星型胶质细胞参与癫痫发作的动力学机制研究

The emergence of epilepsy is often associated with abnormality in the neuronal system, while its potential mechanism for occurrence keeps open and deserves for further investigation, as a result, many patients with epilepsy have been suffered from this kind of disease without recovery. Some evidences have confirmed that abnormal electric activities like epileptiform discharges could be greatly related to the change in cellular morphology of astrocyte and dyfunction. This project tends to detect the potential cause for neuronal epilepsy in the view of diffusive molecular dynamics and neuron dynamics, based on the nonlinear science and theory. The contents contain as follows: 1)Based on the mean field theory, a new neuron-coupled-astrocyte model is designed to the adjustment of astrocyte on ion with dense concentration in synaptic cleft, thus the potential mechanism induced by concentration fluctuation of glutamate and potassium in synaptic cleft could be found.2) Based on the model of Ca2+ oscillation coupled with gliacyte and tri-synapse, the transition of collective electric activities induced by rapid fluctuation in ion channels, time-varying coupling between neurons and heterogeneous coupling among some neurons is investigated in detail.3)Then neuron-coupled-astrocyte in networks is improved to explore the potential emergence mechanism of epilepsy by using complex network theory. 4) The effect of cell temperature and electric field radiation（eletrodiffusion process of glutamate in the cleft） are considered in the neuron-coupled-astrocyte model to detect the occurrence and development of epilepsy. The results from this project can throw light on clinical prevention and cure of epilepsy.

癫痫是世界性脑神经疾病,在我国癫痫已经成为神经科第二大常见病，其发病机理尚不完全清楚，是医学界公认的一大难题。最新研究表明：神经元异常癫样放电与星形胶质细胞形状改变和功能失调有密切关系，为探索癫痫发病机理和治疗方法提供了新的思路。本项目拟从分子扩散动力学和神经动力学两个层面研究神经癫痫产生的机制。研究内容包括：1)构建胶质细胞调整突触间隙高浓度离子的动力学模型，探究胶质细胞调整细胞间隙钾离子和谷氨酸浓度调控癫痫发放的机制；2)基于胶质细胞钙离子振荡模型，以及三向突触动力学模型，研究离子通道突变、神经元间动态耦合和部分神经元非均匀耦合等条件下神经元及集群放电行为；3)构建胶质细胞调控癫痫发放的神经网络动力学模型，揭示胶质细胞参与癫痫发放的动力学机制；4)探讨细胞环境温度和电场对胶质细胞参与癫痫发放的影响。本项目为非线性动力学与神经科学交叉研究，研究结果有望为临床预防和治疗癫痫提供理论指导。

我们完全按照年度计划要求，每年按期提交年度报告，并圆满达到预期目标。.本项目首先根据胶质细胞间、胶质细胞与神经元间不同耦合方式，构建胶质细胞-神经元网络动力学模型，并基于所建模型研究胶质细胞调控神经元网络发放节律的动力学行为。重点在以下几个方面开展了探索性工作：1）构建星形胶质细胞释放谷氨酸的动力学模型以及其参与神经元癫痫放电的机理研究；2）构建胶质细胞间缝隙连接介导的钾离子空间缓冲动力学模型及其调控神经元癫痫放电的机理；3）定量解释电磁刺激治疗癫痫病情的有效和失效的内在机理。4）从神经网络失稳角度解释癫痫疾病发作机制。.研究结果揭示了星形胶质细胞谷氨酸衰减动力学抑制过程异常极大地增加了临近神经系统发生类癫痫放电转迁的可能性，以及星形胶质细胞谷氨酸的扩散特性在提高神经网络兴奋性放电传导中的重要作用；首次构建了胶质细胞间缝隙连接介导的钾离子空间缓冲模型，给出了缝隙链接耦合的胶质细胞内钾离子浓度动力学方程，揭示了缓冲胞外钾离子的胶质细胞间缝隙连接受损越强，会使得神经元更迅速的进入癫痫态；构建了电磁辐射影响下神经元模型，引入绕数（winding number）表征电磁刺激控制神经元放电的激励/响应的频率特征，从动力学角度解释了电磁辐射对于神经放电的抑制性动力学效果，这种抑制性效果对于临床研究癫痫等疾病在电磁辐射环境下受到的影响的研究具有重要的理论参考价值；引入临界慢化指数表征癫痫发作时对应神经网络规则斑图在失稳过程中的临界现象，解释癫痫发作时间与神经元耦合强度之间的指数规律。.本项目研究结果有利于帮助我们更好地理解胶质细胞神经元网络中癫痫疾病发放与传播的内在机理，对脑癫痫疾病研究及临床诊断治疗具有潜在的应用价值。.本项目研究成果共发表论文15篇，其中SCI检索论文8篇，国际会议论文2篇，国内会议论文5篇，培养博士后1名, 博士生3名，研究生2名。