介观尺度下胶质细胞调控癫痫发放动力学机理研究

Epilepsy represents one of the most common neurological disorders, second only to stroke, but its potential mechanism remains a long-standing question and deserves for further investigation. Recent evidences have found that abnormal neural activities like epileptic discharges could be closely related to the dysfunction in astrocyte. This proposal intends to consider the multiple feedbacks between astrocyte and neuron populations, and combines the epileptic EEG data to study the dynamic mechanism of astrocyte evoking and controlling epileptic discharges in the mesoscoptic scale. First, based on the astrocyte calcium dynamics, we propose a dynamic model of neuron-astrocyte population to explore the mechanism of dysfunctional astrocyte evoking epileptic discharges and the regulation of astrocyte on the epileptic treatment by antiepileptic drugs. Second, by considering the temperature-sensitive properties of astrocyte and neuron, we investigate the effect of temperature on the neuron-astrocyte population dynamics to confirm the critical role of astrocyte on the epileptic suppression by brain cooling. Finally, we study the effect of electrical stimulation on the dynamic behavior of neuron-astrocyte population to reveal the mechanism of astrocyte regulating the epileptic treatment by brain electrical stimulation. This project refers to the interdisciplinary exploration of nonlinear dynamics and neuroscience, and is a fundamental frontier research, which not only would further reveal the epileptic pathogenesis and enrich the research theory for epilepsy, but also can provide the theoretical support for clinical prediction, prevention and treatment of epilepsy.

癫痫已成为仅次于脑卒中的第二大神经系统常见疾病，但其发病机理尚不完全清楚。最新研究表明，胶质细胞功能失调与神经癫痫放电有密切关系。本项目拟考虑大集群胶质细胞与神经元之间的多种反馈方式，结合癫痫脑电数据，从介观尺度研究胶质细胞调控癫痫发放的动力学机制。首先构建基于钙离子振荡的神经-胶质细胞群耦合动力学模型，分析胶质细胞功能异常诱发癫痫的机理以及胶质细胞参与抗癫痫药物抑制癫痫的过程。其次，构建具有温敏特性的神经-胶质细胞群耦合模型，研究温度对耦合集群动力学行为的影响，探究胶质细胞在低温治疗癫痫过程中的关键作用。最后，探讨电刺激对神经-胶质细胞群耦合动力学行为的影响，研究胶质细胞调控电刺激治疗癫痫的机理。本项目为非线性动力学与神经科学交叉学科的基础性前沿研究，研究结果不仅可以进一步揭示癫痫发病机理、完善癫痫研究理论，同时又可以为临床预测、预防和治疗癫痫提供理论依据。

我们完全按照年度计划执行，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与神经元间的耦合方式，考虑胶质细胞对集群神经元的响应，构建介观尺度胶质细胞-神经元耦合模型，并基于所建模型研究胶质细胞调控癫痫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）基于特征模态的大脑复杂动力学行为形成机理研究；2）大脑丰富认知功能形成的动力学机理研究；3）大脑疾病临床诊断、预测研究；4）电磁辐射环境下神经元网络自组织动力学行为研究。 ..研究结果表明：大脑分层模块化结构提供了一种固有的产生功能性分离与整合的能力，而大脑临界动力学行为可以最大化的激发这种固有能力，产生最丰富的功能连接模式；健康年轻人大脑在静息态时处于分离与整合的平衡状态，并且更强的整合预测了更高的一般智力，更强的分离对应更高的晶体智力和处理速度，分离与整合的平衡对应最高的记忆能力；在多源干扰任务下，大脑需要更高的灵活性在分离和整合状态之间动态切换，并且静息态下更高的大脑灵活性对应更好的认知行为，任务态下更低的灵活性对应更好认知行为，从静息态到任务态的切换效率越高，认知行为表现越好；儿童多动症诱发了大脑功能模式的非线性发育轨迹，边缘系统可以最优地预测临床多动症状，而注意力系统可以最优地预测注意力不集中的症状；自发性电磁感应显著减小了神经元的动态响应范围、诱导双稳态及复杂的模式，并且可以重构突触连接，优化自组织神经元网络的连接模式，从而提高网络的局部和全局效率；而外界电磁辐射可以使自组织神经元网络在结构上具有较强的信息传递能力,在动力学上具有较高的同步放电行为。..本项目研究结果有利于更好地理解胶质细胞在神经系统信号传递和整合过程中的重要作用，对脑神经性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8篇，其中SCI检索论文7篇，国内核心期刊收录1篇，培养硕士研究生5名。

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