癫痫(epilepsy)是一种常见的慢性中枢神经系统疾病,以脑内异常癫痫神经环路形成为基础,主要临床表现为反复不自主发作,全球患病率约为0.7-1%。尽管多年来针对新型离子通道和GABAa受体功能等作为主要靶点的新型抗癫痫药物不断被发明并应用于临床控制癫痫发作,但是由于癫痫神经环路及相关通道／受体的复杂性等原因现有抗癫痫药物均无法有效根治或预防癫痫,而且有大约30%的癫痫患者对多种抗癫痫药物耐受而发展为难治性癫痫。颞叶癫痫(TLE)是最常见的难治性癫痫类型,其中以海马及杏仁核为病灶(海马最为常见)的正中TLE患者75%最终会发展为难治性癫痫。如果起源于局灶型的发作活动扩散到全脑,则表现为继发性的全身性癫痫大发作(GS),约70%的局灶性发作都会经历GS。对此类发作的不完全控制是临床突然死亡的重要风险因素,同时极易引发发作相关的严重意外损伤。目前临床主要通过手术切除颞叶区病灶让部分难治性TLE患者短期内不再发作,然而适合手术的患者有限,而且即使经历术后仍旧有30%的癫痫患者3-5年内癫痫复发。并且TLE手术切除的区域(海马、杏仁核等边缘系统结构)与学习记忆、情感认知密切相关,患者在术后会出现多种认知功能障碍及并发症。因此,迫切需要寻找其它能有效干预颞叶癫痫的治疗策略和药物靶点。神经电刺激是功能脑外科治疗神经系统疾病的的新选择,它通过向特定的神经组织输送一定频率、强度、脉冲时程的电流刺激来调节靶点及相关环路的兴奋性,从而达到治疗目的。相比手术治疗,具有创伤小、刺激参数可调节和可逆性(设备植入后可以拆除)等多种优势。目前,迷走神经刺激(通过FDA认证)作为神经外科常用的辅助治疗难治性癫痫的手段已经逐渐被应用。然而,该种方法有效性低,同时存在较多的副作用使其应用受限制。另一方面,深部脑刺激(deep brain stimulation, DBS)在动物和临床实验中也表现出较好的应用前景,2010年开展的对丘脑前核的DBS大型临床多中心研究初步显示,具有一定的抗癫痫作用。本人所在课题组前期研究也表明,低频率电刺激(LFS)在癫痫灶点及灶点外多个脑区具有较好的抗癫痫作用,且相比高频率电刺激更安全。然而由于电刺激的机制并未得到阐明,导致最佳的刺激靶点和参数依旧不明,表现为：不同靶点效果不一样(有的靶点甚至加重癫痫)或者同一靶点也存在矛盾的报道。因此,继续阐明深部脑刺激的作用机制并研究其抗癫痫特征非常必要。在本博论的第一部分,我们主要研究了LFS抑制颞叶癫痫形成的早期特征及可能的作用机制。由于电刺激对神经元调控具有的非特异性使其用于解析癫痫发病的环路基础显得困难重重。目前,光遗传学(Optogenetics)作为最新研发的技术(2010年《Nature》评出的最受关注的技术),即将微生物中对光敏感的离子通道通过转基因的手段选择性导入到神经细胞,可以实现用不同颜色的光在体调节神经元活动,具有高度的细胞选择性和精确的时间响应性。如Channelrhodopsin-2 (ChR2)为对蓝光相应的阳离子通道,将其特异性导入到神经细胞,蓝光照射可以选择性开放ChR2通道导致阳离子内流从而去极化细胞膜,表现为增强神经元的发放频率；Archaerhodopsin-3 (Arch)为对黄光响应的质子通道,黄光照射可以选择性开放Arch通道导致质子外流从而超极化细胞膜,表现为神经元功能受抑制。应用该技术已经陆续解析了疼痛、抑郁和焦虑等多种神经精神类疾病的发病环路基础。因此,该技术的出现使得解析TLE的环路基础并以此开发新的特异性的调控手段成为可能。在第二部分内容中,我们重点应用该技术解析了TLE继发GS的下托微环路机制,并开发特异性的调控手段。第一部分低频率电刺激通过调控早期边缘系统代谢抑制颞叶癫病的形成LFS已经逐渐成为一种有应用前景的治疗癫痫的新手段。在本实验中,我们主要研究LFS在抑制癫痫形成过程中是否存在治疗的关键期。我们采用大鼠杏仁核电点燃模型模拟癫痫形成过程,在形成过程的不同时间点给与LFS,同时结合小动物正电子断层扫描(microPET)和多通道脑电记录(MER)的技术,研究在不同癫痫形成阶段的大脑动态与LFS的治疗作用关系。我们发现LFS在形成阶段的早期7天给与能够明显延缓癫痫的形成速度,这种抗癫痫作用与在癫痫形成的整个阶段给与具有类似的效果。然而,如果LFS在癫痫形成的2级或3级给予时(形成过程的第5±0.3天时),不但没有抗癫痫作用,甚至加快了癫痫的后放电同步化扩散。MicroPET影像学显示,癫痫形成早期阶段表现为杏仁核、梨状皮层、内嗅皮层等边缘系统的低代谢,而LFS能够明显增加这些脑区的葡萄糖代谢量。MER进一步揭示,在癫痫早期形成阶段,这些脑区表现为最早的同步化放电传播。因此,本研究主要证明了调控边缘系统的代谢可能是LFS抑制早期癫痫形成的关键。第二部分去抑制的下托微环路介导颞叶癫痫继发的全身性大发作继发GS是TLE中一种致残率非常高的类型,目前其发病的细胞和环路机制并不清楚。在本文中,我们报道了用蓝光选择性激活下托GABA能神经元(或小清白蛋白亚型(PV)神经元)能通过抑制锥体细胞的功能从而延缓颞叶癫痫从局灶性发作扩散到GS的过程。然而,当GS已经稳定形成后,再激活下托GABA能神经元(或PV神经元)反而引起锥体细胞的激活,从而加重了GS。这种加重作用能被钠钾氯共转运体(NKCC1)抑制剂布美他尼或选择性失活GABA能神经元所拮抗,提示下托区存在去极化的GABA能信号。进一步我们选择性抑制下托锥体细胞去模拟GABA能神经元的激活,发现只有用质子泵而非氯离子泵的光敏蛋白才能有效减缓GS。这些结果提示去抑制的下托微环路介导了颞叶癫痫中的GS,这对于解析癫痫环路机制进而开发有效特异的干预手段具有重要意义。