皮层癫痫是常见的癫痫发作类型,容易发展为难治性癫痫,临床治疗预后较差。传统针对神经元的治疗干预方法往往存在效率低和副作用大的缺点,因此需要寻找更加安全有效的治疗方式及药物靶点。近年来研究显示星形胶质细胞可能参与了癫痫发病机制。脑内星形胶质细胞介导的胶质递质、离子和水的紊乱,及其介导的突触可塑性和免疫反应均可能参与癫痫发作。但是由于星形胶质细胞和神经元有很多共同的作用靶点而一直无法实现特异性地调控,并且星形胶质细胞在癫痫发作中的因果关系依旧不清楚。因此,本文利用光遗传学技术特异性调控皮层星形胶质细胞,明确其在癫痫发病中的作用,并探讨调控星形胶质细胞是否可以作为一种安全有效的策略用于防治皮层癫痫。首先,本文通过Cre-Loxp转基因方式将光敏感蛋白ChR2特异性地表达到运动皮层区的星形胶质细胞中,并使用蓝光刺激表达ChR2的星形胶质细胞方式来达到光遗传学特异性调控的目的。研究发现,蓝光刺激表达ChR2的星形胶质细胞能够显著抑制海人酸诱导的皮层癫痫发作,明显延长癫痫发作的起始和全身性发作的潜时,降低最高发作等级和全身性发作次数,这种抗癫痫作用不存在光照频率的依赖性。在皮层癫痫的发作早期和发作后期,蓝光刺激星形胶质细胞均有很好的抗癫痫作用,提示其对皮层癫痫的形成及扩散均具有重要作用。同时,蓝光刺激表达ChR2的星形胶质细胞能够显著抑制匹罗卡品诱导的皮层癫痫发作,延长全身性发作的潜时并降低死亡率。为了解析蓝光刺激星形胶质细胞的抗癫痫作用基础,实验中使用了在体单细胞记录的方式,发现蓝光刺激表达ChR2的星形胶质细胞能够“频率区分性”地抑制皮层锥体神经元的发放:表现为蓝光刺激皮层星形胶质细胞能够明显抑制发放频率高的锥体神经元,而对发放频率较低的锥体神经元抑制作用不明显。此外,通过光遗传学技术直接抑制锥体神经元活动也具有类似的抗皮层癫痫的作用,但只有在癫痫发作全程抑制锥体神经元时才具有抗癫痫作用,如果仅在癫痫发作早期或是后期给予黄光抑制锥体神经元则不存在抗癫痫作用。与此同时,用光遗传学技术直接抑制皮层锥体神经元会影响小鼠的运动能力。本文结合药理学,化学遗传学,在体单细胞记录和特异性病毒干预等实验技术,进一步发现星形胶质细胞中的钙信号的变化不参与光遗传学调控星形胶质细胞的抗癫痫作用。相反,在癫痫发作前特异性增加星形胶质细胞中的钙信号反而促进皮层癫痫的发生。蓝光刺激星形胶质细胞的抗癫痫作用可能主要与增强星形胶质细胞中的Na+/K+ ATPase的功能相关,病毒特异性干扰星形胶质细胞的Na+/K+ATPase的表达能够逆转蓝光刺激星形胶质细胞引起的抑制高发放频率的锥体神经元发放而产生的抗癫痫作用。Na+/K+ATPase被激活后可能促进了癫痫状态下星形胶质细胞中Na+/K+交换,将胞外过多的K+缓冲到星形胶质细胞内,从而降低了整个神经回路的兴奋性。综上所述,本研究首次发现采用光遗传学技术特异性刺激表达ChR2的星形胶质细胞可以显著抑制皮层癫痫的发作。这种抗癫痫作用不依赖于经典的星形胶质细胞内的钙信号通路,而可能是通过增强星形胶质细胞上的Na+/K+ATPase的功能而抑制高发放频率的锥体神经元而起的效果。因此,特异性调控星形胶质细胞可能是一种安全有效的抗癫痫治疗策略,研究结果为防治癫痫提供了新药物靶点。