously terminate, and in the remaining proximate 20% of the patients have experienced status epilepticus (SE). Mechanisms underlying the seizure self-terminating and sustaining to SE remain largely unknown, which are not only closely correlated to epileptic therapy and prognosis, but also critical key issues in epileptic research area. Spiral waves are common phenomenon of fluid dynamics in biological system. They can be observed in cortex using voltage sensitive dye (VSD) imaging which converts neuronal membrane potential into optical signals. We recently observed that spiral waves might play an important role in the seizure self-terminating of an episode of thalamic absence seizure. Based on preliminary work and principle of spiral wave generation, we hypothesize that epileptic waves may collide with each other and increase cortical spiral waves. Spiral waves are self sustained rotation waves without pace making cells, and the intrinsic frequency of the spiral waves (rotation rate, ~10 Hz) may be faster than the pace-making frequency of the generator of absence seizure (~3 Hz). The incoherency in frequency may cause the termination of an epileptic oscillation episode. In addition, SE may occur as a strong propagating wave without spirals to terminate the episode. Based on our previous work and preliminary data, for the first time we propose to establish methods of precisely inducing or eliminating cortical spiral waves. Using classical epileptic seizure animal models and SE models, we will test our hypothesis, on the role of cortical spiral waves for determining seizure outcomes: self-termination or progression towards SE. Our project will shed light on epileptogenesis from an angle of wave-to-wave interactions and spiral dynamics. Understanding spiral dynamics may contribute to both basic theories underlying epilepsy and therapeutical applications by providing a new target developing antiepileptic strategies as well as preventing SE.

临床上约有80%癫痫患者的癫痫发作可以自行停止，接近20%的患者发生过癫痫持续状态（SE），后者危害严重。癫痫发作如何自行停止或演化成SE是癫痫领域遗留的经典核心问题，对癫痫治疗及预后至关重要。螺旋波是生物学系统中基本流体动力学现象，应用电压敏感染料成像可以观测到大脑皮层螺旋波。我们新近发现，螺旋波可能是促使失神癫痫发作停止的重要皮层自身调控机制。本项目依据前期基础和螺旋波产生原理提出假说：在癫痫发作过程中，皮层癫痫波相互碰撞产生螺旋波增多，螺旋波以自身固有频率（~10Hz）干扰癫痫性振荡（~3Hz），促使癫痫发作自行停止。若螺旋波产生受阻使癫痫发作不能自行停止而演化成SE。本研究通过建立精确可控的诱导或消除皮层螺旋波方法，采用多种经典癫痫发作模型和SE模型验证上述假说，探讨皮层螺旋波在癫痫发作的自行停止或演化成SE过程中的作用，对于癫痫的基础理论认识、临床治疗及SE预防具有重要意义。

临床上约有80%癫痫患者的癫痫发作可以自行停止，接近20%的患者发生过癫痫持续状态（SE），后者危害严重。癫痫发作如何自行停止或演化成SE是癫痫领域遗留的经典核心问题，对 癫痫治疗及预后至关重要。螺旋波是生物学系统中基本流体动力学现象，应用电压敏感染料成像可以观测到大脑皮层螺旋波。我们发现，螺旋波可能是促使失神癫痫发作停止的重要皮 层自身调控机制，并提出假说：在癫痫发作过程中，皮层癫痫波相互碰撞产生螺旋波增多，螺旋波以自身固有频率（~10Hz）干扰癫痫性振荡（~3Hz），促使癫痫发作自行停止。若螺旋波产生受阻使癫痫发作不能自行停止而演化成SE。本研究试图建立精确可控的诱导或消除皮层螺旋波方法，采用多种经典癫痫发作模型和SE模型验证上述假说，探讨皮层螺旋波在癫痫发作的自行停止或演化成SE过程中的作用，对于癫痫的基础理论认识、临床治疗及SE预防可能具有重要意义。.在项目实施过程中，我们尝试了对侧皮层电刺激诱导或消除皮层螺旋波方法，建立了labview软件编程控制刺激模式用于镜像刺激及采集电信号方法，并优化了该方法以控制实时电刺激模式来终止螺旋波。然而，这种电刺激皮层诱导镜像皮层产生稳定螺旋波的方法至今仍未成功建立，仍在实验探索中。我们采用上述皮层终止螺旋波方法进行研究，在63例大鼠失神癫痫模型中，脑电图共监测到1063个成串棘慢波发放事件，其中有215个监测到螺旋波并给予终止螺旋波电刺激，成功终止螺旋波44个，成功率为20.5%（数据整理中）。初步发现，在终止皮层螺旋波后，后继1h脑电图放电持续时间有所延长，每串棘慢波时程延长，数据正在统计整理中。此外，失神发作（absence seizure，AS）多棘慢波复合体（poly-spike wave complex，PSW）的机制仍然未知。我们分析了皮层PSW的起源模式。观察大鼠失神发作模型中PSWs的时空分布。初步发现在双棘波期间，第一和第二棘波在两个相邻的皮层区域激活，边界清晰，表明皮层区域间的解剖边界。然而，不同皮层区域并未永久分界，在单一棘慢波（spike and wave complex，SW）期间，这两个区域几乎同时被激活。提示多棘慢复合波的每个棘波成分源自不同皮层区域，由此可以在短间隔（例如30-80 ms）内产生多个棘波，并且没有棘波间的不应期，这对失神癫痫脑电图多棘慢复合波的产生机制提出了一种可能的解释。