电场对大脑皮层扩散波时空动力学特性的调控及细胞机制

Travelling waves caused by dynamical organization of brain activities take part in normal brain function and plasticity. Abnormal travelling waves are hallmark of brain diseases caused by abnormal dynamical organization. With amplitude, frequency of the travelling waves coding information, the different spatiotemporal patterns of travelling waves play a great role in the maintaining and modulating normal brain functions and coding information. Recent researches have been focused on controlling the abnormal travelling waves using electric stimulation to treat dynamical diseases of nervous system. Although there are advantages of electric stimulation, it has severe side effects in some treatments. The ability to design rational strategies for electrotherapy for brain diseases requires the comprehensive knowledge of the mechanism by which electric field interacts with the nervous system. Based on previous reports, we hypothesized that electric fields in opposite polarity affect the spatiotemporal dynamical characteristics of travelling waves in opposite way; the endogenous frequency of theta oscillation decides the frequency range of effective AC electric field; the modulation of AC electric field on spike frequency and spike timing of different types of neurons underlies the modulation of power of harmonic frequency components of oscillation; the participation of GABAergic inhibiton may be modulated by controlling the strength of the applied electric field, which may play an important role in the effects of electric fields on spatiotemporal dynamical characteristics of brain activity; electric fields may increase the excitability of neurons by increasing the activity of Na+ channels; cortical spreading depression which underlies migraine can be suppressed by electric field. The patch clamping recordings and optical imaging techniques will be employed to test our hypotheses. This project will help understand the mechanisms that how electric fields caused by electric stimulus affect the nervous system and would provide theoretical evidence for treating diseases such as epilepsy and migraine efficiently with the help of real time neural control models.

扩散波的频率、幅度和时空传递方式反应了神经活动的动态组织形式并以多种方式参与皮层的功能。目前临床用电刺激来治疗部分由于神经活动组织形式异常引发的神经疾病。但由于对电刺激引起的电场影响神经活动的机理认识不足，在临床用电刺激治疗神经疾病的过程中存在一些严重的副作用。目前的相关研究基本局限于电场对单细胞活动的影响，尤其缺乏电场对整体水平的扩散波时空传递动力学特性影响的认识。扩散波的时空动力学特性在正常生理功能的维持中发挥了重要的作用。本项目拟采用膜片钳结合光学成像技术，从单细胞和群体细胞水平着重研究不同极性直流电场和不同频率交流电场对扩散波及其时空动力学特性的影响，以及不同发放类型的神经元活动和Na通道活性受电场的调控，以期将单细胞和群体细胞的研究结果相结合，深入理解电场调控扩散波时空动力学特性的机制。研究结果能够为优化神经控制模型提供理论依据，为临床使用电刺激治疗重大脑疾病提供合理设计方案。

本项目应用电压敏感染料光学成像技术、内源光学成像技术以及全细胞膜片钳技术探讨了不同极性直流电场和不同频率交流电场对扩散波及其时空动力学特性的影响，并将电刺激应用在内脏痛的镇痛治疗上，同时结合行为学、药理学、电生理和分子生物学等技术探讨了电刺激镇痛的机理。主要结果如下：1. 相反极性恒定幅度的直流电场对扩散性振荡波（振荡波）频率成分以及群体细胞反应同步性的影响效果是相反的。2.恒定幅度的直流电场对振荡波空间频率域的扩散形式有影响。正电场显著减小振荡波空间频率域扩散形式的复杂性。而负电场对振荡波空间频率域扩散形式的复杂性没有显著的影响。3.恒定幅度的直流电场对振荡波时间频率域的扩散形式复杂度没有显著影响。4.相反极性恒定幅度的直流电场对单个细胞兴奋性的影响具有相反的趋势。但恒定幅度的直流电场对单个神经元的影响效果较为复杂多样，不能得到单细胞水平显著的统计差异。5.正弦波交流电场对振荡波群体细胞反应同步性的影响则具有频率依赖性。6.交流电场对振荡波时间频率域的扩散形式复杂度没有显著影响。7.正弦波交流电场刺激能够影响单个细胞兴奋性，在交流电场刺激后使细胞的发放频率发生明显的改变，但是其影响结果与交流电场的频率以及刺激时间的长短有关。8.不同极性的直流电场对于扩散性抑制波的影响方式也不同。正的直流电场抑制扩散性抑制波的传播速度及扩散范围，负的直流电场增加扩散性抑制波的幅度并减小扩散性抑制波发起的速度。在电场的应用方面，我们发现经颅直流电刺激（tDCS）对成年大鼠的慢性内脏痛有明显的镇痛效果；虽然扣带皮层(ACC)、岛叶皮层(IC)和底侧杏仁核(BLA)都参与了成年大鼠的慢性内脏痛形成，但是BLA并不参与tDCS的镇痛作用，ACC和IC可能参与了tDCS的镇痛作用，其具体的机制仍然需要进一步的深入研究。本项目的研究成果部分揭示了电场对于扩散波动力学特性的影响及细胞机制，并首次发现了参与电场镇痛作用的脑区及这些脑区分子和电生理水平的变化，为IBS病人慢性内脏痛的临床治疗提供了新的方法。